Шахтный кабель. Пляшут искры около нас

Около месяца назад — в октябре текущего года — на шахтах Хакасии произошло два ЧП подряд. 10 октября на золотодобывающем руднике обрушилась порода, а уже 11 числа на глубине 200 м случилось возгорание на шахте «Абазинская». По предварительной информации МЧС, в результате короткого замыкания загорелся силовой кабель — это и стало причиной пожара.

Можно считать, что абазинская история завершилась относительно благополучно: 59 человек эвакуировали на поверхность, пострадавших нет. Чего уж точно нельзя сказать об аварии 2007 года на шахте «Ульяновская» — одной из крупнейших трагедий добывающей отрасли Новой России.

Считается, что причиной взрыва стала искра, которая возникла при повреждении комбайнового кабеля. Домой не вернулись 110 горняков.

Собственно, и без этих жутких цифр понятно, что шахтный кабель — источник возможной опасности. Мы обратились за комментариями к производителям этого оборудования: что может спровоцировать трагедию в шахте и какие правила необходимо соблюдать.

Опасные искры

«Главная опасность — в открытом искрообразовании, возникающем при коротком замыкании. Оно, в свою очередь, возможно при нарушении целостности оболочки и изоляции кабеля.

Причинами таких нарушений, как правило, является повреждение кабеля техникой, используемой в шахте», — рассказал начальник отдела по продвижению перспективных групп кабельной продукции ООО «ХКА» Константин Харитонов.

Обрушившаяся порода — ещё один источник опасности, помимо шахтной техники. Проблема та же самая — целостность кабеля нарушается. Это произошло, в частности, 15 лет назад на шахте «Тайжина» в Кемеровской области: по официальной версии, из-за обрушения породы был повреждён силовой кабель, в условиях сильной загазованности возникла искра, которая и вызвала взрыв.

Специалисты называют в списке опасностей и другую причину — то, что объединяется в формулировку «низкая культура эксплуатации», нарушение требований безопасности.

Так, формальной причиной взрыва на шахте им. Карла Маркса в Донецкой области можно считать загорание метановоздушной смеси от электрического искрения повреждённого кабеля: из-за геологических нарушений ранее обрушился уголь.

Только вот шахта на момент аварии вообще не должна была работать: Госгорпромнадзор Украины приостановил её деятельность за нарушение техники безопасности — до устранения.

Под бронёй

Культура безопасности — это, конечно, не технологический вопрос, здесь повлиять на ситуацию производители не могут. Другое дело — обезопасить кабель от повреждения. Или, по крайней мере, свести такой риск к минимуму.

«Особенность шахтных кабелей в том, что они должны быть «взрывозащищёнными», то есть «уметь» предотвращать открытое искрообразование. Для передачи и распределения электроэнергии в подземных выработках применяются бронированные и гибкие кабели. Бронированные кабели прокладываются в вертикальных и горизонтальных выработках», — объяснил основополагающий принцип Константин Харитонов.

Остановимся на этом важном моменте подробнее. Два основных типа силового кабеля, которые используются в шахте, — это стационарные и гибкие решения.

Ведущий инженер АО «3М Россия» Константин Юров объяснил, что стационарный кабель питает выработки и горизонты, и предназначен он для подключения стационарного же силового оборудования или шахтных трансформаторов — а от них уже запитываются подвижные потребители.

Стационарный кабель всегда имеет в своей конструкции броню из стальных лент или проволок, медные жилы и основную изоляцию из ПВХ или резины.

Для питания подвижных потребителей — проходческих и очистных комбайнов, самоходных вагонов, погрузочно-доставочных машин и так далее — предусмотрен гибкий кабель.

«В конструкции современного гибкого кабеля сейчас также нередко встречается двойная оболочка и гибкая броня между оболочками — это один из эффективных способов обеспечения опережающего отключения.

Основным материалом жил кабеля является медь, материал основной изоляции современного гибкого кабеля — различные модификации резины. Внешние оболочки изготавливаются из не поддерживающих процесс горения материалов, обладающих высокой износостойкостью — этиленпропиленовая, хлоропреновая или полиуретановая резина, резины со специальными пластификаторами, такие как «Гипалон» или «Эластолан».

При этом нередко в конструкции кабеля используется профилирующий тороидальный сердечник, позволяющий повысить жёсткость кабеля, что ведёт к росту его износостойкости.

Жилы заземления и цепи управления в современном гибком кабеле, как правило, являются распределёнными, что также способствует росту эффективности отключения кабельной линии при срабатывании аппаратуры защиты», — детально описал конструкцию Константин Юров.

«Особенностью конструкции шахтного кабеля является наличие экрана поверх изоляции каждой основной жилы с целью исключения межфазного короткого замыкания. При применении экрана поверх изоляции при повреждении изоляции одной из жил сразу происходит отключение кабеля.

Бронированные кабели предназначены для следующих условий: кабели с броней из стальных лент применяются при отсутствии растягивающих нагрузок в процессе эксплуатации и в тех местах, где необходима защита кабеля от механических нагрузок; кабели с бронёй из стальных оцинкованных проволок применяются в тех местах, где есть растягивающие нагрузки в процессе эксплуатации, смещение почвы, при вертикальной прокладке», — уточнил директор красноярского филиала ООО «ТД УН «КОМТЕХ» Денис Алексеенко.

Минимум риска

Но, к сожалению, все эти решения не являются панацей. Главная защита кабеля — броня — не может обезопасить его ото всех шахтных происшествий.

«Степень защищённости, которую обеспечивает бронепокров, зависит от характера повреждения. Другими словами, незначительное физическое воздействие кабель переживёт, но, если на него упадёт большой кусок породы или наедет техника, неминуемо в таком месте придётся производить ремонт кабеля», — подчеркнул Константин Харитонов.

Поэтому в ход идут дополнительные решения. В частности, принципиальный момент — прокладка кабеля. В отличие от систем, работающих на поверхности, шахтный кабель всегда визуально доступен.

Его не закапывают и в специальные короба не кладут. Стационарный кабель крепят вдоль стен выработок — и здесь он максимально защищён от повреждения техникой. Гибкий кабель наматывают на барабан кабелеукладчика. Последний, кстати, является ещё одним щитом для подземных решений.

«К основным способам защиты кабеля от повреждения техникой относится использование систем кабелеукладчиков. Корректно работающий кабелеукладчик позволяет снизить вероятность повреждения кабеля в случае падения кусков породы или наезда самоходной техники», — отметил Константин Юров.

Правда, перечисляя все эти меры, эксперты признают: это не гарантия безотказной работы, это — минимизация рисков.

В этом же списке — визуальные решения. Опасность работы в шахте во многом сопряжена с ограниченной видимостью под землёй. Хотя на свет уже давно появились взрывозащищённые светильники, в выработках всё равно царит полумрак, и есть участки, где налобные фонари шахтёров — это ключевой источник света.

Поэтому повреждение шахтного кабеля может быть связано банально с тем, что оператор техники его просто не заметил. Поэтому всё наши эксперты в списке мер безопасности назвали создание бросающихся в глаза кабельных систем.

Константин Юров отметил световозвращающие материалы, Константин Харитонов напомнил, что шахтные кабели должны быть хотя бы просто ярких цветов — обычно жёлтого, оранжевого или красного, Денис Алексеенко указал и то, и другое.

Кабель в системе

Картина складывается пугающая: на сегодняшний день существует множество решений, позволяющих сделать работу шахтного кабеля более безопасной, но все они не гарантируют благополучный исход. К названным выше причинам нарушений в работе кабеля Константин Юров добавил ещё и ошибки и при эксплуатации кабельных решений, а также нарушение регламентов их производства. Всё это может привести к отказам.

«В принципе, отказ — это нормальная ситуация на техническом объекте. Главное, чтобы при отказе в работе кабельной системы аппаратура защиты обеспечила опережающее отключение кабельной линии, а последующий ремонт повреждённого участка позволил восстановить архитектуру оригинального кабеля», — разъясняет ситуацию эксперт.

А ведь действительно: если кабель повреждён, это ещё не трагедия. Да, шахты представляют собой места с риском возникновения аварий в связи с высокой концентрацией газа, пыли и газодинамических явлений, но взрыва всё же чаще удаётся избежать.

«Сегодня более корректно говорить не только о кабеле, но и о работе кабельной системы в целом. Конструкция современного шахтного кабеля в комплексе с аппаратурой защитного отключения и специализированной кабельной арматурой — системами кабельных муфт и кабелеукладчиков — позволяет эффективно осуществлять опережающее отключение кабеля в случае его повреждения.

За счёт этого значительно снижается риск случаев электротравмы, воспламенения или взрыва пылегазовой смеси, и такие случаи становятся редкими.

Для того чтобы сделать работу кабельной системы безопасной, а процесс отключения кабельной линии от сети при её повреждении эффективным, вносятся соответствующие требования в регламентирующие и руководящие нормативно-технические документы.

Так, в п. 417 Федеральных норм и правил «Правила безопасности в угольных шахтах» уже внесено требование о конструкции кабеля, обеспечивающей эффективное опережающее отключение кабельной линии в случае её повреждения. В стадии финального рассмотрения находятся изменения в Технический регламент Таможенного Союза ТР ТС 012/2011 «О безопасности оборудования для работы во взрывоопасных средах».

Действие Регламента планируется расширить на кабельно-проводниковую продукцию, и, в частности, в статье 4 планируется ввести требование по опережающему отключению кабельных линий при их повреждении», — рассказал специалист «3М Россия».

---

Опасный человеческий фактор

«Во главе безаварийной работы любого решения, и кабельной системы в том числе, стоит высокий уровень культуры эксплуатирующего персонала, особенно если он эффективно связан с финансовой мотивацией шахтёра: работодатель платит премии при выполнении плана выработки.

Это хороший мотиватор, чтобы не допускать простоев техники по причине аварий или отказов.

Повышение культуры эксплуатации оборудования, а также рост требований к безопасности, в том числе к опережающему отключению кабеля, а также корректный подбор и применение аппаратуры защиты и кабельной арматуры — вот залог профилактики несчастных случаев и аварийных ситуаций на шахтах, связанных с отказами в работе кабельных линий».

Тонкости монтажа

«При прокладке кабелей в вертикальных и наклонных выработках подвеска выполняется с использованием приспособлений, разгружающих кабель от действия собственной силы тяжести. Расстояние между точками крепления в наклонных выработках — не более 3 м, в вертикальных выработках — не более 6,5 м.

Над почвой в горизонтальных и наклонных выработках (угол наклона до 45°), закреплённых металлической или деревянной крепью, бронированные кабели прокладываются нежёстко, с провесом.

Расстояние между точками подвески должно быть не более 3 м, а между кабелями — не менее 5 см. Кабель располагается на такой высоте, чтобы исключить возможность его повреждения транспортными средствами и чтобы в случае срыва с подвески он не мог упасть на рельсы, решётки и т. п.

Жёсткое крепление кабелей допускается только в выработках, закреплённых бетонной, кирпичной или подобной крепью, а также в выработках, не требующих крепления. Если в случае необходимости кабель прокладывается по почве, то он должен быть защищён от повреждений прочным ограждением из несгораемого материала.

Питание электрических машин и механизмов в очистных блоках может осуществляться с применением гибких кабелей. Гибкие кабели подвешиваются не жёстко с выполнением требований, указанных ранее для подвески бронированных кабелей.

Около машины гибкий кабель на протяжении не более 15 м может быть проложен по почве выработки, но таким образом, чтобы исключить возможность его повреждения машиной. На поверхности земли требования к укладке кабеля иные, в зависимости от типа кабеля и его назначения и применения».

ОСОБОЕ МНЕНИЕ

Ещё шаг к безопасности

«При расследовании аварий, связанных со взрывами метана в очистных и подготовительных забоях, в качестве одного из наиболее вероятных источников воспламенения почти всегда рассматривается гибкий кабель.

Причины повышенной опасности кабелей заключаются в следующем.

Во-первых, гибкие кабели как единственный источник электроснабжения передвижных машин и механизмов имеют значительную протяжённость и при эксплуатации подвергаются различным воздействиям, прежде всего механическим: передавливание, разрывы, порезы и прочее. Срок службы гибкого кабеля в шахте обусловлен не столько старением его изоляции, сколько повреждением от недопустимых механических воздействий.

Во-вторых, в отличие от другого подземного электрооборудования, гибкий кабель не имеет средств взрывозащиты. Невозможность заключения кабеля во взрывоопасную оболочку обусловливает необходимость применения других путей предотвращения опасного искрообразования, возникающего при повреждении кабеля.

В связи с этим очевидно, что необходимо повышать механическую прочность гибкого кабеля и прежде всего за счёт применения оболочки с более износоустойчивыми материалами и усиливающими элементами внутри.

Вместе с тем проблема гибкого кабеля может быть решена только созданием системы «кабель — блок защиты», которая при недопустимом механическом воздействии обеспечивала бы опережающее отключение под действием электрических защит в начале его повреждения до разрыва оболочки.

Для оценки защитных свойств системы «кабель — блок защиты» специалисты АО «НЦ ВостНИИ» совместно с производителями кабелей АО «НИКИ г. Томск» и ООО «Томсккабель» разработали ГОСТ Р «Кабели гибкие шахтные. Методы проверки обеспечения опережающего отключения при раздавливании». Следует отметить, что из-за механических воздействий шахтные гибкие кабели наиболее часто подвергаются раздавливающим нагрузкам, например, при работе горного оборудования с мощной гидравликой. Даже при вывалах горных пород в выработках вначале происходит смятие и передавливание кабеля.

Так как гибкий кабель в шахте должен прежде всего быть прочным и упругим, то начальной оценкой является способность конструкции и материалов кабеля выдерживать предельную для него нагрузку в несколько тонн в зависимости от радиуса раздавливающего клина.

При этом не должно происходить никаких защитных отключений.

При дальнейшей нагрузке конструкция кабеля совместно с защитой должна обеспечить его опережающее отключение. Сейчас, при существующих конструкциях гибких кабелей, это можно сделать двумя методами.

Первый метод позволяет отключать кабель в начальной стадии раздавливания до повреждения изоляции основных жил. Наиболее приемлемым решением для этого метода является введение внутрь оболочки изолированной гибкой брони в виде обмотки или оплётки из стальных и медных проволок, а также дополнительного блока защиты, который отключает кабель при замыкании гибкой брони на заземлённые части кабеля.

Казалось бы, гибкая бронь делает кабель более защищённым, но это также увеличивает его жёсткость, а, например, для самоходных вагонов такой кабель применить будет сложно. Кроме того, значительные трудности возникают при подключении такого кабеля и его ремонте.

Следует также отметить, что у применяемых сейчас на шахтах Кузбасса импортных комбайновых кабелей Protomont (V) гибкая бронь предназначена в основном для механической защиты.

Использование её в качестве контрольного проводника невозможно, так как имеется прочная внутренняя оболочка.

Поэтому при раздавливании вперёд происходит повреждение изоляции внутри кабеля и защитное отключение кабеля.

Второй метод — это создание решения, при котором сама конструкция кабеля при недопустимой раздавливающей нагрузке приводила бы к возникновению тока замыкания с фазы на экраны и заземляющие жилы внутри кабеля и его быстрому отключению существующими устройствами контроля изоляции.

Защищённость кабеля по данному методу определяется, во-первых, свойствами экранов поверх изоляции жил, их контактом с заземляющими жилами, а во-вторых, прочностью оболочки кабеля, которая должна быть усилена синтетическими материалами (типа кевлара). При этом важно, чтобы кабель оставался гибким и упругим.

В каталогах ведущих мировых фирм гибкая металлическая бронь может быть выполнена в виде оплётки для кабелей волочения или обмотки для применения в кабелеукладчиках. Однако из-за высокой жёсткости и малого ресурса на изгиб и кручение имеется тенденция более широкого применения в качестве упрочняющего элемента синтетических нитей.

Кроме этого, механическую прочность кабеля значительно повышает применение в центре кабеля профилированного сердечника из электропроводящей резины, что повышает стойкость кабеля к раздавливающим и ударным нагрузкам.

Наличие симметрии всех жил кабеля снижает возможность возникновения искроопасных наводок металлических частей оборудования.

Следует отметить, что раньше основным требованием для шахтных гибких кабелей было выполнение их экранированными. Наличие проводящих экранов поверх изоляции жил во многом определяло эффективность действия защиты от токов утечки по предотвращению межфазных замыканий.

Также экранированный гибкий кабель значительно снижал вероятность появления открытого искрения при повреждении. Единственное, не было методов проверки опережающего отключения.

С появлением нового стандарта становится возможным оценить конструкцию и материалы гибкого кабеля на способность обеспечить его отключение при недопустимых механических нагрузках при раздавливании».

В настоящее время в Евразийской экономической комиссии (ЕЭК) подготавливаются Изменения № 1 Регламента ТР ТС 012/2011 «Безопасность оборудования для взрывоопасных сред», в котором, в том числе будут установлены требования к шахтным кабелям и защитной аппаратуре по обеспечению опережающего отключения при повреждении кабеля.

Причем целью отключения является — предотвращение воспламенения рудничного газа и пыли.

Уровень выполнения данного требования регламента будет определяться совершен-ствованием конструкции и материалов гибких шахтных кабелей и подтверждаться методами испытаний соответствующих стандартов.

В дальнейшем защита гибкого кабеля может обеспечиваться применением оптического волокна внутри кабеля для мониторинга недопустимых механических деформаций. Гибкие кабели со встроенным оптоволокном для передачи информации выпускаются ведущими фирмами Prysmian, Nexans.

Защита кабеля по оптоволокну используется на портовых кранах. Однако применение такой системы пока еще ограничивается значительной стоимостью.

При широком внедрении передачи информации в шахте по оптоволокну, возможно, будет приемлемо и применение оптической системы контроля повреждений кабеля.

---

Текст: Анна Кучумова