ОСОБЕННОСТИ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ЦЕНТРА ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ НАГРУЗОК СИСТЕМЫ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ ДЛЯ ГОРИЗОНТА ПОДЗЕМНОГО РУДНИКА

​FEATURES OF DETERMINING THE CENTER OF ELECTRICAL LOADS OF THE POWER SUPPLY SYSTEM FOR THE HORIZON OF AN UNDERGROUND MINE

Ilya Nozdrin

Student, Department of Energy, Technical University,

Russia, Verkhnyaya Pyshma

Andrey Gusakin

Senior lecturer at the Department of Energy, Technical University,

Russia, Verkhnyaya Pyshma

АННОТАЦИЯ

В современных условиях строительство промышленных предприятий стало редкостью. При этом энергетика сталкивается в первую очередь с задачей развития существующей электросистемы. Говоря о подземной разработке, которая осуществляется по горизонту возникает необходимость анализа и выбора оптимальной схемы для ее реализации с учетом разработки рудного тела, исходя из этого была разработана методология определения центра электрических нагрузок с целью снижения потерь электрической энергии по средствам расположения подстанции в центре мощностей электрических аппаратов. В статье рассматриваются подходы поиска и определения центра электрических нагрузок горизонта при разработке месторождений подземным способом. Проведен анализ оборудования, а также рассмотрены особенности эксплуатации и подхода определения ЦЭН при динамически меняющемся расположении оборудования, что позволяет наиболее оптимально разместить РП в центре электрических нагрузок.

ABSTRACT

In modern conditions, the construction of industrial enterprises has become a rarity. At the same time, the energy industry is primarily faced with the task of developing the existing electrical system. Speaking about underground mining, which is carried out along the horizon, there is a need to analyze and select the optimal scheme for its implementation, taking into account the development of the ore body, based on this, a methodology for determining the center of electrical loads was developed in order to reduce electrical energy losses by means of locating a substation in the center of electric apparatus capacities. The article discusses approaches to finding and determining the center of electrical loads of the horizon during the development of deposits by underground method. The analysis of the equipment is carried out, as well as the features of operation and the approach to determining the CEN with a dynamically changing location of the equipment, which allows the most optimal placement of the RP in the center of electrical loads.

Ключевые слова: центр электрических нагрузок, электрооборудование подземного рудника, эксплуатация оборудования шахты, динамическая нагрузка, пример расчета центра электрических нагрузок для горного предприятия, установка центра электрических нагрузок при динамическом изменении схемы электроснабжения, экономичная расстановка электрооборудования при разработке подземным способом, пример расположения центра электрических нагрузок на горном предприятии.

Keywords: Electric load center, electrical equipment of an underground mine, operation of mine equipment, dynamic load, saving electrical energy of a mining enterprise, an example of calculating the electric load center for a mining enterprise, optimal location of mine equipment, reduction of losses on the low-voltage side at a mining enterprise, installation of an electric load center with dynamic changes in the power supply scheme, economical arrangement of electrical equipment during underground mining in a way, an example of the location of an electrical load center in a mining enterprise.

Введение

Система электроснабжения промышленного предприятия включает в себя источники питания, такие как трансформаторы и генераторы, устройства приема и распределения электричества, силовые и осветительные линии, различные приемники, к примеру, оборудование, осветительные и электрические отопительные приборы и т.д. А, следовательно, должна решать следующие задачи: обеспечение бесперебойной работы всех производственных подразделений, обеспечение отключения только одного процесса при возникновении внештатной ситуации и не останавливать остальные процессы. гарантия безопасности для всех участников производственного процесса.

При формировании системы электроснабжения должны учитываться: нормативные требования надежности электроснабжения или возможные убытки от перерывов питания; технические ограничения (в первую очередь - качество электроэнергии), а также экологические ограничения (по выбросам отходов производства в окружающую среду, по напряженности электрических и магнитных полей, шумовым эффектам и др.).

В основе формирования и эксплуатации систем электроснабжения находятся электрические нагрузки отдельных потребителей электрической энергии, элементов электрических сетей и источников питания, которые определяются специальными расчетными методами при проектировании и экспериментально - в процессе эксплуатации. При этом необходимо знать как наибольшие, так и наименьшие возможные значения электрических нагрузок. На основе известных электрических нагрузок выбираются или проверяются параметры всего электрооборудования системы электроснабжения. Определяющую роль экономической обоснованности, проектируемой или эксплуатируемой системы электроснабжения имеет выбор целесообразных схем и номинальных напряжений питающих и распределительных сетей от источников питания до потребителей электрической энергии.

По завершении указанных проектных или эксплуатационных расчетов и принятия соответствующих технико-экономических и технических решений следует стадия расчетов режимов распределения активных и реактивных мощностей и рабочих напряжений потребителя. На стадии проектирования необходимы расчеты режимов при наибольших и наименьших нагрузках (в некоторых случаях и иных режимов), в эксплуатации обязательны измерения в периоды максимумов нагрузок.

Трансформаторные подстанции максимально, насколько позволяют производственные условия, приближают к центрам нагрузок. Это дает возможность построить экономичную и надежную систему электроснабжения, так как сокращается протяженность сетей вторичного напряжения, уменьшаются потери энергии и отклонение напряжения; уменьшается зона аварий и удешевляется строительство из-за того, что подстанции строят очередями по мере расширения предприятия.

В шахтном строительстве аналогично актуальна проблема внедрения ЦЭН, несмотря на то, что схема шахтного электроснабжения является динамичной и изменяется по мере выработки горизонта. В настоящее время особо актуальна проблема снижения потерь электрической энергии. Для решения данной проблемы предстоит разработка специального подхода, который позволил бы анализировать и описывать структуру распределения нагрузок и геометрию взаимного расположения приемников электроэнергии. При равномерно распределенной нагрузке рекомендуется применять метод, использующий положение теоретической механики и позволяющий определить центр электрической нагрузки предприятия (шахтного горизонта).

Особенности разработки месторождений подземным способом

В проектной документации при ожидаемом притоке воды свыше 10 м/ч должны предусматриваться меры по снижению водопритока.

При проходке устья ствола вокруг него должна быть оставлена берма шириной не менее 1 м, а обделка ствола возвышаться над уровнем спланированной поверхности не менее чем на 0,5 м. Устье ствола должно быть перекрыто прочной сплошной конструкцией и оборудовано открывающимися лядами.

При проходке стволов глубиной до 20 м с использованием в качестве средств подъема стреловых, козловых, башенных кранов и тельферных эстакад производство работ без перекрытия устья ствола должно выполняться при устройстве сплошного прочного ограждения высотой не менее 1,5 м по периметру ствола с дверью для прохода людей.

Углубляемая часть вертикального ствола шахты должна быть изолирована от рабочего горизонта в соответствии с проектом, полком или целиком, оставляемым под зумпфом ствола. Целик должен быть укреплен снизу надежной крепью со сплошной затяжкой.

Работы по проходке (в том числе специальными способами), креплению и армировке стволов шахт должны осуществляться в соответствии с проектной документацией и технологическими регламентами.

Техническая документация должна содержать требования по:

• устройству и оборудованию проходческих полков, а также по организации работы на них;
• мерам защиты от возможного падения сверху различных предметов и оборудования;
• порядку перемещения проходческого полка по стволу;
• порядку погрузочно-разгрузочных работ на полках и в забое, работе бадейного подъема;
• креплению, армировке ствола и допустимому отставанию временной и постоянной крепи от устья.

Запрещается производить работы по армированию стволов и перемещению подвесных полков без применения страховочных систем, а также использовать подвесные люльки в качестве подъемного сосуда.

При проходке и углублении стволов на случай аварии с подъемом должна предусматриваться подвесная лестница длиной, обеспечивающей размещение на ней одновременно всех рабочих наибольшей по численности смены.

Сфера деятельности шахтостроительного управления

Общество с ограниченной ответственностью «Шахтостроительное управление» занимается строительством подземных рудников, проходкой горизонтальных, вертикальных наклонных выработок различного сечения буровзрывным способом, а также строительством промышленных объектов для обеспечения проходческих работ. «ШСУ Учалы» является подрядной организаций создающей на Ново-Учалинском месторождении горизонтальные и вертикальные наклонные выработки. Данное предприятие не занимается добычей рудного тела, а лишь создает требуемые условия для разработки месторождения.

Проектирование систем электроснабжения подземного рудника.

Рисунок 1. Схема расположения электрооборудования г.930м

Для наиболее качественной работы систем электроснабжения стоит сделать акцент на соблюдение таких требований как:

• Обеспечение бесперебойной и стабильной электроэнергией потребителя
• Экономия материалов, требуемых для прокладки кабельных линий электроснабжения и наладки электрического оборудования
• Максимальное приближение источников высокого напряжения к потребителям

На сегодняшний день осуществляется разработка горизонта 930 метров, а, следовательно, актуален вопрос определения центра электрических нагрузок.

Первичным этапом построения эффективной системы электроснабжения горизонта подземного рудника является обследование сети электроснабжения, электрических аппаратов и эксплуатируемого оборудования.

В данном случае суммарная длина кабеля АВБШВ 4х95 (изображенного синим цветом в правой части схемы) составляет порядка 500 метров, данный показатель ведет к неизбежным потерям электрической энергии. Высоковольтная сторона (изображена на схеме зелеными линиями) представляет собой кабель АВБВ 3х50 питающий трансформаторы шахтного типа, приходящей частью является ячейка трансформаторной подстанции, которая является собственностью заказчика работ.

Оборудование, используемое организацией на горизонте 930м:

• КТПВШ-250 – оборудование, состоящее из силового трансформатора, распределительных устройств, защитных приборов и кабельных линий в исполнении шахтной модификации. Степень защиты оболочек IP 54, климатическое исполнение УХЛ5
• КТПВШ-400 – оборудование, состоящее из силового трансформатора, распределительных устройств, защитных приборов и кабельных линий в исполнении шахтной модификации. Степень защиты оболочек IP 54, климатическое исполнение УХЛ5
• ПР-250 – пускатель рудничного исполнения, предназначенный для работы в трехфазных цепях переменного тока, с изолированной нейтралью, служащий для запуска установок, оснащенных трехфазным электродвигателем. Степень защиты оболочек IP 65
• ПР-400 – пускатель рудничного исполнения, предназначенный для работы в трехфазных цепях переменного тока, с изолированной нейтралью, служащий для запуска установок, оснащенных трехфазным электродвигателем. Степень защиты оболочек IP 65
• ПР-63 – пускатель рудничного исполнения, предназначенный для работы в трехфазных цепях переменного тока, с изолированной нейтралью, служащий для запуска установок, оснащенных трехфазным электродвигателем. Степень защиты оболочек IP 54
• ВМЭ-6 – вентилятор местного проветривания шахтного исполнения, служащий для циркуляции струй воздуха в шахтных помещениях и выработках. Степень защиты оболочек IP 54
• ВМЭ-12 – вентилятор местного проветривания шахтного исполнения, служащий для циркуляции струй воздуха в шахтных помещениях и выработках. Степень защиты оболочек IP 54
• АОШ-4500 – аппарат осветительный шахтный, служит для питания ламп освещения в шахте. Степень защиты оболочек IP 54
• Установка бурильная шахтная AXERA D05-40 – гидравлическая установка бурильная шахтная Axera D05-40 предназначена для бурения горизонтальных и наклонных шпуров при проведении горных выработок с поперечным сечением 5–37 м², а также для бурения шпуров под анкера

Ввиду постоянной динамики схемы электроснабжения, мной предлагается рассмотреть несколько вариантов расположения шахтной буровой установки и определить место расположения ЦЭН для каждого случая.

На рисунке 2 изображён горизонт и возможные места расположения буровой установки, являющиеся динамической нагрузкой в силу ее перемещения по горизонту, её место расположение обозначено на схеме горизонта позициями Б.1, Б.2, Б.3, Б.4 и отмечено, соответственно, черным, зеленым, фиолетовым и синим цветами.

Ввиду теоретического расположения центра электрических нагрузок непосредственно в рудном теле необходимо разместить ЦЭН в уже выработанной нише, максимально близкой к теоретической точке. 

Определения центра электрических нагрузок горизонта 930м подземного рудника.

Ниже приведена расчетная часть, с учетом расположения установки.

При равномерно распределенной нагрузке рекомендуется применять метод, использующий положение теоретической механики и позволяющий определить центр электрической нагрузки предприятия (горизонта). Для этого нужно провести аналогию между массами и электрическими нагрузками, а координаты их центра определить по формулам:

где x_i, y_i — координаты центра электрической нагрузки i-го приемника электрической энергии.

Можно принять, что нагрузка равномерно распределена по площади электрического аппарата и, следовательно, центр электрической нагрузки i-го приемника электрической энергии совпадает с центром тяжести фигуры, изображающей приемник электрической энергии на схеме горизонта промышленного предприятия.

Выбор места расположения ЦЭН проводят в следующем порядке. На схему горизонта промышленного предприятия наносится картограмма нагрузок, которая представляет собой размещенные на генеральном плане окружности, причем площади, ограниченные этими окружностями, в выбранном масштабе равны расчетным нагрузкам приемников электрической энергии. Для каждого приемника электрической энергии наносится своя окружность, центр которой совпадает с центром нагрузок приемника электрической энергии.

Площадь круга в определенном масштабе равна расчетной нагрузке соответствующего электрического аппарата:

Из этого выражения радиус окружности:

где  — это расчетная нагрузка i-го аппарата, m — это масштаб для определения площади круга (постоянный для всех аппаратов)

Для определения места ЦЭН находится центр электрических нагрузок отдельно для активной и реактивной нагрузок, так как питание активных и реактивных нагрузок производится от разных установок (генераторы и компенсирующие устройства).

На генплан горизонта подземного рудника произвольно наносятся оси координат и по формуле определяется центр электрических нагрузок. В этом случае, если центр электрических нагрузок попадает в расположение какого-либо приемника электрической энергии, ЦЭН размещают вблизи данного аппарата со смещением в сторону источника питания.

Таблица 1.

Ведомость электрических нагрузок по генеральному плану горизонта подземного рудника

В качестве примера приведены расчеты для двух вентиляторов ВМ-12 суммарная мощность которых 220 кВт. Расчеты для остальных электрических аппаратов выполнены по аналогии с приведенным примером. Осветительная мощность Р_ро = 0 и угол освещения α = 0, из-за того, что вся осветительная нагрузка расположена на АОШ-4500.

Для начала стоит определить суммарную мощность двух ВМ-12, она составляет 220 кВт.

Следующим этапом является определение координат расположения центра вентиляторов с помощью плана горизонта, они составляют х = 553,12 метров и у = 1163,71 метров.

Далее нужно определить масштаб, он находится по формуле (расчет масштаба произведен для аппарата с наименьшей мощностью и выбранным радиусом 7мм):

После нахождения масштаба, который является одинаковым для каждого из аппаратов, нужно найти радиус окружности для ВМ-12, который рассчитывается по формуле:

Все расчеты были проведены по аналогии с данным примером, результаты внесены в таблицу 2.

Следующим действием является нахождение координат точек ЦЭН, расчеты выполнены в соответствии с представленными ниже формулами и внесены в таблицу 3.

Завершающим этапом является расчет общего центра электрических нагрузок с учетом нахождения ЦЭН для каждого расположения буровой установки AXERA D05-40. Для этого нужно найти среднее арифметическое координат ЦЭН для каждого месторасположения.

 Таблица 2.

Составление плана горизонта с потребителями и сводная таблица параметров

Таблица 3.

Координаты точек ЦЭН с учетом рабочей позиции буровой установки

Рисунок 2. Схема расположения электрооборудования с нанесением ЦЭН г.930м

Расчет итогового центра электрических нагрузок с учетом динамического перемещения буровой установки AXERA D05-40, а также с учетом координат ЦЭН 1, ЦЭН 2, ЦЭН 3, ЦЭН 4.

ЦЭН 1 – при расположение буровой установке в точке Б.1.

ЦЭН 2 – при расположение буровой установке в точке Б.2.

ЦЭН 3 – при расположение буровой установке в точке Б.3.

ЦЭН 4 – при расположение буровой установке в точке Б.4.

ЦЭН – итоговый центр электрических нагрузок.

Рисунок 3. Схема расположения электрооборудования г.930м

Ввиду нецелесообразности размещения ЦЭН в точке, получившейся из расчетов, предлагается переместить его в уже выработанную нишу и расположить в координатах x=553,12 метров, y= 1163,71 метров.

Заключение.

Особенности определения ЦЭН при динамически изменяющемся расположении приемников электрической энергии – заключается в первую очередь определении перспективы развития предприятия (разработки месторождения) и учете всех возможных точек расположения приемников.

В данном случае были рассмотрены все возможные точки подключения электроприемников (ПР) и определено несколько ЦЭН, далее определен общий (итоговый) ЦЭН. Но ввиду нецелесообразности производить выработку для размещения подстанции в расчетном центре электрических нагрузок, а также ввиду больших затрат человеческих и экономических ресурсов, требуемых на разработку камеры расположения РУПП, предложено сдвинуть точку ЦЭН в нишу, в которой расположены ВМ-12 и имеющую координаты x=553,12 метров, y= 1163,71 метров, что позволит значительно сократить затраты на геолого-разведывательные работы и сэкономить материальные ресурсы предприятия.

Список литературы:

1. История предприятия ООО «ШСУ» https://шсу.рф/
2. Правила устройства электроустановок. Издание шестое. – М.: Энергоатомиздат, 1999. – 648с.
3. Фёдоров А.А., Каменева В.В. Основы электроснабжения промышленных предприятий. – М.: Энергоатомиздат, 1984. – 472с.
4. Волобринский С.Д. Электрические нагрузки и балансы промышленных предприятий. – М.: Энергия, 1976. – 264 с.
5. Руководящий технический материал. Указания по расчёту электрических нагрузок. РТМ 36.18.32.4.-92. – М.: ВНИПИ Тяжпромэлектропроект,, 1992. –26 с.
6. Справочник по электроснабжению и электрооборудованию/ Под общ. ред. А.А. Федорова. В 2 томах. – М.: Энергоатомиздат, 1986.
7. Справочник по проектированию электроснабжения промышленных предприятий/ Под ред. Ю.Г. Барыбина и др. – М.: Энергоатомиздат, 1990. –576с.
8. ГОСТ 2.701-84. Схемы, виды и типы. Общие требования к выполнению. – М.: Госкомитет по стандартам, 1985.
9. Неклепаев Б.Н., Крючков И.П. Электрическая часть станций и подстанций. – М.: Энергоатомиздат, 1989.