gscienceMining Science and Technology (Russia)Горные науки и технологии2500-0632The National University of Science and Technology MISiIS (NUST MISIS)10.17073/2500-0632-2023-01-72gscience-474Research ArticlePOWER ENGINEERING, AUTOMATION, AND ENERGY PERFORMANCEЭНЕРГЕТИКА, АВТОМАТИЗАЦИЯ И ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНОСТЬEquivalent circuit for mine power distribution systems for the analysis of insulation leakage currentОбоснование схемы замещения шахтной подземной электрической сети для анализа режимов утечки тока через изоляциюhttps://orcid.org/0000-0001-7457-5702ПичуевА. В.PichuevA. V.

Александр Вадимович Пичуев – кандидат технических наук, доцент кафедры энергетики и энергоэффективности горной промышленности.

Москва, Scopus ID 57209798580

Alexandr V. Pichuev – Cand. Sci. (Eng.), Associate Professor of the Department of Energy and Energy Efficiency of Mining Industry.

Moscow, Scopus ID 57209798580

allexstone@mail.ruhttps://orcid.org/0000-0002-6474-5349ПетровВ. Л.PetrovV. L.

Вадим Леонидович Петров – доктор технических наук, проректор, профессор кафедры энергетики и энергоэффективности промышленных предприятий.

Москва, Scopus ID 8919065900

Vadim L. Petrov – Dr. Sci. (Eng.), Vice-Rector, Professor of the Department of Energy and Energy Efficiency of Industrial Enterprises.

Moscow, Scopus ID 8919065900

petrovv@misis.ruУниверситет науки и технологий МИСИСРоссияUniversity of Science and Technology MISISRussian Federation202320042023817886Copyright © Pichuev A.V., Petrov V.L., 20232023Пичуев А.В., Петров В.Л.Pichuev A.V., Petrov V.L.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://mst.misis.ru/jour/article/view/474

Successful mining businesses rely heavily on the safety and reliability of their mine power distribution systems. Mine power distribution systems are designed to withstand an aggressive environment with a range of hazards. The harsh operating conditions require improvement to personnel protection systems through the study and simulation of the electric network’s normal and emergency operations. The purpose of this study is to assess insulation leakage current using an equivalent circuit of a mine power distribution system. The simulation identified the key properties of the equivalent circuit which can model potential hazardous situations. We also selected the quantitative metrics and the equivalent circuit property ranges. In order to simulate the transients, we recommended using the time constants for the oscillation damping in circuits, the insulation phase resistance properties, and the absorption currents. This paper presents the equations to estimate these values. As an example, we considered the equivalent circuit of a mine power distribution system with an R-L filter in the residual current device line. The equivalent circuit helps analyze the current leakage when a person touches a live phase conductor accounting for low-frequency polarization in the phase insulation. The proposed approach to the simulation and analysis of the insulation current makes it possible to generate an equivalent circuit of the mine power distribution system to analyze phase voltage asymmetry, trip currents of residual current devices, low-frequency polarization of the insulation, and the leakage current effects on the human body.

Характеристики безопасности и надежности шахтных электротехнических комплексов и систем во многом обеспечивают успешность горных предприятий. Сложные технологические условия, особенно при ведении подземных горных работ, многообразие индивидуальных факторов определяют совокупность требований, которые предъявляются к подземным электрическим сетям горных предприятий. Все это определяет необходимость совершенствования систем защиты персонала на основе исследования характеристик сетей, моделирования режимов работы, в том числе аварийных. Основная цель исследований – обоснование схемы замещения шахтной подземной электрической сети путем синтеза ее структуры для последующего анализа режимов утечки тока через изоляцию. На основе методов математического моделирования дано обоснование параметров схемы замещения шахтной подземной электрической сети с учетом условий возникновения и развития аварийных и травмоопасных ситуаций. Определены количественные показатели и диапазоны изменения параметров элементов схемы замещения электрической сети. Для математического моделирования переходных процессов рекомендовано использование электромагнитных постоянных времени затухания колебаний в контурах, образованных параметрами фазных сопротивлений изоляции, а также абсорбционных составляющих токов утечки, и приведены соответствующие расчетные соотношения. В качестве примера приведена схема замещения шахтной подземной электрической сети с активно-индуктивным фильтром присоединения устройства защитного отключения, позволяющая выполнить анализ утечки тока при однополюсном прикосновении человека к токоведущей фазе, с учетом процесса низкочастотной поляризации в фазной изоляции. Предложенный методический подход к моделированию и анализу режимов утечки тока через изоляцию позволяет осуществить синтез схемы замещения подземной электрической сети для анализа несимметрии фазных напряжений, токов срабатывания устройств защитного отключения, процессов низкочастотной поляризации в изоляции, воздействия тока утечки на человека.

шахтная подземная электрическая сетьрежимы утечки токазащитное отключениепараметры изоляцииисточники ЭДСэлектробезопасностьmine power distribution systemleakage currentresidual current deviceinsulation propertiesEMF sourceselectrical safetyReferencesГладилин Л.В., Щуцкий В.И., Бацежев Ю. Г. и др. Электробезопасность в горнодобывающей промышленности. М.: Недра; 1977. 327 с.Gladilin L.V., Shchutsky V.I., Batsezhev Yu.G. et al. Electrical safety in the mining industry. Moscow: Nedra; 1977. 327 p. (In Russ.)Щуцкий В.И., Сидоров А.И., Ситчихин Ю.В. и др. Электробезопасность на открытых горных работах. М.: Недра; 1996.Shchutsky V.I., Sidorov A.I., Sitchikhin Yu.V. et al. Electrical safety in open–pit mining. Moscow: Nedra; 1996. (In Russ.)Пичуев А.В., Петуров В.И., Суворов И.Ф. Влияние нестационарных режимов на электробезопасность при эксплуатации электрооборудования горных предприятий. М.: Горная книга; 2011. 326 с.Pichuev A.V., Peturov V.I., Suvorov I.F. Effects of non-stationary modes on electrical safety of mining electrical equipment. Moscow: Gornaya kniga; 2011. 326 p. (In Russ.)Клюев Р.В., Босиков И.И., Гаврина О.А., Ляшенко В.И. Оценка эксплуатационной надежности электроснабжения развивающихся участков добычи руд на высокогорном руднике. Горные науки и технологии. 2021;6(3):211–220. https://doi.org/10.17073/2500-0632-2021-3-211-220Klyuev R.V., Bosikov I.I., Gavrina O.A., Lyashenko V.I. Assessment of operational reliability of power supply to developing ore mining areas at a high-altitude mine. Mining Science and Technology (Russia). 2021;6(3):211–220. (In Russ.) https://doi.org/10.17073/2500-0632-2021-3-211-220Ким К.Е. Исследование нестационарных режимов шахтных электрических сетей напряжением до 1000 В и их влияние на условия электробезопасности. [Дисс. канд. техн. наук] М.: МГИ; 1975.Kim K.E. Non-stationary modes in mine electrical networks up to 1,000 V and their impact on electrical safety. [Ph.D. Thesis] Moscow: Moscow Mining University; 1975. (In Russ.)Колосюк В.П. Защитное отключение рудничных электроустановок. М.: Недра; 1980. 334 с.Kolosyuk V.P. Emergency tripping in mine electrical installations. Moscow: Nedra; 1980. 334 p. (In Russ.)Сидоров А. И., Петуров В.И., Пичуев А.В. и др. Обеспечение электробезопасности в системах электроснабжения. Успехи современного естествознания. 2010;(2):114. URL: https://natural-sciences.ru/ru/article/view?id=7752Sidorov A.I., Peturov V.I., Pichuev A.V. et al. Electrical safety of power supply systems. Advances in Current Natural Sciences. 2010;(2):114. URL: https://natural-sciences.ru/ru/article/view?id=7752 (In Russ.)Петуров В.И. Способ измерения параметров изоляции фаз в сетях с изолированной нейтралью. Электробезопасность. 1998;(1):9–12.Peturov V.I. Method for measuring phase insulation properties in insulated neutral systems. Elektrobezopasnost. 1998;(1):9–12. (In Russ.)Kano Murga J. Electricity. The danger of its use and protection of people from electric shock. MF. Per. GPNTB, “Instalador”. 1976;(106):75−78.Kano Murga J. Electricity. The danger of its use and protection of people from electric shock. MF. Per. GPNTB, “Instalador”. 1976;(106):75−78.Pouvel I. Problems de protection dans les reseaux miniers. Revue de l’industrie minerale. 1983;25(7). (In French)Pouvel I. Problems de protection dans les reseaux miniers. Revue de l’industrie minerale. 1983;25(7). (In French)Kupfer J., Bastek R., Eggert S. Grenzwerte zur Vermeidung von unfallen durch electrischen strom min tödlichem Ausgang. Zeitschrift für die Gesamte Hygiene. 1981;27(1):9−12.Kupfer J., Bastek R., Eggert S. Grenzwerte zur Vermeidung von unfallen durch electrischen strom min tödlichem Ausgang. Zeitschrift für die Gesamte Hygiene. 1981;27(1):9−12. (In German)Суворов И.Ф. Комплексные системы обеспечения условий электробезопасности при эксплуатации электроустановок до 1000 В. Чита: ЧитГУ; 2005. 328 с.Suvorov I. F. Integrated electrical safety systems for electrical installations up to 1000 V. Chita: Chita State University; 2005. 328 p. (In Russ.)Хусаинов Ш.Н., Сидоров А.И., Хусаинова Н.А. Улучшенный метод определения проводимостей изоляции участка сети, содержащего линию с отпайкой, по результатам измерения режимных параметров. Вестник ЮУрГУ. Серия «Энергетика». 2002;(7):24–29.Khusainov Sh.N., Sidorov A.I., Khusainova N.A. Improved method for insulation conductivity estimation of a grid segment with a branch line from the electric parameter measurements. Bulletin of South Ural State University. Series: Power Engineering. 2002;(7):24–29. (In Russ.)Пичуев А. В. Параметрические зависимости сопротивления изоляции рудничных участковых электрических сетей. Горный информационно-аналитический бюллетень. 2011;(4):398–400.Pichuev A.V. Parametric relationships for the insulation resistance of mine electrical networks. Mining Informational and Analytical Bulletin. 2011;(4):398–400. (In Russ.)Цапенко Е.Ф. Резонансные перенапряжения в шахтных сетях вследствие применения аппаратов защиты типа УАКИ, АЗАК, АЗШ, АЗУР. Горный информационно-аналитический бюллетень. 2000;(3):106–109.Tsapenko E.F. Resonant overvoltages in mine networks caused by the use of UAKI, AZAK, AZSh, AZUR RCP Devices. Mining Informational and Analytical Bulletin. 2000;(3):106–109. (In Russ.)Цапенко Е.Ф. Состояние защиты от токов утечки на землю в шахтных сетях напряжением до 1200 В. Горный информационно-аналитический бюллетень. 2003;(6):155–156.Tsapenko E.F. Leackage current protection monitoring in mine networks up to 1,200 V. Mining Informational and Analytical Bulletin. 2003;(6):155–156. (In Russ.)Пичуев А.В. Режимы несимметричной утечки тока через изоляцию рудничной участковой электрической сети. Электробезопасность. 2011;(2):28−33.Pichuev A.V. Unsymmetrical current leakage through the insulation in mine electrical networks. Elektrobezopasnost. 2011;(2):28–33. (In Russ.)Abderrezak H., Mizane A. Hybrid model for insulation active component control in an isolated neutral electrical network. In: Proceedings of the 2012 International Conference on Industrial Engineering and Operations Management. Istanbul, Turkey, July 3–6, 2012. Pp. 1961−1970. URL: https://ieomsociety.org/ieom2012/pdfs/466.pdfAbderrezak H., Mizane A. Hybrid model for insulation active component control in an isolated neutral electrical network. In: Proceedings of the 2012 International Conference on Industrial Engineering and Operations Management. Istanbul, Turkey, July 3–6, 2012. Pp. 1961−1970. URL: https://ieomsociety.org/ieom2012/pdfs/466.pdf

The authors declare that there are no conflicts of interest present.