Концепция развития научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ по созданию нового взрывозащищенного электрооборудования
Е.А. Вареник,
А.Н. Омельченко,
Р.М. Лазебник
Постановка проблемы
В настоящее время в цепочке "разработка-производство-сбыт" главной проблемой для производителей продукции во всем мире является сбыт.
Так, в странах с развитой рыночной экономикой, входящих в "Организацию экономического сотрудничества и развития (ОЭСР)", имеющиеся производственные мощности, по данным интернет-газеты "Обозреватель" за 09.09.2005г., используются только на 14 %, хотя хозяйствующие субъекты этих стран располагают квалифицированным персоналом, имеют достаточный капитал и развитую технологическую базу, в том числе по современным информационным технологиям.
Проблема сбыта, обусловленная недостаточным платежеспособным спросом, обостряет конкурентную борьбу на внутреннем и внешнем рынках, и побеждает в ней тот, чьим изделиям оказывает предпочтение потребитель.
На формирование потребительских предпочтений влияют [1]:
· качество (технический уровень) изделий, определяемое техническими характеристиками и надежностью;
· продажная цена, зависящая как от конъюнктуры на рынке, так и от издержек производства, определяемых себестоимостью и расходами на рекламу, выставки, презентацию, стимулирование спроса;
· сервисное обслуживание;
· гарантии и уровень обеспечения безопасности;
· степень обеспечения производительной работы технологических объектов угольной, нефтяной, газовой, нефтеперерабатывающей, химической и других отраслей с взрывоопасными условиями производства.
В этой связи разработка концепции развития НИОКР по созданию конкурентоспособного взрывозащищенного электрооборудования является достаточно актуальной.
Анализ потребительских предпочтений позволяет сформулировать перспективное научное направление по разработке нового взрывозащищенного электрооборудования: "Создание конкурентоспособного, ресурсоэнергосберегающего взрывозащищенного электрооборудования, обеспечивающего безопасную и производительную работу предприятий угольной, химической, нефтяной, газовой, нефтеперерабатывающей и других базовых отраслей промышленности Украины с потенциально взрывоопасными условиями производства".
Целью статьи является концептуальное представление путей реализации сформулированного научного направления при создании трансформаторов и комплектных трансформаторных подстанций, аппаратуры защиты и управления, электроприводов, комплексов электрооборудования на повышенное напряжение и электродвигателей в контексте мировых достижений в этих видах электрооборудования.
Результаты исследований.
Взрывозащищенные передвижные трансформаторы и трансформаторные подстанции. В сравнении с лучшими зарубежными образцами отечественные трансформаторы и комплектные трансформаторные подстанции (КТП) близки по надежности, выигрывают по цене (в свое время это было целью разработки новых изделий), однако в последние годы стали уступать им по техническому уровню (потерям, электродинамической стойкости, габаритам, массе), что снижает их конкурентоспособность на внешнем рынке [2].
Использование новых электротехнических материалов и новых конструкторских и технологических процессов (изготовление магнитопровода с "косым стыком" по типу Step-Lap; внедрение пропитки обмоток методом "вакуум-давление"; применение обмоточных проводов с изоляцией арамидной бумагой и полиимидной пленкой, работающих в длительном режиме при температуре более 200 °С, применение обмоток низшего напряжения (НН) из медной ленты), учет реального режима работы при создании отечественного трансформатора может заметно увеличить электромагнитные нагрузки на элементы конструкции последнего, тем самым снизить расход активных материалов, трудозатраты, массу и габариты силового трансформатора для шахтных КТП, и, таким образом, при снижении потерь и увеличении электродинамической стойкости сохранить неизменной его мощность [3].
Анализ результатов предварительных расчетов показывает, что благодаря применению более высококачественных электротехнических материалов и новых конструкторских и технологических решений появляется возможность значительно уменьшить массу и размеры трансформатора и КТП в целом, что позволит выпускать, по крайней мере, каждый десятый трансформатор на сэкономленных материалах при заметном снижении общих потерь в трансформаторе.
Для КТП небольшой мощности целесообразна конструкция распредустройства высшего напряжения (РУВН) с разъединителем холостого хода для снятия напряжения при ремонтах, осмотрах, замене комплектующих и т.д. Для подстанций с высокими мощностью и вторичным напряжением предлагается вариант конструкции РУВН с высоковольтным выключателем. взрывозащищенный электрооборудование трансформатор
Подстанции высокой мощности предназначены для электроснабжения достаточно большого числа токоприемников, поэтому на их стороне НН целесообразно применение ряда выводов, в том числе для цепей, управляемых дистанционно, как это делается в зарубежных образцах.
Новые КТП должны быть оборудованы необходимыми устройствами для возможности передачи диагностической и другой информации и обеспечения работы в общешахтных системах автоматики, телемеханики и контроля. При выполнении НИОКР целесообразно установление делового сотрудничества с фирмами Хамахер и Беккер.
Таким образом, для создания взрывозащищенных конкурентоспособных, ресурсоэнергосберегающих трансформаторов и КТП, обеспечивающих надежную и производительную работу выемочных участков угольных шахт необходимо:
· разработать КТП мощностью от 100 до 250 кВА напряжением 400/690 В по схеме РУВН с разъединителем холостого хода, силовым трансформатором и распредустройства низшего напряжения (РУНН) с набором коммутационных аппаратов повышенной коммутационной способности и аппаратуры защиты и сигнализации на новой элементной базе и применением дисплея с информацией о работе КТП на несколько позиций, а также с передачей информации на диспетчерский пункт шахты;
· разработать КТП мощностью 400 и 630 кВА на напряжение 690/1200 В в двух исполнениях: с разъединителем холостого хода в РУВН и набором защит в РУВН и с автоматическим выключателем в РУНН; с высоковольтным выключателем в РУВН и набором защит в РУНН, воздействующих на этот выключатель;
· разработать КТП мощностью 1000, 1250, 1600, 2000 кВА с вторичным напряжением 1200 и 3300 В с высоковольтным выключателем в РУВН и воздействием на него защит, контролирующих низковольтные присоединения;
· разработать новую конструкцию оболочек трансформаторов с повышенной охлаждающей способностью;
· разработать модули с унифицированными блоками защит, системой диагностики и телеконтроля для многофидерного РУНН.
Взрывозащищенные коммутационные аппараты напряжением до 1200 В. Мировые тенденции развития взрывозащищенного аппаратостроения состоят в применении шахтами комплектных устройств управления и защиты горных машин, вместо групп пускателей. Основными мировыми производителями подобной аппаратуры являются фирмы Польши (5 заводов), Германии, Чехии, Франции и Великобритании.
Исходя из проведенного анализа мировых тенденций и основных направлений развития отечественного аппаратостроения [4], целесообразно создать серию комплектных взрывобезопасных устройств управления групповыми и технологически связанными токоприемниками машин угольных шахт со встроенными устройствами автоматики, диагностики, информатики, для чего разработать новые модули с оптимизацией размеров камер и применением прогрессивных видов и средств взрывозащиты. Комплектные устройства должны выполняться в соответствии с согласованным параметрическим рядом по выполненным функциям, набору аппаратуры, значениям тока и напряжения.
Важнейшими факторами создания как комплектных устройств управления, так и повышения технического уровня выпускаемых аппаратов являются минимизация массогабаритных показателей и существенное повышение надежности при оптимальных стоимостных показателях. Для этого потребуется пересмотр множества применяемых комплектующих изделий, разработка ряда новых с использованием нетрадиционных методов коммутации электрических цепей, создание принципиально новых средств защиты и многофункциональных устройств автоматики, совмещающих функции управления несколькими токоприемниками одновременно.
Новые аппараты должны отображать полную информацию о работе объекта с запоминанием режимов работы и нагрузок, контроля его состояния с возможностью последующих расшифровок и выяснения причин выхода объекта из строя. При этом для таких цепей важно использовать преимущества уровня взрывозащиты вида "е" и "искробезопасная электрическая цепь", дающих возможность многократного облегчения оболочек и существенного удешевления их изготовления. Аппараты должны как аккумулировать и хранить информацию, так и передавать ее диспетчеру по линиям связи или силовым кабелям.
Традиционно нашими заводами изготавливаются круглые оболочки, как технологически более простые и облегченные, однако коэффициент их заполнения не превышает 0,5. Практически во всем мире применяются прямоугольные оболочки с коэффициентом заполнения до 0,95, однако трудоемкость их изготовления очень высокая. Учитывая относительно невысокую потребность в аппаратах, в настоящее время целесообразно вести работу в части создания прямоугольных оболочек аппаратов, что, однако, потребует применения новых технологий изготовления.
Разработка и освоение параметрического ряда корпусов модульных конструкций позволит создавать новые изделия и развивать выпускаемые в части повышения их функциональных возможностей и технических параметров. Модульные конструкции лягут в основу создания аппаратов распределения электрической энергии в составе энергопоездов, что существенно изменит производство КТП.
Электропривод и электроснабжение шахт. Анализ мировых тенденций в области разработки и реализации электроприводов, в частности в Германии, Англии и США, показал четкую ориентацию на применение в угольных шахтах регулируемых электроприводов горных машин.
Технико-экономический анализ позволил определить области применения регулируемых приводов в угольных шахтах и адекватные виды регулирования: плавный пуск, асинхронно-вентильный каскад, частотное управление [4].
Регулируемый электропривод шахтных ленточных и скребковых конвейеров целесообразно реализовывать на первом этапе на основе тиристорных устройств плавного пуска и серийных асинхронных электродвигателей с короткозамкнутым ротором, а на втором этапе - по схеме асинхронно-вентильного каскада (АВК) с новыми более надежными асинхронными двигателями с фазным ротором. Применение более совершенных частотно-управляемых электроприводов для конвейеров экономически не выгодно, так как для них регулирующие режимы требуются в основном только в периоды пуска.
Результаты промышленных испытаний экспериментальных образцов устройств плавного пуска показали, что динамические удары в трансмиссии приводов конвейера снижаются не менее чем на 40 % и, соответственно, снижаются нагрузки на стыковые соединения. Пусковой ток электродвигателя уменьшается в 1,5...1,7 раза. Существенно сокращается число порывов ленты, практически исключается пробуксовка ленты о барабан, вследствие чего повышается пожаробезопасность. Значительно улучшается пуск загруженного конвейера с влажной горной массой.
Электропривод по схеме АВК существенно повышает надежность и производительность скребковых конвейеров за счет возможности оптимизировать процесс согласования режимов работы конвейера и угледобывающего комбайна.
Регулируемый электропривод механизмов подачи очистных комбайнов. Новый частотно-управляемый электропривод механизмов подачи мощностью от 60 до 120 кВт позволяет увеличить скорость комбайна на 25...60 %, тяговое усилие на 25...30 %, среднюю техническую производительность комбайна на 20...40 %, улучшить энергетические показатели (коэффициент полезного действия (КПД) до 95 %, в то время как у гидропривода подачи КПД не более 0,7), значительно повысить надежность.
Целесообразность перехода на электрический частотно-управляемый электропривод подачи подтверждается мировыми тенденциями. Комбайны с такими системами электропривода начали выпускать фирмы ведущих зарубежных угледобывающих стран "Эйкгоф" (Германия), "Андерсен" (Англия).
Регулируемый электропривод автоматизированных струговых комплексов нового поколения для безлюдной выемки угля. Разработка и внедрение нового частотно-управляемого электропривода мощностью до 800 кВт (2 х 400 кВт) позволит сократить простои, связанные с заменой предохранительных элементов на выходных валах редукторов по сравнению с традиционными нерегулируемыми электроприводами, увеличить полезную мощность двигателей на 30...40 % за счет исключения режимов частых пусков и позволит осуществлять строго нормируемое натяжение тяговой цепи струга.
Регулируемый электропривод подземных подъемных машин. В процессе работы подъемной установки необходимо постоянное регулирование скорости с поддержанием постоянства момента (М = const) и устойчивая работа на низкой скорости при выполнении маневровых и других технологических операций. Для таких режимов частотное управление является наиболее экономичным способом регулирования и позволяет практически избежать непроизводительных затрат электроэнергии. Как показывают расчеты и результаты испытаний экспериментальных образцов в промышленных условиях, экономия электроэнергии при мощности электропривода 250 кВт составляет 340 000 кВт·ч/год. При оснащении только в Донбассе 160 действующих подземных подъемных установок такой системой электропривода экономия электроэнергии составит не менее 54 млн. кВт·ч/год. Кроме значительной экономии электроэнергии, новый электропривод за счет улучшения динамических характеристик и управляемости позволит повысить производительность подъемных машин на 15...20 %, увеличить срок службы, надежность и безопасность их эксплуатации.