矿山供电系统1

1、第1章 矿山供电系统§1.1 概述1.1.1 电力系统电力:电能以功率形式表达时的俗称电力系统:发电厂,升压降压变压器,各级输配电线路组成的整体典型电力系统,图1图1 典型的电力系统主要电气元件符号,表11.发电厂功能:其他形式的能量转换为电能类型:火力发电厂(热能),水力发电厂(位能),风力发电厂(风能),核电站(核能)高压输电原因:发电厂建立在自然资源丰富的地方,远距离输电需升压; S=3UI输送视在功率S一定,电压U越高,电流I越小,输电线路有色金属消耗少;电压损失小,能保证供电质量;用电户:经降压变电所降压,供用电户使用2.变电所功能:汇集电能,变换电压,输出电能组成:各种电

2、力变压器,配电设备配电所:不含电力变压器的变电所分类:按用途分类:升压变电所,降压变电所,工矿企业变电所,农村变电所,整流变电所,车间变电所等;按地位分:枢纽变电所,穿越变电所,终端变电所按供电范围分:区域变电所(一次变电所),地区变电所(二次变电所)等;矿山地面变电所:地区变电所,枢纽变电所110kV(或35kV)矿山地面变电所110kV(或35kV/10kV(或6kV)煤矿用电设备供电;3.电力网电力网:各种变电所,各种电压等级的电力线路组成的整体;作用:输送,变换,分配电能电力网分类:低压电网:电压在1kV以下的电力网高压电网:电压3330kV超高压电网:电压330kV1000kV特高压

3、电网:电压在1000kV以上1.1.2 电力系统额定电压1.额定电压额定电压:所有用电设备按一定标准电压制造,在这个标准电压下,电气设备运行性能(技术,经济)最好,称为额定电压;2.煤矿电压等级受电设备电压等级(系统电压,三相线电压)127V-电钻/照明;220V-不用;380V-井下低压动力;660V-井下低压动力;1140V-综采用;3.3kV-综采用;变压器二次额定电压:(比系统电压高5%)380V系统,U2N=400V,660V系统,U2N=693V 1140V系统,U2N=1200V,3.3kV系统,U2N=3465V 6kV系统,U2N=6.3kV;10kV系统,U2N=10.5k

4、V电力网中电压变化,图2图2 电力网中电压变化线路有损耗,首端电压比电网额定电压UN高5%,末端电压比UN低5%,保护受电器端电压不超出UN的±5%;对于短路电压较大的变压器,为了使二次实际输出电压比电力网额定电压高5%,其二次额定电压应较受电器和电网额定电压高10%;实际应用中,变压器一次设有分接头,根据电力网电压损失大小调节分接头,保证受电设备工作在额定电压下;1.1.3 煤矿电力负荷分级和对供电的要求1.煤矿电力负荷分级一级负荷:凡因突然供电中断,将造成生命危害;导致重大设备破坏难以修复;打乱复杂的生产过程并使大量产品报费,给国民经济造成重大损失;煤矿一级负荷:主通风机,主水泵

5、,副井提升机等;一级负荷对供电的要求:采用两个独立电源供电;两回电源应符合下列条件之一: 两个电源之间相互独立,无联系; 两个电源之间有联系,应符合:a.在发生任何一种故障时,两个电源线路不得同时受到损坏;b.在发生任何一种故障且保护动作正常时,应有一个电源不中断供电;c.在发生任何一种故障且保护失灵时,以致所有电源中断供电时,应能有人在值班的处所完成必要操作,讯速恢复一个电源的供电,并能担负矿井全部负荷;二级负荷:凡因突然供电中断,将造成大量减产,生产大量废品,大量原材料报废等;煤矿二级负荷:地面空压机,主提升机,运输设备,采区变电所等;二级负荷对供电的要求:采用两回线路供电;三级负荷:凡不

6、属一级,二级负荷的用电设备;煤矿三级负荷:机修厂,办公,生活用电等;对供电无要求,单回路供电;2.煤矿企业对供电的要求供电安全可靠: 不出事,供电不中断保护电能质量:电压不超过±5%,频率偏差不超过±0.5Hz(赫兹);电压波形畸变不超5%(总谐波电压不超过基波电压的5%);运行经济:少花钱,多办事;§1.2 矿山供电系统1.2.1 供电系统结线方式结线:由各种电气设备,连接线路构成的电路;结线的功能:汇集和分配电能;母线:汇流排,汇集电流,分配电能;1.系统结线方式(1)放射式单回放射式,图3图3 单电源单回路放射式结线优点:系统简单,运行维护方便缺点:使用开关

7、/线路多,供电可靠性差;单电源双回路放射式,图4图4 单电源双回路放射式结线方式从一段母线上并列引出两回线路,每回路均由单独开关控制;用途:二级负荷;如由一路电源供电的采区变电所;双电源双回路放射式结线方式,图5图5 双电源双回路放射式结线方式从两段母线上各引出一回路向用户供电;优点:供电可靠性高用途:向一级负荷供电(2)干线式直接连接式,图6图6 直接连接干线式结线方式直接引出分支线路向用户供电,分支线一般不超5个;配电变压器容量不应超过3000kV·A;用途:煤矿井下工作面巷道输送机供电;架空线上对三级用电户;缺点:供电的可靠性差(公用线路故障,中断供电);贯穿连接干线式结线方式

8、,图7图7 贯穿连接干线式结线方式各用户变电所呈串接形式;供电的可靠性提高了(与直接连接式比);(3)环状式,图8图8 环状式接线电能从电源两段线母线引出,经过不同路经,由不同的向放和地点,引入矿山地面变电所;用途:电源对矿区用户相对位置居中或较远,而用户间距较近,负荷相差不很悬殊的供电情况;2.矿山各级变电所常用结线方式(1)单母线结线单母线不分断,图9图9 单母线不分段处理母线故障或检修时全部停电;结构简单,造价低;适用于小容量用电户;单母线分段,图10图10 单母线分段结线方式根据电源数目、功率、电网的结线情况,将母线分成若干段;每段母线上接一个或两个电源,引出线分别接到各段上;引出线电

9、能分配尽量与电源功率相平衡,尽量减少各段之间的功率交换;隔离开关分段用于,允许短时间停电的二级用户;各段可分列或并列运行,一般为分列运行;断路器分段,适用于一级用户;断路器分段,在母线检修或故障时,可避免全部停电;单母线分段方式,不能避免故障段母线的用户停电;解决:旁路母线;(2)桥式结线两回电源进线,两台主变压器外桥结线,图11图11 外桥结线跨接桥连接在变压器断路器QF1和QF2的外侧线路,进线回路只装隔离开关;变压器切换方便,对电源进线回路切换不方便;外桥结线适应:供电线路短,线路切换少的变电所;由于某种原因(如负荷变化)要经常切换变压器;有稳定穿越功率的变电所;处于环网中变电所;向一,

10、二级负荷供电情况;内桥结线,图12图12 内桥接线跨接桥连在变压器断路器QF1和QF2的靠变压器侧,变压器电源端仅装隔离开关;切换电源方便,切换变压器麻烦;内桥结线适应范围:电源线路长,线路故障率高的变电所;不需要经常切换变压器,且负荷稳定的变电所;没有穿越功率的变电所;处于电网终端变电所;向一,二级负荷供电的情况. 全桥结线方式,图13图13 全桥接线操作变压器/线路方便,运行灵活,投资大;一般35kV,容量在7500kV·A以上,或110kV,容量在31500kV·A以上的两台(三台等)变压器可采用全桥结线;1.2.2 矿井供电系统根据矿区范围,矿层埋藏深度,井下涌水量

11、大小,井型大小,采煤方法,机械化程度等因素确定供电系统;1.深井供电系统,图14图14 典型深井供电系统煤矿安全规程441条:矿井应有两回电源进线,当任一回路发生故障停止供电时,另一回路应能担负矿井全部负荷。年产60000t以下(不含60000t)的矿井采用单回路供电时,必须有备用电源.备用电源的容量必须满足通风、排水、提升等要求，并保证主要通风机等在10min内可靠启动和运行。备用电源应有专人负责管理和维护，每10天至少进行一次启动和运行试验，试验期间不得影响矿井通风等，试验记录要存档备查。矿井的两回电源线路上都不得分接任何负荷。正常情况下，矿井电源应采用分列运行方式。若一回路运行，另一回路

12、必须带电备用，以保证供电的连续性和可靠性。带电备用电源的变压器宜热备用；若冷备用，必须保证备用电源能及时投入正常运行，保证主要通风机等在10min内可靠启动和运行。10kV及以下的矿井架空电源线路不得共杆架设。6kV或10kV母线引出电源铠装电缆（至少2条）沿井筒中央变电所采区变电所(或移动变电站)移动变电站降为3.3kV,或1140V,或660V综采工作面供电;掘进工作面供电;对一级负荷(如主扇,副井提升机,中央水泵等),分别从分段母线上配出两条电缆线路,一工一备(热备用);对二级负荷,采用双电源供电,一工一备(热备用);煤矿安全规程442条：对井下变(配)电所含井下各水平中央变(配)电所和

13、采区变(配)电所、主排水泵房和下山开采的采区排水泵房供电线路,不得少于两回路.当任一回路停止供电时,其余回路应能担负全部负荷.向局部通风机供电的井下变(配)电所应采用分列运行方式。主要通风机、提升人员的立井绞车、抽放瓦期泵等主要设备房，应各有两回路直接由变（配）电所馈出的供电线路；受条件限制时，其中一回路可以引自上述同种设备的配电装置。向煤（岩）与瓦斯（二氧化碳）突出矿井自救系统供风的压风机、井下移动瓦斯抽放泵应各有两回路直接由变（配）电所馈出的供电线路。本条供电线路应来自各自的变压器和母线段，线路上不应分接任何负荷。本条上述设备的控制回路和敷助设备，必须有与主要设备同等可靠的备用电源。443

14、条：严禁井下配电变压器中性点直接接地。严禁由地面中性点直接接地的变压器或发电机直接向井下供电。入井电缆至少2条,接于地面变电所不同母线段上,正常工作同时运行,任一回路停止供电,其余回路能承担井下全部负荷的用电;深井供电系统应用:煤层埋藏深,倾角小,采用立井和斜井开拓,生产能力大的矿井;2.浅井供电系统,图15图15 浅井供电系统煤层埋藏距离地表100200m,出于经济考虑,井下电力设备多为低压.地面变电所10kV或6kV电源架空线地面配电所高压电缆经钻孔采区变电所; 地面变电亭低压电缆经钻孔工作面配电点井底车场的低压用电,直接由地面变电所低压井筒井底车场用电设备;井底车场用电负荷大高压经井筒入

15、井;地面变电亭,图16图16 地面变电亭1.2.3 矿井各级变电所及配电点1.地面变电所(1)位置选择原则位于负荷中心(主要负荷,入井电缆井筒);进出线方便;主导风向的上风侧;交通运输方便;留有扩展余地,少点农田;(2)地面变电所布置根据电压等级、配电装置的形式、母线种类、出引走廓条件、地形情况，因地制宜决定;通常,主变压器设在室个,高低压配电装置设在室内,采用楼房结构等;2.井下中央变电所(1)位置确定原则靠近负荷中心,通风良好,运输方便,进出线易于敷设,顶底板条件和保安煤柱的位置等;中央变电所一般设置在靠近副井的井底车场范围之内.每一个水平,一般设置一个中央变电所;中央变电所与主水泵房组成

16、联合峒室,图16图16 井下中央变电所位置示意图1-副井井筒,2-主井井筒,3-井下中央变电所,4-主排水泵房,5-井底车场巷道(2)对峒室要求用非燃性材料支护;留有20%扩充余地;通风良好,装有栅栏门/防火门;地面高出大巷底板标高0.5m.(3)中央变电所设备布置高/低瓦斯矿井井下中央变电所设备布置参考图17图17 高/低瓦斯矿井井下中央变电所设备布置图1-高压开关柜,2-硅整流器,3-矿用低压开关柜,4-动力变压器,5-照明变压器煤(岩)与瓦斯(二氧化碳)突出矿井井下中央变电所设备布置参考图18图18煤(岩)与瓦斯(二氧化碳)突出矿井井下中央变电所设备布置1- 高压隔爆开关,2-低压隔爆开

17、关,3-动力变压器,4-照明变压器,5-隔爆检漏继电器高压隔爆配电箱总长度(n-1)B+A,n-隔爆配电箱台数,B-配电箱宽度,A-与高压电源进线有关的计算值(3根进线,取4500mm;4根进线取6400mm)布置原则:开关柜内采用硬母线连接,其他为电缆连接;高压电缆敷设在电缆沟中,低压可电缆挂在墙上;一般采用双列布置,设备较少时,可采用单列布置;变压器室,配电室分开;配电室高低压设备分开布置;峒室尺寸按设备最大数量信布置方式确定,留一定备用位置:高压设备备用位置,按最大数量的20%考虑,不少于2个;低压设备的备用回路,按最多馈出回路数的20%考虑;主变压器为2台及以上,不考虑备用位置.3.采

18、区变电所接受中央变电所送来的高压电能,分配或变电用电设备或工作面配电点;(1)供电方式采区变电所-工作面配电点方式,图19图19 采区变电所-工作配电点方式DB1,DB2-高压配电箱,T1,T2-动力变压器,QA1QA9-自动馈电开关,KG1,KG2-检漏继电器,SH1SH3-手动启动器,SM1SM7-磁力起动器,T3T5-照明变压器以低压向全采区负荷供电;低压电缆较长,供电距离受限;适应于炮采和一般机械化采煤工作面;采区变电所-移动变电站-工作面配电点供电方式,图20图20 采区变电所-移动变电站-工作面配电点供电方式高压深入负荷中心,低压供电距离短,保证供电质量;现在综采使用的供电模式;(

19、2)采区变电所位置确定原则位于负荷中心,保证向采区内最远距离,最大功率电机供电;一个采区尽量用一个采区变电所;底板稳定,无淋水;通风,运输方便.(3)采区变电所峒室只取决于拟设置电气设备的数量和布置形式,不考虑扩充;可利用上山联络巷或工作面巷道间联络巷做采区变电所,采用非燃性材料支护;峒室标高应比其出口巷道底板标高超出200mm;(4)采区变电所设备布置,图21图21 采区变电所设备布置1-高压配电箱,2-矿用变压器,3,4-隔爆自动馈电开关,5,6-隔爆手动起动器,7-检漏继电器,8-照明变压器高压设备与低压设备分开布置;变压器与配电开关分开布置;高低压电缆沿墙敷设,峒室门的两侧及顶端预埋内

20、径为电缆外径1.5倍的电缆套管;峒室内接地母线沿墙,离地0.30.5m敷设.§1.3 煤矿井下供电系统三大保护概述三大保护:漏电保护,保护接地,过电流保护1.3.1 漏电保护1.煤矿井下供电系统漏电的危害煤矿安全规程443条：严禁井下配电变压器中性点直接接地。严禁由地面中性点直接接地的变压器或发电机直接向井下供电。煤矿井下低压电网，图22图22 漏电电流回路示意图漏电原因：开关设备漏电.绝缘底板/绝缘套管受潮漏电;导线绝缘老化,金属导体碰壳漏电;电动机漏电.绕组绝缘老化;内部引线焊接头脱落,碰壳漏电;电缆漏电;漏电危害:发生人身触电事故(安全电流值30mA·s,人身电阻取1

21、k);引起瓦斯和煤尘爆炸(点燃CH4的最小能量0.28mJ);使电雷管提前引爆.2.预防漏电触电的措施井下变压器、由地面向井下供电的变压器或发电机中性点严禁直接接地;采用漏电保护装置;采用保护接地系统;对接触机会非常多的设备采用低电压供电(手电钻,照明为127V);采用隔爆外壳;加强对电气设备的运行维护;3.漏电保护原理(1)附加直流电源的检测原理附加直流电源的检测原理1,图23图23 JY82检漏继电器直流检测回路直流检测通路:IDC直流电源L+地三相电网对地绝缘电阻r1r3电网三相电抗器1L零序电抗器2Lk表继电器KD电源L-;未发生漏电IDC小继电器KD不动作馈电开关不跳闸;运行中人触电

22、或漏电IDC增大KD吸合KD常开接点闭合馈电开关跳闸;附加直流检测原理2,图24 图24 JJ系列检漏继电器桥式比较电路Rx-电网对地绝缘电阻,SK-三相电抗器,CF-磁放大器,BA2-补偿按钮,ELO-高频轭流圈,RP2-漏电跳闸整定电位器,RP1-漏电闭锁整定电位器;未发生漏电Rx较大电桥平衡输出电压UDC=0后续电路不动作;发生漏电Rx电桥不平衡UDC0后续电路动作馈电开关跳闸;(2)零序方向原理,图25图25 零序功率方向式保护原理零序电流:流过三相对地绝缘阻抗的电流,未发生漏电时合成为0(大小相等,互差120°)，当电网发生漏电时,流过绝缘阻抗合成不等于0的电流,即为零序电

23、流;图26; 图26 选择性漏电保护的零序电流电网接地后零序电流I0特点: 故障回路I0流动方向,由负荷流向电源侧(母线);非故障回路I0流动方向,由电源侧流向负荷侧;利用I0判断故障回路零序电压U0零序电压U0:变压器中性点对地电压未发生漏电时,U00;发生漏电或人触电时U0大大升高;反映I0、U0,即为零序功率,反映I0方向零序功率方向;零序功率方向漏电保护特点:具有横向选择性;动作值不固定,馈出线回路趟数较少时,动作不灵敏(因分布电容电流小)不能保护对称性漏电故障;4.煤矿井下保护接地保护接地作用:防止人身触电;保护接地:利用导体把电气设备在正常不带电,当绝缘损坏时可能带电的外露金属部分

24、,与埋在地下的接地极连接起来;图27 图27 保护接地当电气设备内部绝缘损坏一相带电体碰壳时，若人身接触设备外壳，电流经过人身电流: ； -接地装置的接地电阻，煤矿井下要求小于等于2； -流过接地极的电流（A）； -人身电阻，煤矿井下取人身电阻为1000；-流过人身的电流。流过人身的电流是流过接地体电流的千分之二，大大地降低了人身触电伤亡的危险性。装设了保护接地装置，带电导体碰壳处的漏电电流经接地装置流入大地，即使设备外壳与大地接触不良而产生火花，但是由于接地装置的分流作用，使火花能量大大减小，引燃瓦斯、煤尘的可能性大大减小，提高了安全性。保护接地系统,图28图28 煤矿井下保护接地系统示意图

25、煤矿井下供电系统中性点是绝缘的，电气设备布置比较分散，很难用一个集中接地装置来满足保护接地的要求，接地电阻的大小将直接影响电气设备金属外壳对地电压的高低。各种电气设备装设单独的保护接地装置，并不能完全消除人身触电的危险。装设保护接地系统，来提高保护接地的安全性和可靠性。保护接地系统:将高低压铠装电缆的铅包层和金属铠装层，橡胶电缆的接地芯线或屏蔽护套，把分布在井底车场、运输大巷、采区变电所、工作面配电点的电气设备，在正常运行时不带电的金属外壳在电气上连接起来，再与各处埋设的局部接地极、主接地极连接起来，组成保护接地系统，亦称总接地网。保护接地系统不仅降低了接地电阻值，而且能够防止不同电气设备的不

26、同相同时碰壳接地所带来的危险。这时二相同时碰壳接地，是经过接地网形成了二相短路，接地网电阻很小，二相短路电流较大，过流保护装置可靠动作，切除故障电源。5.过流保护过电流：线路或电气设备的电流，超过其额定值或允许值时。过电流的原因：如电动机的单相（断相）运转、电流严重不平衡、过负荷、短路等。长时间过负荷危害：电气设备和电缆绝缘损坏，甚至引发严重的安全事故。电动机过载（过负荷）及危害：实际电流大于电动机的额定电流，即为过载。过载使电动机温度升高，绝缘老化，寿命降低。长时间过载，烧坏。煤矿安全规程第455条规定，“井下高压电动机、动力变压器的高压控制设备，应具有短路、过负荷、接地和欠压释放保护。井下由采区变电所、移动变电站或配电点引出的馈电线上，应装设短路、过负荷和漏电保护装置。低压电动机的控制设备，应具备短路、过负荷、单相断线、漏电闭锁保护装置及远程控制装置。”第456条规定，“井下配电网络（变压器馈出线路、电动机等）均应装设过电流、短路保护装置；必须用该配电网络的最大三相短路电流校验开关设备的分断能力和动、热稳定性以及电缆的热稳定性。必须正确选择熔断器的熔体。必须用最小两相短路电流校验保护装置的可靠动作系数。保护装置必须保证配电网路中最大容量的电气设备同时工作成组的电气设备能够起动。