Удельный вес аварий, связанных с эксплуатацией электрооборудования, составляет 4,9% от общего их числа по шахтам, а число смертельно травмированных — 4,2%. Однако эксплуатация неисправного электротехнического оборудования в подземных выработках представляет собой двоякую опасность – возможности не только поражения людей электротоком, но и высокой вероятности инициирования взрывов пылегазовой смеси и экзогенных пожаров при дуговом искрении.
Поражение людей электрическим током (электротравма) происходит: из-за случайного соприкосновения с оголенными проводами или предметами, находящимися под напряжением, или недопустимого приближения к ним; от прикосновения к конструктивным элементам или корпусам электрооборудования, которое оказалось под напряжением в результате пробоя изоляции; при нахождении вблизи от места замыкания на землю токоведущих частей.
Смертельный электротравматизм связан, в основном, с ремонтом и обслуживанием электроустановок (55%), при работе на машинах и механизмах (8%). Свыше 37% травм происходит с лицами, не связанными с обслуживанием электротехнического оборудования. При этом в 92% случаев причиной является отключение или шунтирование электрозащиты.
Система электрической защиты в шахтах базируется на общих требованиях Правил безопасности к энергоснабжению, электроустановкам и кабелям и соответствующих инструкций к ним. Шахтные электроустановки на поверхности должны отвечать требованиям Правил устройства электроустановок и НАОП 1.1.30-1.05-75.
Электроснабжение строящихся и реконструируемых шахт должно осуществляться по схемам с обособленным питанием подземных электроприемников.
Применение в шахтных условиях электрических сетей с заземленной нейтралью трансформаторов не допускается потому, что в подземных выработках при эксплуатации таких сетей оказывается повышенной опасность поражения людей, а также пожара и взрыва рудничного газа от электротока. Сущность этой повышенной опасности обусловлена следующим.
Рисунок 15.1 — Принципиальная схема прикосновения человека: а — к сети с глухо заземленной нейтралью; б — к сети с изолированной нейтралью
При прикосновении человека к одной из фаз сети с глухозаземленной нейтралью (рис. 15.1, а) даже при нормальном состоянии изоляции по отношению к земле величина тока, протекающего через человека, под действием фазного напряжения, практически ограничивается лишь сопротивлением его тела Rч, которое в шахтных условиях может быть в несколько раз меньшим, чем в обычных. Сопротивление изоляции и емкость сети в данном случае практически не оказывают влияния на величину поражающего тока. Еще более опасным может оказаться прикосновение человека к какой-либо фазе сети с заземленной нейтралью при наличии замыкания на землю в другой фазе (на рисунке 15.1 показано пунктирной стрелкой), поскольку напряжение, под которым оказывается человек, всегда превышает фазное. Величина этого напряжения зависит от соотношения сопротивления заземления rз и сопротивления растекания в месте замыкания на землю rзм, в пределе оно может достигать линейного напряжения.
Иное положение имеет место в сети с изолированной нейтралью трансформатора (рис. 15, б), в которой величина поражающего тока ограничивается не только сопротивлением тела человека, но и сопротивлением изоляции сети (активным и емкостным) по отношению к земле. Поэтому величина тока, проходящего через тело человека, оказывается значительно меньшей, чем в сети с заземленной нейтралью.
И только в том случае, когда сопротивление изоляции какой-либо другой фазы будет снижено до нуля (однофазное глухое замыкание на землю), человек может оказаться под тем же напряжением, что и в сети с заземленной нейтралью. Поэтому, если в сети с изолированной нейтралью обеспечивается автоматический контроль сопротивления изоляции и защитное отключение сети при возникновении повреждений изоляции, то сеть с изолированной нейтралью оказывается значительно безопаснее сети с заземленной нейтралью.
Во всех шахтных сетях переменного тока напряжением от 127 до 1150 В контроль изоляции и защитное отключение обеспечиваются с помощью высокочувствительной аппаратуры защиты от утечек (реле утечки)[1], благодаря чему достигается надежная защита людей от поражения электрическим током.
В сети с глухозаземленной нейтралью величины токов однофазных замыканий на землю могут оказаться недостаточными для срабатывания максимальной защиты и поврежденная сеть не будет отключена. Но, будучи довольно значительными и протекая длительно по открытым цепям заземления (неизолированные заземляющие и соединительные проводники и другие случайные токопроводящие пути), токи замыкания на землю представляют большую опасность в отношении воспламенения угольной пыли и других находящихся в выработках легковоспламеняющихся материалов, а в шахтах, опасных по газу или пыли, они весьма опасны и в отношении воспламенения рудничной взрывоопасной атмосферы.
Но даже и в том случае, если в сети с заземленной нейтралью при однофазных замыканиях на землю происходит срабатывание максимальной защиты, опасность взрыва и пожара не исключается, поскольку в течение времени срабатывания защиты и отключения сети возможны открытые искро- и дугообразования. Повышенная опасность возникновения пожара и взрыва рудничного газа при замыканиях на землю — это также одна из основных причин запрещения применения в угольных шахтах электрических сетей с заземленной нейтралью трансформатора.
В сети с изолированной нейтралью трансформатора, защищенной с помощью аппаратуры защиты от утечек, возможность возникновения сколько-нибудь значительных токов утечек сведена до минимума. При принятых установках защиты от утечек, обеспечивающих предупреждение поражения людей, длительные (неотключаемые защитой) и кратковременные (отключаемые) токи утечки, которые могут протекать по открытым цепям заземления, оказываются весьма ограниченными по величине и практически не представляют опасности в отношении пожара. Что касается опасности взрыва рудничного газа открытыми искрами, которые могут возникать в цепях токов утечки указанных сетей, то хотя вероятность проявления этой опасности в какой-то мере и существует, но она мала, и путем осуществления некоторых мероприятий (например, путем выполнения на участках непрерывной сети заземлений всего электрооборудования с помощью заземляющих кабелей) может быть практически полностью устранена.
В виде исключения в шахтах допускается заземление нейтрали лишь для специальных трансформаторов, питающих через преобразовательные устройства (выпрямители) контактные сети подземной электровозной откатки, поскольку в них в качестве обратного привода используется рельсовый путь, который изолировать от земли практически невозможно. Однако, поскольку подобная система обладает повышенной опасностью, область использования откатки контактными электровозами в шахтах ограничена. При этом также из соображений безопасности, запрещается присоединение к трансформаторам, питающим преобразовательные устройства контактных сетей, каких бы то ни было других электроустановок трехфазного переменного тока.
Защита людей от поражения электрическим током осуществляется с применением заземления, а в сетях до 1000 В — также и реле утечки тока с автоматическим отключением поврежденной сети. Общее время отключения поврежденной сети не должно превышать 0,2 с. Для сетей напряжением 127 и 220 В, а также зарядных сетей время срабатывания реле утечки устанавливается заводской инструкцией. В контактных сетях электровозной откатки, кроме того, должно производиться ограждение контактного провода в местах, особо опасных в отношении поражения людей (переходы через выработки, места посадки людей в вагонетки, погрузочно-разгрузочные пункты и т. п.).
Сущность защитного действия заземления состоит в том, что оно образует дополнительный и с очень малым сопротивлением путь для тока замыкания параллельно пути через тело человека. Чем меньше будет сопротивление заземления, тем меньшая часть тока замыкания будет протекать через тело человека. В случае неисправности заземлений их защитные свойства снижаются и при обрыве цепи заземления даже могут быть полностью потеряны. Кроме того, в подземных условиях существует также вероятность возникновения таких повреждений изоляцией электроустановок, при которых даже вполне исправное заземление не в состоянии предупредить опасность поражения электрическим током (например, при так называемых двойных замыканиях на землю).
В связи с этим Правилами безопасности наряду с заземлениями предусматривается также применение и специальной защиты от поражения электрическим током в виде реле утечки. Принцип действия всех реле утечки, применяемых в шахтах, примерно аналогичен и в основном состоит в следующем (рис.15.2).
Рисунок 15.2 – Принцип действия защиты от поражения электрическим током
В схеме реле утечки вырабатывается постоянный оперативный ток (обычно путем выпрямления переменного тока с помощью той или иной выпрямительной схемы), который накладывается на рабочий переменный ток сети. До тех пор, пока сопротивление изоляции проводников остается достаточно высоким, отсутствуют чрезмерные утечки и сеть не представляет опасности, величина протекающего через реле оперативного тока оказывается небольшой, недостаточной для срабатывания реле. При снижении сопротивления изоляции до некоторого предельного уровня, который уже не может быть допущен по условиям безопасности, оперативный ток возрастает до величины тока срабатывания реле, которое воздействует на расцепитель (отключающую катушку) общесетевого автоматического выключателя, вызывая отключение сети еще до возможного прикосновения человека к токоведущим частям.
Аналогичное срабатывание защиты и отключение сети осуществляются и при непосредственном прикосновении человека к токоведущим проводникам, которое воспринимается защитой как внезапное повреждение изоляции (появление утечки) между фазным проводником и землей. Полное время отключения сети при этом не должно превышать 0,2 с, чтобы даже повышенный ток, который может в данном случае протекать через тело человека, не успевал оказать опасного воздействия на организм.
[1] Принцип действия реле утечки описан ниже.