Problemy niezawodności oraz bezpieczeństwa elektryfikacji i automatyzacji podziemi kopalń węgla

(1)

0RNICTW 0z51

FLORIAN KRASUCKI

PROBLEMY NIEZAWODNOŚCI ORAZ BEZPIECZEŃSTWA ELEKTRYFIKACJI I AUTOMATYZACJI

PODZIEMI KOPALŃ WĘGLA

P O L I T E C H N I K A S L Ą S K A

ZESZYT NAUKOW Y Nr 328 - GLIWICE 1972

(2)

POLITECHNIKA ŚLĄSKA

ZESZYTY NA UK O W E Nr 328

FLORIAN KRASUCKI

PROBLEMY NIEZAWODNOŚCI ORAZ BEZPIECZEŃSTWA ELEKTRYFIKACJI I

PODZIEMI KOPALŃ WĘGLA

PRACA HABILITACYJNA Nr 112

G L I W I C E 1 9 7 2

02165149

(3)

REDAKTOR N A C Z E LN Y ZESZYTÓW N A U K O W YC H P O L IT E C H N IK I ŚLĄSKIEJ

I w o P o lio

R E D A K T O R D Z I A Ł U

J e r z y N a w r o c k i

S E K R E T A R Z R E D A K C J I

W it o ld G u ż k o w s k i

5 zła ł W y d a w n ic t w P o lite c h n ik i Ś lą sk iej G liw ic e , ul. K u ja w s k a 2

N a k ł . 50+170 A r k . w y d . 3,5 A r k . d r u k . 3,75 P a p i e r o f f s e t o w y k ł. I I I , 70x100, 80 g O d d a n o d o d r u k u 2. 2. 1972 P o d p i s , d o d r u k u 10. 4. 1972 D r u k u k o ń . w k w i e t n i u 1972

Z a m . 171 2. 2. 1971 R -23 C e n a z ł 5,—

Skład, fo to k o p ie , druk i o p ra w ę

(4)

Wstęp ...

1. Techniczne warunki środowiskowe ... ...

1.1 . Czynniki środowiskowe ... ... ...

1.2 . Narażenia i zagrożen ia ...

1 .3 . Kordynacja wymagań ...

2. Prawdopodobieństwo uszkodzeń i zagrożeń ...

2 .1 . Podstawy t e o r i i uszkodzeń ... ... . 2 .2 . Skutki u szk od zeń ... .'... 1 3. K r y te ria b ezp ie czn ej e l e k t r y f i k a c j i i au tom atyzacji podziemi ko

palń ...

3 .1 . Is t o t a problemu ... ... ...

3 .2 . Rażenia e lek try czn e ... ...

3 .3 . Zapłony e lek try czn e ...

4. Doziem ienie w s i e c i kopalnian ej ...

4 .1 . N a p ięcia , prąd i moc zwarcia doziemnego ...

4 .2 . Stan i z o l a c j i s i e c i . ... ... ... ...

4 .3 . Uziem ienia ochronne ...

4 .4 . Wpływ stanu n ieu stalon ego ...

5. Własności k a b li i przewodów górn iczych ... ...

5 .1 . Wpływ te m p e ra tu ry ... ...

5 .2 . Wpływ w ilg o c i ... ... ...

5.3 . Wpływ rodzaju budowy ... ... ...

5 .4 . Wpływ rozkładu pola w z a k o ń c z e n ia c h ... . 5 .5 . Wpływ geometrycznego układu ż y ł ...

6. Zakończenie ...

L i t e r a t u r a ... . ... ...

S tre s z c z e n ie ... %...

SPIS 'TREŚCI

S tr . 5 6 6 8 10

11 11 14

16 16 18 22 26 26 28 31 33 36 36 41 42 47 52 55 56 58

(5)

'

"

...

.

■

.

■

•

.

■

. ■

.

'

V

•

(6)

Wstęp

Bogate zasoby węgla w P o lsce oraz względny brak innych pailw p red y s ty - nuje w ę g ie l na d łu g ie je s z c z e la t a do r o l i podstawowego źró d ła e n e r g ii w k ra ju . Wynikiem je s t planowany d a lszy rozwój p o lsk ieg o p rze m y tu węglowe

go i jego p ro d u k c ji.

Dla uzyskania o p ła c a ln e j prod u k cji g ó rn ic z e j węgla konieczne j e s t aby

[

³⁶

]:

- stosować rozw iązan ia techniczne i tech n ologiczn e odpowiednie dla wzra

sta ją cych tru d n ości, wynikających z pogarszających s ię warunków n atu ra ]»

nych eksploatowanych z łó ż ,

- stosować je tak, aby n ie zm n iejszając ich skuteczności uzyskiwać mimo to możliwość ogra n iczen ia wzrostu kosztów p ro d u k c ji.

S p ełn ien ie tych wymagań na obecnym e ta p ie rozwoju technicznego związane je s t ś c iś le z e le k t r y fik a c ją i autom atyzacją kopalń.

Ze stosowaniem e n e r g ii e le k tr y c z n e j, s z c z e g ó ln ie w kopalniach gazowych związane je s t jednak zw iększen ie za grożen ia dla samej k o p a ln i, j e j z a ło g i oraz ruchu g ó rn ic z e g o . Pojaw ia s ię przede wszystkim niebezpieczeństw o po

rażeń elek tryczn ych , n astępu je w zrost prądów błądzących oraz zwiększa s ię w dużym stopniu prawdopodobieństwo ipożarów kopalnianych i wybuchów. W o- gólnym przypadku za gro żen ie powodowane e le k t r y fik a c ją z a le ż y od w ielu czyn*

ników obiektywnych, tak ich ja k : ro d za j pomieszczeń, warunki ge o lo g ic z n e oraz czynników subiektywnych,: systemy e k s p lo a ta c ji g ó r n ic z e j, systemy me

ch a n iz a c ji i ro d za j maszyn górn iczych , jak również czynnik bezpośrednio lu d zk i [20] .

Możliwość powstania poszczególnych rodzajów zagrożeń z a le ż y każdorazo

wo od z a is t n ie n ia jedn ocześn ie przyczyny i sp rzyja ją cych warunków o to cze

n ia , zależnych głów nie od ro d za ju pom ieszczenia i warunków klim atycznych^

D latego te ż w kopalniach gazowych muszą być spełnione przede wszystkim ja*

ko podstawowe wymagania: w z a k res ie zapewnienia n a le ży tego p rze w ie trza n ia elek tryfik ow an ych pomieszczeń oraz s t a ł e j k o n t r o li stopnia ic h zagazowa

n ia . W przypadku stosowania k o n t r o li samoczynnej (metanomierze) wynikiem s tw ierd zen ia zagrożen ia gazowego powinno być automatyczne w yłączen ie na

p ię c ia z a s ila n ia urządzeń.

Drugim podstawowym wymaganiem powinno być zapewnienie w ysokiej ja k o ści dostarczanych środków e l e k t r y f i k a c j i i a u tom atyzacji, dostosowanych do sp®*v- cy ficzn y ch warunków środowiskowych podziemi kopalń. Jednocześnie k on iecz

ne je s t zapewnienie w ła ściw ej o b słu gi i konserw acji eksploatowanych urzą

dzeń.

(7)

Zagadnienia te wymagają kompleksowego omówienia, jako podstawowe dla d alszego rozwoju e l e k t r y f ik a c ji kopalń, n ie z a le ż n ie od zakresu wprowadza

n ia e n e r g ii e le k tr y c z n e j oraz kierunków i nowych ten d en cji w budowie u- rządzeń i zabezpieczeń .

Aktualność i potrzeba p o d ję te j pracy, wynika również ze s t a łe j tenden

c j i rozbudowy dołowej s i e c i e le k tr o e n e r g e ty c z n e j, dostosowywania j e j do wzrostu mocy in stalow an ej oraz kon ieczn ości zagwarantowania dużej pewnoś

c i ruchu p rzy k o n c en tra c ji wydobycia i au tom atyzacji procesów technolo

giczn ych .

W oparciu o lit e r a t u r ę źródłową, a przede wszystkim o w cześn iejsze pu~

blikowane i niepublikowane własne prace a n a lity c z n e , dokonano usystematy

zowania p o ję ć oraz ustalono i przeanalizowano główne czyn n iki o k reś la ją ce techniczne warunki środowiskowe podziemi kopalń, z punktu w idzenia ich wpływu na bezpieczeństwo e k s p lo a ta c ji i niezawodność pracy urządzeń.

Analizowano przyczyny i skutki uszkodzeń elementów i ich wpływ na d z ia ła ln o ść układu, oraz ustalono podstawowe k r y t e r ia bezp ieczn ej e le k t r y fi

k a c ji i au tom atyzacji podziemi kopalń - uzasadniając wagę i konieczność kompleksowego ich traktow ania. Wytyczono kieru nki prac oraz podano propo

z y c je zm ierzające do zw iększenia stopnia niezawodności i bezpieczeństwaj na p rzy k ła d zie budowy i stosowania k a b li i przewodów oponowych górniczych oraz zabezpieczeń i środków ochron dodatkowych.

Wywody teo retyczn e i a n a lity c zn e dokumentowano wyr*:, ami przede wszy

stkim w ie lo le tn ic h własnych badań i doświadczeń publikowanymi i n ie p u b li

kowanymi, uzyskanymi głównie w Zakładzie Badań E lektrycznych ZKMPW.Wyniki i w nioski konfrontowano z przyczynkowymi danymi z l it e r a t u r y oraz in f o r macjami uzyskanymi podczas osob istych k o n s u lta c ji autora w s p e c ja lis t y c z nych in stytu ta ch naukowo-badawczych w: ZSRR, Francji,WR1 i CSRS.

Ze względów technicznych w opracowniu n in iejszym pominięto w iększość a n a liz i wyników badań oraz wniosków i zaleceń zawartych w pracy obejmu

j ą c e j ; 210 stron tek stu , 28 ta b e l i 73 rysunków. Praca w c a ło ś c i je s t do

stępna w B ib lio t e c e In stytu tu E le k t r y fik a c ji i Autom atyzacji Górnictwa Po

lit e c h n ik i Ś lą s k ie j w G liw icach .

1. Techniczne warunki środowiskowe podziemi kopalń

1 .1 . Czynniki środowiskowe

Czynniki środowiskowe mogą wywierać na urządzenia pewne określone od

dzia ływ a n ia, dodatnie lub ujemne, z a le ż n ie od stopnia w ra żliw o ści materia łów, elementów czy podzespołów tworzących te urządzen ia. Ujemnie d z ia ła ją * ce czyn n iki nazywamy natażeniam i środowiskowymi. Natomiast same urządze

n ia mogą z k o le i wywierać określone oddziaływania na środow isko, przez swo»

ją obecność lub funkcjonowanie. J e ż e li środowisko je s t w rażliw e na te od

dzia ływ a n ia, to mogą one stanowić określone zagrożen ia d la środowiska.

(8)

Środowisko g ó rn icze w znaczeniu technicznym je s t środowiskiem specy

ficznym , o dużym n a s ile n iu różnorakich narażeń i zagrożeń .D latego też wy

maga ono specjaln ego potraktow ania p rze z konstruktorów, wytwórców i użyt

kowników środków e l e k t r y f i k a c j i i au tom atyzacji podziemi kopalń. W szcze

gó ln o ś c i do tyczy to środowiskowych warunków pracy k a b li i przewodów górni

czych o ra z, in t e g r a ln ie z nimi związanych, osprzętu sieciow ego i zabezpie

czeń.

Dla a n a liz y i oceny wpływu warunków środowiskowych na bezpieczeństwo i niezawodność e l e k t r y f i k a c j i i au tom atyzacji podziemi kopalń konieczna, je s t szczegółow a charakterystyka zagrożeń i narażeń środowiska g ó rn iesego oparta na ustalonych p o ję c ia c h podstawowych.

S pecyfika warunków środowiskowych w podziemiach kopalń wynika tak z dn»

ż e j intensyw ności i kumulowania s ię narażeń i zagrożeń ja k i z te g o , te w głównej m ierze je s t to środowisko wytworzone p rzez czyn n iki te c h n ic z n o -o r

ga n iza c yjn e, c z y l i będące pośrednio efektem d z ia ła ln o ś c i lu d z k ie j.D la te g o również z tych względów ś c is łe ro z g ra n ic z e n ie poszczególnych rodzajów na

rażeń j e s t bardzo utrudnione. Słownie dotyczy to ro zg ra n iczen ia narażeń antropogennych, będących wynikiem obecności i b ezpośredn iej d z ia ła ln o ś c i człow iek a , od p o z o sta ły ch . N a leży p r z y ją ć , że człow iek j e s t głównym czyn

nikiem środowiskowym k ształtu jącym środowisko oraz środ k i ochrony środo

w iskow ej, tak aby zapewniona b yła odpowiednia odporność urządzeń i b ezp ie * czeństwo środowiska. J e s t to m ikroklim at tech niczn y, a w w ie lu przypad

kach mamy do c zy n ien ia rów nież z technokryptoklim atea, tz n . z mikroklima

tem wewnątrz zamkniętych urządzeń lub pomieszczeń, wytworzonymi środkami technicznym i.

Mając na uwadze wymienione trudności n iek ied y środowisko górn icze mo

żemy o k reślać w sposób uproszczony p rzy pomocy umownych warunków klima

tycznych, charakteryzujących w ła ściw o ści atm osfery m iejsca p racy urządze

n ia , oraz warunków o rgan izacyjn o-tech n iczn ych wynikających z ro d za ju orga- n i z a c j i i procesu produkcyjnego kopalni oraz rozwiązań i w ła śc iw o śc i urzą dzeń £24] .

Badania- i a n a liz y poszczególnych czynników środowiskowych wy rwane b y ły dotychczas głów nie w celu o k reś len ia ich wpływu i d la u s ta le n ia wy

magań w za k res ie bezpieczeństw a z a ło g i i kopalni i 8,1 0, 11, 38, 3 9 ]»Znane są również p u b lik a c je wyników badań przeprowadzanych sporadycznie d la po

trzeb technicznych, le c z obejmują one ty lk o wyodrębnione cechy bądź na

ra żen ia ^5, 12, 40, 46J. I s t n i e j e p rze to uzasadniona potrzeba opracowania usystematyzowanej o g ó ln ej ch a ra k tery styk i czynników środowiskowych p o l

skich kopalń oraz ic h k o r e la c ji z urządzeniami technicznym i.

Z punktu w idzen ia m ożliw ości (prawdopodobieństwa) wywoływania o k reślo  nych narażeń środowiskowych d la urządzeń elek tryczn ych instalowanych w podziemiach kopalń, jak rów nież z uwagi na u czu lenia środowiska na zagro

żen ia od tych urządzeń, n a le ży uwzględnić przede wszystkim czyn n iki lu b ic h z e s p o ły ch a ra k teryzu ją ce: p o w ietrze kopalniane, jeg o skład i tempera

(9)

tu rę , w ilgotn ość 1 z a p y le n ie , zawartość gazów wybuchowych i agresywnych oraz wody kopalniane, zawartość s o l i i innych su b sta n cji mineralnych, ro s ie n ie , występowanie i rozwój mikroorganizmów. Jednocześnie konieczne je s t zwrócenie w ięk szej uwagi również na inne zjaw iska charakteryzujące tech n iczne warunki środowiskowe kopalń, ro d za j i n a s ile n ie , których w znacznej m ierze są wynikiem rodzaju o r g a n iz a c ji, te c h n o lo g ii i tech n ik i wydobycia, s p e c y fik i budowy g e o lo g ic z n e j oraz zdarzeń losowych.

Można by wyodrębnić je s z c z e inne zesp o ły czynników środowiskowych po

dobnie z re s z tą jak już uprzednio wymienione wzajemnie od nich i s ie b ie u zależn ion e, d o p ełn ia ją ce s ię , bądź wynikające jedną z drugich . Czynniki te mogą mieć bezpośredni bądź pośredni wpływ na powstawanie odpowiednich rodzajów narażeń lub zagrożeń . Są to głów nie następujące zesp o ły czynni

ków:

- ruchy górotworu; tąpania i zawały, - w yrzuty gazów i sk a ł,

- wybuchowość gazów i pyłów, p&lność m ateriałów oraz intensywność i spo

sób p rze w ie trz a n ia ,

- n ach ylen ie, grubość i głębokość za lega n ia pokładów,

- system i zakres rob ót gó rn iczych ; sto p ień m ech an izacji, ro d za j i jakość maszyn górn iczych oraz sposób ich e k s p lo a ta c ji,

- brak ś w ia tła słonecznego i n atu raln ej w e n ty la c ji oraz n ied ostateczn e o- ś w ie t le n ie ,

- zw arcia, p r z e p ię c ia i prądy błądzące,

- jakość k o n s tru k cji, m ateriałów i wykonania urządzeń elektryczn ych ,u kład s i e c i i ro d za j zabezpieczeń oraz ku ltu ra techniczna ich e k s p lo a t a c ji.

1 .2 . Narażenia i zagrożen ia

Narażenia i zagrożen ia ch arakteryzuje s ię jakościowo i ocenia i l o ś c i o wo. Ocenę przeprowadza s ię według stopnia i rozmiarów n a s ile n ia oraz cza

sokresu i prawdopodobieństwa występowania czynników środowiskowych.Należy uw zględnić, że poszczególn e narażenia i zagrożen ia występują s t a le , inne zaś p rze jścio w o , dłu gotrw ałe lub k rótk o trw a le. Narażenia lub zagrożen ia p rze jścio w e mogą występować:

- system atycznie, t j . nieuchronnie i okresowo,

- doraźnie (wypadkowo), t j . w warunkach a w a rii lub zbiegu takich o k o lic z n o ś c i, któremu u s iłu je s ię p rze c iw d z ia ła ć ,

- losow o, t j . p o ja w ia ją ce s ię ty lk o p rzy określonych pagrpadkowych'zbiegach o k o lic z n o ś c i, którym z re g u ły n ie można zapob iec.

N ależy mieć na uwadze in te gra ln o ś ć narażeń i zagrożeń w podziemiach ko^

p a lń : skutki narażeń są przyczyną zagrożeń, te zaś stw a rza ją dodatkowo na^

ra żen ia doraźne.

Szczególnym przypadkiem je s t czło w iek , k tó ry pracując w nieodpowied

nich warunkach środowiskowych n ie ty lk o sam s t a je s ię wrażliwym na zagroź

(10)

żen ią i ulega wypadkom, le c z stanowi dodatkowe narażenie d la urządzeń.Tak w ięc p rze p is y lim itu ją c e skład atm osfery kopalnian ej i j e j za n ieczyszczeń z uwagi na pracę lu d z i w sposób pośredni wpływają również na pracę urzą

dzeń elek tryczn ych . I tak na przykład zawartość tlen u i dwutlenku węgla w pow ietrzu mają bardzo is t o tn y wpływ na wartość prądu ra żen ia powodującego określoną re a k c ję organizmu żywego.

Duża w ilgo tn o ść względna i podwyższona temperatura mają zasadniczy wpływ na wartość oporu wypadkowego c ia ła człow ieka i opór p r z e jś c ia . Pod

wyższona temperatura ma wpływ na pocenie s ię i za s o le n ie m iejsca dotyku, jak i na zm n iejszen ie s ię oporności wewnętrznej c ia ła lu dzkiego.Z w iększe

n ie stopnia u czu lenia człow ieka na zagro żen ie od urządzeń elek tryczn ych powodują dodatkowe również następujące czy n n ik i: obecność wody za solo n ej i zakwaszonej, 3 ta ły dotyk o dużym nacisku i dużej pow ierzchni urządzeń, na których może pojaw ić s ię n a p ię c ie zabłąkane, duże prawdopodobieństwo n- szkodzeń mechanicznych naskórka, możliwość dotyku częściam i c ia ła o dużej c z u ło ś c i prądowej i małej oporności (skroń , s z y ja , przedram ię,ram iona,ple

cy) na skutek pracy bez o d z ie ż y , słabe o ś w ia tle n ie p rzy dużej jaskrawości, hałas pracujących maszyn i in ne. Agresywne gazy i za n ie c zy s z c z e n ia ,w ilg o ć i p y ł kopalniany oddziaływ ują d es tru k cyjn ie na c z ę ś c i przewodzące, i z o l a cyjne i konstrukcyjne urządzeń i elementów automatyki zw iększając ich za

wodność.

Narażenia mechaniczne w ystępujące w podziemiach kopalń n a le ża ło b y po

d z i e l i ć n astępu jąco:

- w strząsy i udary podczas transportu do oddziałów produkcyjnych i p rze

m ieszczaniu w ślad za postępem robót górn iczych ,

- w strząsy i w ib ra cje w c z a s ie pracy urządzeń lub ic h elementów zabudowa

nych w kadłubach maszyn górn iczych , bądź innych urządzeń zespołowych, - udary spowodowane wyrzutami oraz spadającymi odłamkami węgla lub s k a ł, - statyczn e naprężenia ciągnące i ścis k a ją c e w ynikające ze strom ości wy

ro b isk i ruchów górotworu,

- naprężenia dynamiczne spowodowane wyrzutami metanu oraz pyłu wę# »e g o , - p o zo sta łe narażenia spowodowane innymi urządzeniami technicznymi (np„

maszynami roboczym i) i d z ia ła ln o ś c ią produkcyjną człow ieka (n p. robota

mi s trz a ło w y m i).

Niebezpieczeństw o skutków prawdopodobnych zagrożeń d la lu d z i 1 otocze

n ia oraz innych urządzeń teehnicznych, ..zależy od n a s ile n ia zagrożeń i stop

n ia w ra żliw o ś c i środowiska. Do podstawowych czynników sp rzy ja jąc y ch uczu

le n iu środowiska górn iczego i n a s ile n iu skutków zagrożeń, n a le ży z a lic z y ć przede wszystkim:

- obecność metanu i pyłu węglowego, oraz w ęgla, drewna i innych m ateria

łów łatwopalnych,

- obecność zm in era lizow a n ej, dobrze przewodzącej wody,powszechność i duża ilo ś ć mas metalojtych, oraz duża w ilgo tn o ść i podwyższona temperatura po

w ie tr z a ,

(11)

- brak ś w ia tła słonecznego i ograniczone możl wości o ś w ie tle n ia sztuczne

go, n iedostateczn a w en ty la cja , praca bez o d z ie ż y , ogólna dostępność u- rządzeń oraz stosowanie s tr z e la n ia elek tryczn ego ,

- koncentracja wydobycia i kompleksowa auotm atyzacja.

Wpływ wymienionych czynników może być ró żn o ra k i. W zasadzie w szystkie z nich w odpowiednim stopniu p r zy c z y n ia ją s ię do powiększenia! ujemnych skutków możliwych zagrożeń elek tryczn ych , które jakościowo mogą p r z e ja wiać s ię n astępu jąco:

- ra żen ie prądem elektrycznym , bezpośrednio lub pośrednio,

- pożar zapoczątkowany zapłonem wywołanym skutkami cieplnym i przepływu prądu lub łukiem elektrycznym ,

- wybuch zainicjow any łukiem, is k r ą lub cieplnym i skutkami przepływu prą

du e lek try czn eg o ,

- przedwczesne o d e jś c ie zapalników elek tryczn ych wywołane prądami błądzą

cymi lub napięciam i indukowanymi,

- k o ro zją e le k tr o lit y c z n a powodowana pąrdami błądzącymi,

- zakłócenia w pracy innych urządzeń, s z c z e g ó ln ie łą c z n o ś c i, s y g n a liz a c ji i sterow ania, wywołane polami elektrycznym i i magnetycznymi.

1 .3 . Koordynacja wymagań

Koordynacja środowiskowa p olega na odpowiednim wzajemny®“ przystosowa

niu urządzeń i czynników środowiskowych d la uzyskania b ezp ie czn ej i wy

dajn ej pracy. Urządzenia e lek try czn e i poszczególne ich sk ład n ik i powinny być d o sta teczn ie odporne "na ujemne wpływy i d z ia ła n ia jakim w danym środo

wisku p o d leg a ją , a jednocześnie powinno być ograniczone do minimum prawdom podobieństwo wznoszenia w to środowisko n iebezpieczeństw a lub dodatko

wych niepożądanych wpływów.

W warunkach podziemi kopalń nieodzowne je s t w sp ó łd zia ła n ie w zakresie przystosowania środowiska (koordynacja b iern a ) i urządzeń elektryczn ych (koordynacja czynna). Pierwszeństwo n a le ży przyznać koordyn acji b ie r n e j, tzn . odpowiedniemu ukształtowaniu warunków środowiskowych środkami tech

n iczn o-organ izacyjn ym i. W kopalniach gazowych .jędzie to d o tyczyło przede wszystkim stanu p rze w ie trza n ia i odmetanowania oraz k o n tr o li ich ja k o ś c i.

Jednak n ie mniej ważna je s t również koordynacja czynna polegająca na odpowiednim u sta len iu wymagań w z a k re s ie : k o n s tru k c ji, m ateriałów , wyko

nania, montażu, użytkowania, konserw acji i k o n tr o li urządzeń oraz ich za

b ezpieczeń . Wymagania te o k reśla s ię na podstawie jakościow ej i i l o ś c i o wej oceny narażeń i zagrożeń, przy pomocy parametrów liczbow ych, bądź te ż u sta la s ię na podstawie badań symulowanych. Dla celów badawczych, w opar

ciu o charakterystykę rzeczyw istych warunków środowiskowych, u sta la s ię warunki umowne o podobnym charakterze narażeń i uczuleń na za grożen ia.

(12)

Z szeregu w ła ściw o ści jakim i powinny charakteryzować s ię g ó rn icze kab

l e i przewody oponowe ^36, 37jj, aby sprostać warunkom występującym w eks

p lo a t a c ji podziemnej n a le ży wymienić przede wszystkim n astępu jące:

- konstrukcja u m ożliw iająca zastosowanie pewnych w d z ia ła n iu ochron zapo

biegającym porażeniom, pożarom lub zapłonom mieszanki wybuchowej w przjfc padku uszkodzeń wewnętrznych i zewnętrznych powstałych w dowolnym m ie j

scu kabla przewodu,

- odpowiednia wytrzymałość na d z ia ła n ie s i ł mechanicznych cią g n ą cy c h ,ś ci

skających, skręcających , ro z d z ie ra ją c y c h i udarowych,

- niepalnoŁĆ lub przynajm niej niepodtrzymywanie i n iep rzen oszen ie ogn ia, - niezmienność podstawowych w łasn ości elek tryczn ych p rzy w ystęp u jącej w i>

g o c i, -podwyższonej temperaturze i jo n iz a c ji p o w ietrza ,

- odporność na destru kcyjne d z ia ła n ie zm ineralizow anej wody, atm osfery ko

ro z y jn e j i mikroorganizmów, oraz prądów błądzących,

- mały c ię ż a r jednostkowy,glę-tikl6ść i gładkość pow ierzchni zew n ętrzn ej.

Jednocześnie budowa k a b li i przewodów powinna niedopuszczać do powstawa

n ia międzyfazowych zwarć wewnętrznych oraz ogran iczać wpływ p ó l e le k tr o magnetycznych na obwody s y g n a liz a c ji, k o n t r o li i sterow ania.

2. PRAWDOPODOBIEŃSTWO USZKODZEŃ I ZAGROŻEŃ

2 .1 . Podstawy t e o r i i uszkodzeń

Właściwy wybór środków e l e k t r y f i k a c j i i autom atyzacji podziemi kopalń, dostosowanych do rzeczy w istych warunków środowiskowych i zadań ja k ie ma

ją s p e łn ia ć , decydują o bezp ieczeń stw ie i pewności ruchu.Najw ażniejsze są k r y t e r ia bezpieczeństw a. Na obecnym e ta p ie rozwoju te c h n o lo g ii g ó rn ic z e j słu szn ie zaczyna s ię zwracać coraz w iększą uwagę rów nież na koszta ruchu.

W kosztach ruchu, stanowiących jedną z fu n k c ji kryterium wyboru,występuje oprócz kosztów inw estycyjnych i eksploatacyjnych składnik spodziewanych dodatkowych kosztów uszkodzenia, równych ilo czyn o w i powstających kosztów wymiany urządzeń i s t r a t w produ kcji na skutek p ostoju i prawdopodobień

stwa ich powstania. Konieczna ^ e s t więc znajomość prawdopodobieństwa wy

stą p ie n ia uszkodzeń.

Użytkowanie urządzeń n a le ża ło b y traktować jako proces ich wymiany (od

n o w ien ia ). Powinno s ię p r z y ją ć , że w ruchu górniczym ek sp loa ta cja urzą

dzeń może być prowadzona do planowej wymiany okresow ej, je s z c z e przed wy

stąpieniem uszkodzeń, J est to warunek wynikający z kryterió w bezpieczeń stwa. P r o fila k ty k a taka je s t możliwa, gdy znane są charakter narażeń i prawdopodobieństwo występowania uszkodzeń oraz związane z nimi prawdopo

dobieństwo n ie s z c z ę ś liw y c h wypadków i s t r a t m aterialn ych.

Z tych względów op tym a liza cja wyboru środków e le k t r y f ik a c ji i automa

t y z a c ji wymaga przeprowadzenia w ielu obserw acji i badań eksperymentalnych niezbędnych d la u s ta le n ia k ry te rió w .

(13)

Zgodnie z t e o r ią niezawodonścl d z ia ła n ia urządzeń technicznych, uszko

dzen ia, podobnie jak inne p o ję c ia pochodne, można traktować jako zmienne losowe o pewnym ro z k ła d z ie prawdopodocieństwa £9 , 15, 35, 3?J. N ieszczę - śliw ę wypadki w g ó rn ictw ie - np. porażen ia, wybuchy i zapłony oraz przed

wczesne o d e jś c ia zapalników elek tryczn ych - to również złożone zdarzenia losow e. Są one wynikiem n ałożen ia s ię w ie lo ra k ic h czynników przypadkowych powodujących: uszkodzenie urządzenia ele k try c z n e g o , powstanie zagrożen ia oraz u czu len ie środowiska na powstałe za g ro żen ie. Ocena ich oraz oszaco

wanie rozkładów prawdopodobieństw są możliwe w oparciu o t e o r ię s t a t y s t y k i matematycznej.

Podstawowym pojęciem t e o r i i niezawodności je s t p o ję c ie uszkodzenia o- b ie k tu . W warunkach górn iczych n a leży je rozumieć jako zdarzenie losowej*

powodujące pełną lub częściow ą u tra tę p rzez urządzenie pewnych właściwość^

c i warunkujących jeg o poprawne d z ia ła n ie zapewniające bezpieczną i wydaj

ną p racę.

Uszkodzenie je s t wynikiem oddziaływania na urządzenie fu n k c ji wymusza

ją c e j w określonym c z a s ie , przede wszystkim czynników środowiska gó rn icze

go , o takim n a s ile n iu , że p rze k ra cza ją one odporność w zględnie wytrzyma

ło ść urządzenia w ciągu tego czasu.

Czynniki te występują zarówno w sta n ie d z ia ła n ia urządzeń jak i w sta

nach jałow ych. Są one trudno wyznaczaine z uwagi na tch stachoatyczny o- ra z antropotechniczny ch arakter.

W dwustanowym u ję c iu k la s y fik a c ji stanów u rządzenia, uszkodzenie je s t dyskretnym przejściem ze stanu sprawności do stanu niesprawności urządze

n ia .

U ję c ie ta k ie odpowiada przede wszystkim uszkodzeniom przypadkowym ( l o sowym) , zwanym t e ż k a ta stro fa ln y m i. Zachodzi tam skokowe p r z e jś c ie ze sta*

nu sprawności, w którym spełniane są w danej c h w ili główne parametry n ie zbędne d la wykonywania określonych fu n k c ji, do stanu niesprawności.W ystę

pują one n iespodziew anie, n agle i szybko mimo braku objawów pogarszania s ię w ła ściw ości funkcjonalnych urządzen ia. Omówione uprzednio sp ecyficzn e grupy czynników środowiska górn iczego s p r z y ja ją powstawaniu uszkodzeń t e go ro d za ju . Uszkodzeniałśgj>. są w w ięk szo ści przypadków nieodwracalne, . n ie dające s ię usunąć i powodujące zazwyczaj konieczność wymiany u rządzenia.

Uszkodzenia mogą być spowodowane rów nież błędami w projektowaniu i wy

konawstwie oraz niew łaściw ą ek sp lo a ta cją u rządzenia. Ujawniają s ię zwykle w badaniach kontrolnych i odbiorczych oraz w początkowym ok resie eksplo

a t a c j i . Gdy mechanizm uszkodzeń je s t t a k i, że mogą występować odmowy częś

ciow e, w wyniku stopniowego pogarszania s ię w ła ściw o ści, na skutek czyn

ników d z ia ła ją c y c h okresowo (znanych i zdecydowanych} lub nawet przypad

kowo - mówimy wtedy o uszkodzeniach naturalnych (sta rzen io w y ch ). Wówczas zdatność urządzenia do poprawnego d z ia ła n ia może być traktowana jako stop*

niowana (c z ę ś c io w a ). Zmusza to do wielostanowego u ję c ia (o p isu ) zjaw iska.

(14)

In form acje a p r i o r i o z b liż a n iu s ię uszkodzenia naturalnego można uzyskać w wyniku badań symulowanych w zględn ie kontrolnych oraz z okresowych in s p e k c ji. W pewnych przypadkach do uszkodzeń tych można również n ie dopuś

c ić , w zględn ie zm niejszyć ic h prawdopodobieństwo przez odpowiednie p r o f i laktyczn e z a b ie g i konserwacyjne. Zazwyczaj jednak, z uwagi na nieuchron

ność procesów starzeniow ych, uzyskuje s ię ty lk o zw iększenie trw a ło ś c i u- rzą d zen ia .

Przeciwieństwem uszkodzenia Q obiektu je s t jego niezawodność R .O k r e ś l»

na je s t ona jako prawdopodobieństwo n ie w ystąpien ia uszkodzenia w ciągu czasu t w p r z e d z ia le czasowym (O .t^ ) i w zespole czynników wymuszających opisanych wektorem losowym ^ ( t ) :

Niezawodność R (t ) i uszkodzenie Q (t) są w ięc funkcjami czasu w ciągu któ

rego w ystępuje oddziaływ anie czynników wymuszających ^ (t).R o zp a tryw a n e z uwzględnieniem z a le ż n o ś c i od czasu noszą nazwy fu n k c ji niezawodności.neględ- n ie zawodności.

Trwałość urządzenia (elem entu) je s t drugim podstawowym pojęciem t e o r i i niezaw odności. Trwałość - zwana również dłu gow ieczn ością, żyw otnością, a także czasem trw ania, użytkowania lub ż y c ia może być definiow ana jsko pera właściwość uiządzadfl, jak 1 w ielk o ść charakteryzująca tę w łaściwość .W ielkość fiz y c z n ą trw a ło ś c i wyraża s ię w jednostkach czasu, bądź proporcjonalnych do czasu (np. lic z b ą o p e r a c ji) - od pewnej c h w ili p r z y ję t e j umownie za po

czątkową do c h w ili w ystąpien ia uszkodzenia, powodowanego oddziaływaniem zespołu losowych czynników wymuszających £ ( t ) .

Trwałość traktowana je s t w ięc jako zmienna losowa T typu ciągłego,m o

gącą przyjmować w a rto ś ci rz e c zy w is te t ( T ) z p rze d z ia łu (0,•*$ . Stosunkowo łatwo je s t o k r e ś lić trw ałość retrospektywną (ja k a b y ła ) na podstawie od

powiednio dokładnych o b serw a cji. Trwałość przewidywana (prosp ektyw n a)jest pojęciem prob a b ilistyczn ym . Można j ą oceniać w oparciu o jin fora ac je z p r z e s z ło ś c i - obserwacje i w yniki badań symulowanych w p o s ta c i danych sta tystyczn ych , dotyczących urządzeń analogicznych poddanych d z ia ła n iu czyn

ników wymuszających y ( t ) o znanym ro z k ła d z ie .

W warunkach rzec zy w istych , gdy ma s ię do czyn ien ia ze zbiorem urządzeń fiz y c z n ie jednorodnych, trw ałość dowolnego urządzenia z rozważanego z b io ru, rozumiana jako czas do pierw szego uszkodzenia, stanowi jed y n ie jedną r e a liz a c ję zmiennej losow ej T. Postać i parametry rozkładu mogą być ossa-

(2.1)

g d zie x je s t lic z b ą uszkodzeń w c z a s ie t, Uszkodzenie można o k r e ś lić a n a lo g ic z n ie :

Q (t) = P (2.2)

13

(15)

cowane, na podstawie wyników badań reprezentatyw nej próbki losow ej.m eto

dami a n a liz y s ta ty s ty c z n e j lub nieparam etrycznie w p o sta ci g r a fic z n e j.

Dystrybuantą trw ałośći F ( t , # ) nazywa a ię prawdopodobieństwo zdarzen ia, że zmienna losowa T przyjm uje w a rtości n ie większe n iż t . W ogólnym za p i

s ie można to przedstaw ić następująco:

g d zie ;. f ( t , # ) « f ( t , C j . . . # ) funkcja g ę s to ś c i trw a ło ś c i T,

# . . . - parametry rozkładu .

Trwałość urządzenia może być określana liczb o w o, za pomocą twierd.zeń o w a rto ś ci oczekiw anej, średnim czasem pracy TD do pierw szego uszkodzenia, w zględn ie czasem T^r między sąsiednim i uszkodzeniami. Zgodnie z borelow - skim prawem w ie lk ic h lic z b czas oczekiwany T może być przyjmowany w p rzy.

b liż e n iu jako równy ś re d n ie j arytm etycznej z czasów sprawnej pracy w ielu urządzeń jednorodnych. W ocen ie d y s p e r s ji czasów sprawnej pracy p o s łu g u je my s ię znanymi z rachunku prawdopodobieństwa pojęciam i w a ria n c ji f 2 lub odchylenia standartowego f .

Opis przewidywanego prawdopodobieństwa uszkodzeń, p rzy oddziaływaniu o*

kreślonych zespołów czynników wymuszających ? ( t ) u m ożliw iają dodatkowo dwa p o ję c ia : często ść oraz intensywność uszkodzeń. Ich w a rtości otrzymu

jemy ze s t a ty s ty k i uszkodzeń w e k s p lo a t a c ji, bądź z wyników la b o r a t o r y j

nych badań przyspieszon ych .

Funkcja g ę e io ś c i uszkodzeń może być odwzorowywana według różnych praw rozkładu : Poissona, Saus3ą-Lapla«ea, logarytm iczno-norm alnego, gamma,wy

kładn iczego lub W ęibu lla. W eryfik a cję zgodności dystrybua*ty z ło żo n ej z zaobserwowaną (em piryczną) przeprowadza s ię w przyjętym p r z e d z ia le ufnoś

c i , posługując s ię testam i zgodności.D la urządzeń elek tryczn ych n a jc zę ś

c i e j stosowany je s t rozkład w ykładniczy lub Poissona, w zględn ie b a rd zie j ogólny rozkład W eibu lla. Rozkłady rzec zy w iste uszkodzeń można z dostatecz%

ną dokładnością aproksymować do prawa w ykładniczego. Uzyskuje s ię wtedy znaczne u proszczenie aparatu matematycznego i pozwala to stosować w prak

tyce proste i wygodne in ży n ie rs k ie metody oceny parametrów niezawodności.

P rzy takim ro z k ła d z ie zb ie ra n ie danych statystyczn ych można rozpoczynać n ie z a le ż n ie od okresu e k s p lo a ta c ji.

2 .2 . Skutki uszkodzeń.

Uszkodzenia elek tryczn ych urządzeń górn iczych mają duży wpływ na stan bezpieczeństw a z a ło g i i ruchu gó rn iczeg o oraz na dodatkowe s t r a t y mate

r ia ln e , wynikające z przerw w p ro ce sie /produkcji g ó r n ic z e j. Praktycznie każde uszkodzenie wywołuje w kopalni stan za gro żen ia, zw iększając prawdo

podobieństwo występowania n ieszczęśliw y c h wypadków. Dla powstania pożaru (2 .3 )

(16)

lub zapłonu konieczne j e s t z a is t n ie n ie jed n o cześn ie: stanu zagrożen ia o- raz odpowiednich, sp rzy ja ją cy ch warunków o to c z e n ia . Dla wypadku rażen ia prądem elektrycznym konieczne je s t je s z c z e dodatkowo dotyk bezpośredni lub pośredni urządzen ia, na którym w ystą p iło n a p ięcie ra ż e n ia .

W lic z b a c h bezwzględnych n a jw ię c e j rejestrow anych je s t wypadków pora

żeń a najm niej zapłonów: metanu, gazów pożarowych i pyłu węglowego [

20

^{] .}

Wpływ uszkodzeń poszczególnych grup rodzajowych urządzeń górn iczych na k szta łtow a n ie s ię wypadkowości n ie je s t jednakowy. Z a n a liz y wypadków pożarów zarejestrow anych w P o lsce i innych krajach wynika, że pożary e le k tryczne stanowią średn io od 30,9$ do 74,5$ pożarów egzogen iczn ych .H a jw if- ksze za gro żen ie pożarowe z przyczyn elek tryczn ych stw arzały kable i p rze

wody oraz łą c z n ik i.

W wyniku a n a liz y w ie lo le tn ic h danych sta tystyczn ych

E2-6!

można stw ier

d z ić , że urządzenia ele k try c z n e b y ły także przyczyną^średnio jed n ej t r z e c i e j (22-45$) w szystkich wybuchów metanu oraz pyłu węglowego w kopalniach.

Większe za gro żen ie stanowią ty lk o ro b o ty strza ło w e. Wśród urządzeń e le k trycznych n a jw ię c e j wybuchów spowodowały uszkodzone kable i przewody opo

nowe: średnio 50-62$ w szystkich wybuchów z a is tn ia ły c h z przyczyn e le k - trycznych.

W głównej m ierze b y ły to zw arcia w przewodach oponowych, powstałe w wyni

ku uszkodzenia ich maszynami przodkowymi oraz robotami strzałow ym i. Pozo

s ta łe przyczyn y, to przede wszystkim : naruszenie o g n io szczeln o ści apara

tów i siln ik ó w , oraz uszkodzenie k lo s z y lamp o ś w ie tle n ia ele k try c zn e g o . Wypadki porażeń elek tryczn ych w mniejszym stopniu n iż pożary i wybu

chy u zależn ione są od uszkodzeń urządzeń elek tryczn ych . Dotyk c z ę ś c i u- rządzeń, k tó re zn ajdu ją s ię w s ta n ie sprawnym pod niebezpiecznym napię

ciem ra ż e n ia , je s t b a rd z ie j prawdopodobny n iż pożar lub zapłon spowodowa

ny przez u rządzenie nieuszkodzone. Przyczyną wypadków porażeń są w w ię

k s z o ś c i: nieodpowiedni sposób pracy oraz n ie p rz e s trz e g a n ie przepisów i in- s t r u k c ji £2 1 3 -

Następstwem uszkodzeń urządzeń elek tryczn ych irogą być również bardzo poważne s t r a t y m a teria ln e. S tra ty związane bezpośrednio lub pośredi:- . z opisywanymi w yżej wypadkami są o czyw iste, chociaż często n ie w zupełności wymierne. Natomiast stosunkowo łatw o można ocen ić spodziewane s t r a t y wyni*

kające z przerw w dostawie e n e r g ii do oddziału wydobywczego - spowodowane uszkodzeniami elek tryczn ych urządzeń oddziałowych.

W s ie c ia c h dołowych n ie sto s u je s ię samoczynnego powtórnego załączan ia i samoczynnego w łączania rezerw y. Układ s i e c i oddziałow ej z pukntu widze

n ia pewności z a s ila n ia odbiorników gó ri.iczych , wzajemnie uzależnionych procesem technologicznym , można by traktować jako układ o szeregowo połą

czonych elementach. Zgodnie z t e o r ią niezaw odności, w u kładzie szeregowym uszkodzenie elementu powoduje niesprawność całego układu. W u kładzie ta kim prawdopodobieństwo c ią g ło ś c i dostawy e n e r g ii Rq równe je s t ilo czyn ow i niezawodności cząstkowych (traktowanych jako zdarzen ie n ie z a le ż n e ) po

szczególnych elementów układu.

(17)

Możemy w ięc zapisać

n

Ro = 7 T Ri (2 -4)

1=1

V 1 - TT R, (2 - 5)

i=1 1

m

W przypadku gdy prawdopodobieństwo Qj uszkodzeń poszczególnych elementów s ą stosunkowo bardzo małe, a lic z b a n elementów włączonych szeregowo n ie j e s t zbyt duża, przyjmujemy

n

q0 ~ 7 T Qi (2 *6)

1=1

3 . KRYTERIA BEZPIECZNEJ ELEKTRYFIKACJI I AUTOMATYZACJI PODZIEMI KOPALŃ

. Is t o t a problemu

Bezpieczeństwo - to zespół zagadnień wzajemnie uzależn ionych. Mają fin*

n ie wpływ wszystkie, ro d za je zagrożeń, k tó re w sp rzyja ją cych warunkach mo

gą spowodować n iebezpieczn e sk u tk i. Niezawodność układów technicznych to n ie ty lk o zagadnienie techniczno-ekonom iczne, le c z w w ielu przypadkach rów

n i e ż podstawowy problem bezpieczeństw a.

łybuchyi po żary elek tryczn e mogą być wywołane p rzez is k r ę ,łu k e le k tr y c z ny lub nagrzanie się-u rządzeń do odpowiednio w ysokiej temperatury.Decydu

je o t y » wartość mocy w y d ziela n ej w odpowiednim c z a s ie , na przykład w miejJ-'

■cu zw arcia: U , I , R_, t . z ’ z ’ z ’ z

O n iebezpiecznych skutkach przepływu prądu p rzez organizm żywy decydu

ją rów nież il o ś ć e n e r g ii - n atężen ie prądu ra żen ia I r , zależne od często t liw o ś c i t , n a p ięcia ra żen ia Ur i oporu c ia ła człow ieka Rc oraz czas ra

żen ia t r . Wymienione w a rto ś ci napięć i prądów warunkowane są parametrami układu elek troen ergetyczn ego takim i ja k : n a p ięcie robocze Ug , c z ę s t o t l i - wość t , re zy s ta n c ja R_, indukcyjność L_ oraz pojemność C . Jednocześnie s t a l « lu b okresowo występuje oddziaływ anie zespołu czynników technicznych warunków środowiskowych ) , które ^ sp rzyja ją powstawaniu uszkodzeń i u c z u la ją środowisko na za gro żen ia . N a leży uwzględnić również wpływ czyn

ników 6 wynikających ze świadomej d z ia ła ln o ś c i p r o fila k t y c z n e j, a m .in.ł system w ybierania zło ża i sposób oraz intensywność p rze w ie trz a n ia , układ s i e c i , ro d za j k o n stru k cji i jakość wykonania urządzeń i elem entów,czułość i niezawodność oraz w ybiorcżość zabezpieczeń .

W takim zrozumieniu bezpieczeństwo e le k t r y f i k a c j i B„ e ia n a lity c z n ie moi- na zapisać w p o s ta c i o gó ln ej Jako n astępującą fu n k cję:

Be * B (U, I , f , R, L, C, t , y , § ) (3 .1 )

(18)

Jest to funkcja w ie lu zmiennych, zależn a od zdarzeń przypadkowych.Dlatego te ż ś c is ła ilo ś c io w a ocena stopn ia kompleksowego bezpieczeństwa n ie je s t możliwa. Natomiast wynika z n ie j celowość i m ożliwość, a nawet k on iecz- ność wielokierunkowego d z ia ła n ia .

Efektywność stosowanych środków ochronnych ocenia s ię w z a le ż n o ś c i od‘

prawdopodobieństw; powstania otw artego is k r z e n ia lub łuku -'elektrycznego w zględn ie w y d z ie le n ia s ię d o sta te czn ej i l o ś c i c ie p ła , p o ja w ien ia s ię n ie bezpiecznego n a p ię c ia na obudowach w zględn ie dotyku c z ę ś c i będących pod napięciem , wyłączeń z a s ila n ia elek tryczn ego w wyniku r e a k c ji na pow stał«

z a g ro ż e n ie .

Prawdopodobieństwo Pw powstania wypadku wybuchu, pożaru lub ra żen ia e - lek tryczn ego z a le ż y od prawdopodobieństwa P2 wystąpienia' zagrożen ia i j

prawdopodobieństwa PQ z a is t n ie n ia w tym samym c z a s ie uczu lenia na to za

gro żen ie bezpośredniego! o to c z e n ia .

U w zględniając, że są to zdarzen ia n ie z a le żn e i jednakowo m ożliw e, prawdo

podobieństwo wypadkowe j e s t iloczyn em :

PW - ? z • Po

Prawdopodobieństwa składowe i PQ z a le ż ą również od w ie lu zdarzeń przy

padkowych. Można by je o k r e ś lić prawdopodobieństwami cząstkowymi. Na p rzy

kład w przypadku o k reś la n ia prawdopodobieństwa wybuchu metanu n a leża ło b y znać prawdopodobieństwa w ystą p ien ia zdarzeń: odpowiedniego uszkodzenia,wyv s tą p ie n ia is k r y lub łuku o d o sta te czn ej e n e r g ii bądź nagrzania do tempera*

tu ry zapłonu, w yd ziela n ia s ię metanu, tw orzenia s ię mieszanki wybuchowej w otoczen iu "u szkodzenia" oraz utrzymania d o sta teczn ej i niezawodnej wen

t y l a c j i w yrobisk. N ie zawsze są to zdarzen ia n ieza le żn e i n a le ży tra k to wać je jako prawdopodobieństwa warunkowe.

Jak wspomniano, d z ia ła ln o ś ć , niezbędna d la zachowania odpowiedniego poi ziomu bezpieczeństw a e l e k t r y f i k a c j i i au tom atyzacji, musi być prowadzona w w ielu "kierunkach i p ła szczy zn a ch ". Celem j e j je s t zm n iejszen ie prawdo

podobieństw poszczególnych zdarzeń "elem entarnych". Głównym za d a n iw pro

f i l a k t y k i e le k tr y c z n e j je s t zm n iejszen ie do możliwego mlniaram prawdopodo

bieństw zdarzeń składających s ię na za grożen ia e le k tr y c z n e . W s z c z e g ó l

n ości n a le ży ogran iczyć możliwość dotyku bezpośredniego c z ę ś c i prąd wiodą*, cych, lub które z n a la z ły s ię pod napięciem oraz możliwość w ystąpien ia o- tw artego is k rz e n ia lub łuku e le k try c z n e g o . W pozostałych przypadkach po

wodujących zagrożen ia w a rto ś c i prądów, napięć i mocy, powinny być dosta

te c z n ie małe i występować ty lk o w określonym cza sie oraz ‘ w określonym mie jtfcu^

W urządzeniach automatyki e le k tr y c z n e j dotrzymanie wysokiego stopnia bezpieczeństwa je s t p ra k ty czn ie m ożliw e. Uzyskuje s ię je w wyniku zastoso*

wania odpowiedniej budowy - przede wszystkim budowy is k r o b e z p ie c z n «j. Wy

magane tam w a rto ś ci prądów i n apięć oraz e n e r g ii mogą być ta k .m a łe ,te aot*

(19)

na zapewnić bezpieczeństw o: rażeniow e, pożarowe 1 wybuchowe,tak w stanach roboczych jak i awaryjnych.

Baczną uwagę n a le ży jednak zwracać na zagrożen ia pośrednie oraz w tór

n e. Można by t u ta j wymienić prak tyczn ie możliwy wpływ obwodów e le k tro e n e r

getycznych na obwody automatyki - na przykład indukowanie napięć w obwo

dach sterowania maszyn prowadzonych w spólnie z obwodami roboczym i. Szcze

g ó ln ie is to tn e je s t zagadnienie niezawodności d z ia ła n ia układów automaty

k i , n ie ty lk o z punktu w idzenia c ią g ło ś c i p ro d u k c ji, le c z również stwa

rzan ia n iebezpiecznych zagrożeń w zględn ie sp rzyja ją cych warunków o to cze

n ia w wyniku wyeliminowania z układu pewnych urządzeń czy środków ochrony W realnych układach elek troen ergetyczn ych bezpośredni dotyk części prąd wiodących je s t p rak tyczn ie zawsze n ieb ezp ieczn y dla ży c ia lu d zk ieg o. Rów

n ie ż bezpośrednie zw arcie w u k ła d zie, z uwagi na dużą moc»przedstawia po

ten cja ln e zagrożen ie wybuchem lub pożarem elektryczn ym .D latego tak dużą uwagę zwraca s ię na zagadnienie "o d izo lo w a n ia ", bezpośredniego lub po

śred n iego , c z ę ś c i pod napięciem od oto czen ia zewnętrznego. Można więc za

ło ż y ć , że większość zagrożeń elek tryczn ych , łą c z n ie z zagrożeniem od prą

dów błądzących, powodowana je s t prądami upływu p rzez iz o la c ję - w wyniku monotonicznego pogarszania s ię stanu i z o l a c j i lub j e j n a g łe g o ,n a jc z ę ś c ie j mechanicznego, uszkodzenia.

N a jb a rd zie j prawdopodobne są jednofazowe uszkodzenia i z o l a c j i . Na n ie t e ż zwraca s ię główną uwagę w d z ia ła ln o ś c i p r o fila k t y c z n e j. Z tych w zglę

dów przewagę posiada układ s i e c i izolow any względem ziem i, w którym war

t o ś c i n apięć, prądów i mocy zwarcia doziemnego mogą być wgzjLędnie małe.

Wewnętrzne zw arcia międzyfazowe w urządzeniach chronionych odpowiednio mocłną osłoną, na przykład o gn ioszczeln ą , w w ie lu przypadkach n ie są bar

d z ie j groźne n iż jednofazowe - j e ż e l i zostaną d o sta te czn ie szybko wyłączo

n e. Ewidentne zagrożen ie stw arzają zw arcia między fazami wewnątrz k a b li i przewodów. Zwarcia tego rodzaju w w ięk szo ści przypadków mogą powodować rozerwanie zewnętrznych powłok ochronnych i w yrzucenie na zewnątrz is k ie r lub łuku ele k try c zn e g o . Nie w ystarcza ogra n iczen ie czasu zwarcią od 0,1 s jak to dotychczas przyjmowano na podstawie wyników badań wykonanych w NRF.

Potw ierdzen ie tego uzyskano podczas specjalnych badań przeprowadzonych prą

dem przemiennym 50 Hz w zwarciowni g ó rn ic z e j Zakładu Badań Elektrycznych ZKMPW.

Z a n a liz y szczegółowych materiałów 167 prób zwarciowych wynika, że w zasadzie p rzy każdym za istn ia łym łukowym zwarciu 3-fazowym następowało:

przerwanie c ią g ło ś c i ż y ł, wypalenie w zględn ie rozerw anie powłok ochron

nych - detonacja oraz wyrzut łuku, is k ie r i gazów.

3 .2 . Rażenia elek tryczn e

Skutki przepływu prądu elek tryczn ego przez organizm lu d zk i są różno

rodne 1 za leżą od parametrów źród ła prądu oraz w łaściw ości elektryczn ych i b io fiz y c z n y c h u stro ju rażonego. Są to głównie następujące czyn n ik i:

(20)

- n atężen ie i ro d za j prądu oraz k s z t a łt krzywej i c z ę s to tliw o ś ć , - czas i droga przepływu prądu,

- osobnicze w ła ściw o ści konstytucjon alne i kondycjonalne organizmu rażone

go, ta k ie jak zmęczenie fiz y c z n e i psych iczne, n a p ięcie emocjonalne,przjv zw yczajen le do udarów elek tryczn ych , czynnik zaskoczenia lub uwagi i in * n e.

Z punktu w idzen ia p r o fila k t y k i przemysłowej celowe je s t wprowadzenie ćNóca stopn i bezpieczeństw a, d la których w a rto ś ci n atężen ia i czasu przepływu powinny być ś c iś le określone f 19] :

- prąd gran iczn y dopuszczalny dłu gotrw ale I r(J,

- prąd gran iczn y dopuszczalny krótk o trw a le I j k ,* c z y l i tzw . prąd w zględnie b ezp ieczn y.

A n a lizu ją c w yniki badań dochodzimy do wniosku,że śred n ie w a rto śc i mini

malnych prądów f i b r y l a c j i I rk uzyskiwane p rzez różnych bad aczy ,d la okreś

lonych przed ziałów czasu ra żen ia t można w p r z y b liż e n iu o pisać zależnoś

cią ^matematyczną o n astęp u jącej p o s ta c i o g ó ln e j:

Xrk “ a t ^ + b (3 .3 )

Można je w ięc.p rzed sta w ić g r a fic z n ie jako l i n i e proste w logarytm iczny* u- k ła d z ie współrzędnych; współczynnik kierunkowy prostych p rz y b ie ra w artoś

c i n = 0,5 f 0,8 5.

N a leży p o d k r e ś lić , że proponowane p rzez różnych autorów śred n ie w artość c i prądów, k tó re n ie powodują f i b r y l a c j i , n ie można uważać za bezwzględnie b ezp ieczn e. S ta tystyczn e opracowanie wyników badań K isie lo w a wykazało, że gdy prawdopodobieństwo f i b r y l a c j i p rzy przepływ ie w ciągu 3 sekund prądu o ś r e d n ie j w a rto ś ci o b lic z e n io w e j wynosi 0 ,5 , to p rzy 0,3 w a rto ś ci o b l i  czeniow ej prądu prawdopodobieństwo f i b r y l a c j i wynosi ty lk o 0,0027.

Dla praktycznych celów u s ta le n ia środków ochrony i kryterió w oceny n ie

bezpieczeństw a ra ż e n ia , konieczna je s t znajomość chociażby p r z y b ił Żor,ych w a rto ś ci wypadkowego oporu - w określonych warunkach pracy i środowiska.Z uwagi na mnogość uprzednio wymienionych czynników pierwszeństwo’ n ależy przyznać wynikom eksperymentalnym i sprawdzonym metodami statystycznym i.

A n a liza s ta ty sty c zn a wyników badań Bladowskiego i Teresiaka [3 ,4 2 ] wy

kazała rów nież, że rozkład g ę s to ś c i wyników pomiarów je s t wyraźnie n ie sy  metryczny, o skośności d o d a tn iej - wartość modalna j e s t znacznie mniejsza od w a rto ś ci ś r e d n ie j. Uwzględniając powyższe s p o s trz e ż e n ia ,obliczen iow ą wartość oporu człow ieka w fu n k c ji n a p ięcia n a le ży u s t a lić p o n iż e j wartoś

c i modalnych, zakładając wymagany kwantyl prawdopodobieństwa odpowiednie

go rzędu, z a le ż n ie od spodziewanych warunków środowiskowych.

P rzy u sta lan iu granicznych w a rto ś ci prądów i napięć rażen ia o ra * odpo4 władających im r e z y s t a n c ji c ia ła człow ieka p rzy pracy w podcięciach ko

palń, uwzględniono rów nież konieczność zachowania m ożliwości s a s o d z ie ln e -

(21)

m e

mem

TU

s

\

k\

\ V "

r

-

ks % su

N

\ >

L\ N .

- N

ę 8 5 * i "

9 58

? •

> 38

* a 45

s

* V

* \

—

%

\ \ ■Jt

Ir

V

Ot-'

\

k

«39 C7 S5

łr

( S S I 1 ^b 3-a *I- s s» » a \ 9 RJ« 8

Rys. 1. Bopttszc żalne w a rtości prądów I r i napięć Ur ra żen ia oraz opór c ia ła lu dzkiego jako funkcja czasu rażen ia t r

— — prąd przemienny 50 Hz, —— prąd s t a ły

(22)

go przerwania obwodu p rzez osobnika rażonego, nawet w przypadku dokonania uchwytu c a łą d ło n ią .

Graniczny prąd ra żen ia I d dopuszczalny "d łu g o trw a le" może być w ięc równy w tak ich przypadkach co n ajw yżej tzw. prądowi uw olnienia sam odzielnego.U- w zględ n ia ją c w yniki badań uzasadniono [20] , że dla prądu przemiennego na

le ż y p r z y ją ć :

I rd Ą 10 mA

d la (3 .4 )

*rd > 5 8

Dopuszczalne odpowiednio w iększe w a rto ś ci n atężen ia prądu rażeń k ró t

kotrwałych (p o n iż e j 5 s ) ok reśla s ię p rzy z a ło żen iu , że czas przepływu pĄ * du zosta n ie niezawodnie ograniczony do wymaganej w a rto ś ci p rzez właściwe za b e zp ieczen ie.

- 0,667

I rk = 30 t r , mA (3 .5 )

dla

0,005 < t r < 5

gd zie t r - czas ra ż e n ia , a

Uw zględniając p r z y ję t e dopuszczalne w a rtości przemiennych prądów ra ż e n ia oraz w a rto ś ci oporu c ia ła lu dzkiego o b lic z y ć możemy dopuszczalne war

t o ś c i napięć ra ż e n ia : dłu gotrw ałego Urd oraz krótkotrw ałego Ur g ,dla*prądu przemiennego 50 Hz oraz prądu s ta łe g o .

Urd = I rd Rca < 10.2400 . I D '3

4

24 V (3 .6 )

Urk < 30 t r _ 0 ' &67 (4,1 7 - 1--285 lo g Ur ) , V (3 .7 )

I rd Ą 25 mA (3 .8 )

xr k * 60 V 0 ' 55, mA

Urd 4 60 T (3 .9 )

Urk ^ 60 t r ° ' 55 (4(17 - 1 »285 106 V » V

Obliczone w a rto ś ci bezpiecznych napięć i prądów ra żen ia przedstawiono wy- k r e ś ln ie na r y s . 1.

(23)

3 .3 . Zapłony elektryczne

Pow stające w urządzeniach elek tryczn ych : is k r a , łuk, wyładowania pełne lub n agrzanie do w ysokiej temperatury, mogą spowodować zapłon materiałów łatwopalnych znajdujących s ię w otoczen iu urządzeń.

N a jc z ę ś c ie j elektrycznym in ic ja łe m wybuchu może być is k r z e n ie powstałe Pr ®y rozw ieraniu elek tryczn ego obwodu z in du kcyjn ością, w zględnie p rzy awie^

ra n iu obwodu z pojemnością.

Isk rz e n ie pow staje w wyniku zmiany stanu obwodu na skutek przechodze

n ia e n e r g ii p o la magnetycznego w en ergię pola elek tryczn ego

W = ^ L I 2 » ^ C U 2 ( 3 . 1 0 )

Ponieważ czas rozładowania je s t bardzo k r ó t k i, d la tego te ż p rzy małych po*

jean ościach pow stają bardzo duże p r z e p ię c ia , które s p r z y ja ją zapłonom. Ta saaa e n e rg ia is k r y rozładowana w krótszym c z a s ie , a w ięc o w ięk szej mocy, posiada w iększą zdolność zapalną, ponieważ decyduje ilo ś ć ', wydzielonego c ie p ła i p rz y ro st temperatury.

Wyładowania jednoiskrowe t e j samej e n e r g ii są b a rd z ie j niebezpieczn e od w ielolskrow ych.

Złożoność zjaw isk występujących p rzy za p łon ie je s t przyczyną uniemożliw w ia ją c ą an ality czn e u sta len ie jego charakteru.

S t a ło s i ę to ao żliw e dopiero po przeprowadzeniu odpowiednio w ielu badań statystycznych oraz zastosowaniu metod rachunku prawdopodobieństwa i sta ty s ty k i Batematycznej. Otrzymuje s ię wtedy w p r z y b liż e n iu s t a łą wartość statystycznego prawdopodobieństwa zapłonu M

P = s = constans (3.11)

g d z ie :

* - - i i c z b a zarejestrow anych wybuchów n - lic z b a wykonanych prób (is k r z e ń ),

prz y czym niezbędna lic z b a prób na z a le ż y od wymaganego poziomu u fn ości określanego prawdopodobieństwa zapłonu.

Zakładając

P = const . I a (3.12)

Możliwe j e s t o k re śle n ie prądu iskrob ezpieczn ego (p = 10-8/ )j' podstawie znajomości prądu za palającego I z o znanym prawdopodobieństwie.Jako mini -

■alny prąd za p a la ją c y I z w obwodzie rezystancyjnym i indukcyjnym przyjmu

je s i ę zwykle wartość prądu, która wywołuje zapłon mieszanki wybuchowej z prawdopodobieństwem P = 10 . Podobnie przyjmowane je s t minimalne napię

c ie z a p alające Uz d la obwodu pojemnościowego (r y s . 2 ).

(24)

U [V 1, L [ H ] t C [/ *F ]

Rys. 2. W artości zapalających prądów I i napięć Uz w fu n k c ji w a rto ś ci na-/

p ię c ia U źró d ła oraz in du kcyjności L i pojemności C obwodu - d la prawdo- TC podobieństwa zapłonu mieszanki o zaw artości 8,5$ CH^: P = 10”

10V, b„ - U = 250V, c) U = f(C )

c. Z

(25)

P o b iera ją c próbę o n elementach ze zb ioru mającego pewne cechy wapół*’

ne, zakładamy że fr a k c ja zb ioru p może być określona wzorem (3 .1 1 ).Jest to słuszne d la bardzo dużych n oraz dużej lic z b y wyróżnionych elementów m. Dokładność oceny praw idłow ości sta tystyczn ego pomiaru prawdopodobień

stwa zapłonu, w porównaniu z w ie lk o ś c ią f r a k c j i zb io ru , można ocenić na podstawie znajomości cech rozkładu elementów wyróżnionych w z b io rz e .

Częstość zapłonów warunkują w łaściw o ści obwodu elek tryczn ego i składu mieszanki wybuchowej.

Zmienność c z ę s to ś c i u zależniona je s t od w ielu sumujących s ię wzajemnie n iezależn ych d zia ła ń przypadkowych - na przyk ła d : rod za j i wykonanie i - s k ie rn ik a , sposób wytwarzania is k r y , zmiany parametrów obwodu i błędu po

miarów, temperatura, c iś n ie n ie i t p . Wiadomo, że rozkład zmiennej losow ej będącej sumą dużej i l o ś c i wzajemnie n iezależn ych zmiennych losowych ja k ie jk o lw ie k natu ry, aby ty lk o każda z nich była mała w porównaniu z sumą, n ie powinien zbytn io ró żn ić s ię od rozkładu normalnego.

Rozkład normalny je s t p rzy b liżen iem rozkładu dwumianowego «W takim przjfc padku o k reś len ie lic z b y prób n niezbędnych d la zapewnienia^ że lic z b a zapłonów zawiera s ię w pewnych określonych granicach m1 i m2 z wymaganym prawdopodobieństwem u fn ości Pu - możliwe je s t a t w ie r d z e n i« M o ivre 'a - La- p la c e 'a :

Pu |m1 <• m < m; (3.13)

g d z ie :

Pu ( m1 < m < m2| * « P ^ ) - F(«C)

mt - np o C 28 ' 7.______ = r-

y n p (1 - p ) (3.15)

(4.1 4)

(3.16)

W przypadku odchyleń symetrycznych («C= - / » ) możemy zapisać

(3 .1 7 )

Załóżmy, że wymagany poziom u fn ości wynosi Pu = 0,95, a dopuszczalne względne odchylenie lic z b y zapłonów b a — ,= lf 5

(26)

P o d s ta w ia ją c do wzorów (3 .1 6 ) o ra z (3 .1 7 ) otrzym ujem y:

(3 .1 8 )

2F (jfc) - 1 = 0,95

P(|i) = 0,975 - z t a b lic dla c a łk i L a p la c e 'a otrzymujemy, że A = 1,96

Znaczy t o : d la lic z b y n prób można uważać p rzy 95$ pewności, że otrzymana częstość zapłonów n ie ró ż n i s ię w ięcej n iż 50$ od prawdopodobieństwa ich w ystąpienia p.

Znając w yniki pomiarów - lic z b ę is k ie r n oraz lic z b ę zapłonów m - można w dowolnym p r z e d z ia le u fn ości sprawdzić ja k ie są gran ice p^ i p2 badanej p o p u la c ji.

Zapalenie m ateriałów palnych w wyrobiskach, w których są instalowane rządzen ia e le k tr y c z n e , w ogólnym przypadku może być wynikiem d z ia ła n ia prą du upływu i p rze cią że ń długotrw ałych oraz zwarć, s z c z e g ó ln ie łukowych. De

cydujące znaczenie posiada en erg ia ciep ln a w ydzielana w m iejscu uszkodze

n ia , le c z is to tn e są rów n ież: stan fiz y k a ln y uszkodzenia - pow ierzchnia i o b jęto ś ć m iejsca uszkodzenia, warunki ch łodzen ia, s p ię tr z e n ie i rozkład tem peratury; r o d z a j, wymiary i w ilg o tn o ść m ateriałów palnych oraz ic h od

le g ło ś ć i usytuowanie względem łuku.

Długość łuku i jeg o o d le g ło ś ć od m ateriałów palnych odgrywają decydu

ją cą r o l ę . Czasy zapalen ia w zra sta ją w p r z y b liż e n iu w p o stęp ie geometrycz

nym z o d le g ło ś c ią od łuku; podobnie m aleją z dłu gością łuku.Konieczne je s t stosowanie odpowiednich osłon zapobiegających w ystąpieniu łuku otwartego w otoczen iu m ateriałów palnych oraz ogra n iczen ie do minimum d łu g ości łuku, n atężen ia prądu i czasu jego przepływu. S zc ze gó ln ie d otyczy to zwarć mię- dzyfazowych.

Badano skutki zwarć w kablach i przewodach gó rn iczych . Wykazano,że n ie w ystarcza ogran iczen ie czasu zw arcia do 0,1 s, jak to dotychczas przyjmo

wano. Energia ciep ln a łuku e le k try c z n e g o , wydzielana w m iejscu zwarcia na*

wet w stosunkowo krótkim c z a s ie , powoduje w ypalenie w zględn ie rozerwanie powłok zewnętrznych oraz wyrzucenie is k ie r i łuku na zewnątrz.W artość t e j e n e r g ii za w iera ła s ię w granicach od 2800 do 4800 J . M niejsze w a rto ś ci e- n e r g ii, od 300 do 1500 J powodowały " r o z d ę c ie " powłok, bez widocznych u- szkodzeń zewnętrznych.

Dodatkowo przeprowadzono badania zapaln ości n iek tórych m ateriałów jako skutku zwarć wewnętrznych w kablu typu AKSFt 3 x 120 mm2 + 70 mm2 , 1 kV.

N apięcie p ro b ie rcze w yn osiło 525 V, a spodziewany prąd zwarcia 6000 A. Za

obserwowano, że w wyniku rozrywania powłok zewnętrznych kabla i wyrzuca-

(27)

n ia łuku na zew nątrz, występowały zapłony znajdujących s ię w bezpośrednim s ą s ie d z tw ie ! drzazg i heblowin z suchego drewna sosnowego posypanych py

łem węglowym w c z a s ie ,t z; 0,04s; szmat natłuszczonych olejem mineralnym ju ty i papieru kablowego oraz drobnego pyłu węglowego - w cza sie zwarcia t z > 0,01 s.

4 . ZWARCIE DOZIEMNE W S IE C I KOPALNIANEJ

4 .1 . N a p ię cia , prąd i moc zw arcia doziemnego

W s i e c i 3 - fazow ej sym etrycznej z punktem gwiazdowym transform atora po

łączonym z ziem ią p rzez admitancję YQ w warunkach normalnych ż y ły robocze znajdują s ię pod napięciem fazowym względem z ie m i. N a p ięcie UQ punktu gwiazdowego je s t równe zeru . Przez doziemne upływności G i pojemności C płyną prądy pojemnościowo-upływnościowe. Opory wzdłużne ż y ł k a b li i prze

wodów mogą być pomijane jako nieznaczne w porównaniu z poprzecznymi.

W przypadku doziem lenia jed n ej fa z y oporem Rz wyrażenia dla n ap ięcia Uz fa z y uszkodzonej względem ziem i oraz prądu I 0 i mocy Pz w m iejscu zwao*

c ia 1 - biegunowego przyjm ują postać

Uz = S Uf I - A Uf z 5 TT

Z

( V _{r r ~}Tj2f

Z

(4 .1 )

(4 .2 )

(4 .3 ) gd zie

A 1 /3 (G8+Gr ) + , 0B) + 2GJ 2 + (GR + GS + GT + Go + Gz )2 +

+ [ f i (Gs - GT ) + (CS+CT ) + 2o)(Co - <32l T r j 2

---° _ (4,4J + ŁJ2 (CR + Cg + CT + CQ - - j i — ) 2

Lo oraz

*o - Go + 3 ( “ Co - IJ T - ) (4 .5 ) w o

Otrzymane w yrażenia op isu ją zw arcie doziemne dla przypadku uogólnione

go . Stanowią one fu n kcję 10 zmiennych charakteryzujących stan i z o l a c j i o- ra z c z ę s t o t liw o ś c i i w a rtości n ap ięcia fazow ego. A n aliza teoretyczn a tych wyrażeń je s t p rak tyczn ie możliwa przy wykorzystaniu matematycznych maszyn cyfrowych £20].