煤矿电气安全王崇林

煤矿电气平安与维护中国矿业大学电气平安与智能电器研讨所二OO九年十一月1主要内容煤矿供电系统中性点运转方式选择性漏电维护2一、煤矿供电系统及特点二、煤矿电网运转中存在的问题三、煤矿电网的研讨方向煤矿供电系统3一、煤矿高压供电系统1．矿井对供电的要求煤矿企业为电能的重要用户。由于煤矿消费的特殊性，在供电上要求更为严厉。其主要要求如下：1〕供电可靠2〕供电平安3〕保证充足的供电量4〕技术经济合理42．矿井电压等级电压等级用途交流电36V127V220V380V660V1140V3、6、10kV35、60kV110、220、330kV以上矿用低压隔爆磁力起动器的控制回路及信号回路井下照明、信号、煤电钻地面照明、低压动力地面或井下低压动力井下低压动力采区大型采煤机组等大型机械的电动机或输电高压输电超高压输电直流电110、220、440V250、550V40、80、110、120V2.5、4V一般动力架线式电机车蓄电池电机车矿灯53矿井供电系统的构造矿井供电方式的决议要素矿区范围采用机械化方式矿层构造采煤方法矿层埋藏深浅井下涌水量大小典型供电方式：深井、浅井、平硐三种6电力网深井供电7中央变电所84矿井变电所及任务面配电点地面变电所井下中央变电所采区变电所任务面配电点9某矿地面供电系统〔部分〕10某矿井下供电系统〔部分〕11供电可靠性要求高井下人员瓦斯涌水消费损失繁重，教训深化同一电压等级的供电级数多地面变电所、井下中央变电所、采区变电所、挪动变电站负荷集中大功率设备多大功率设备多且相对集中，负荷变化对供电系统影响大运转环境恶劣事故频繁环境潮湿，粉尘多，挪动型设备多，挤压碰撞多电缆供电为主高压电缆普通有几十公里，单相接地电流大，易拉起电弧，不易自恢复新型电力电子设备逐渐增多谐波含量超标自然功率因数低供电设备技术程度参差不齐设备多且难以一致，配合复杂，管理维护困难5矿井供电的特点12二、煤矿电网能够存在的问题设计消费才干小，经过多次扩容改造，使得电网构造复杂；对供电系统缺乏整体性的规划，使得运转管理混乱；维护的越级和无选择性跳闸；单相接地电容电流的治理；电能质量的改善；其它平安隐患。13三煤矿电网的研讨方向供电系统优化设计供电设备平安可靠性维护整定的规范问题无功优化补偿问题选择性漏电维护问题电容电流治理电能质量问题防爆问题……14煤矿高压电网的中性点运转方式及选择性漏电维护中性点运转方式单相接地的危害电容电流的治理选择性漏电维护15一电网中性点运转方式中性点的运转方式指的是中性点与大地之间的衔接关系。中性点运转方式的选择主要取决于单相接地时电气设备的绝缘要求及供电可靠性。中性点运转方式的不同，直接影响到平安和经济问题，需求进展综合比较分析。161中性点运转方式的种类大接地电流系统1〕直接接地，又称为有效接地2〕经低阻接地小接地电流系统1〕不接地，又称为中性点绝缘2〕经消弧线圈接地3〕经高阻接地17中性点运转方式的种类18关于煤矿电网中性点运转方式的规定<煤矿平安规程>第443条规定：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。我国、苏联、西德等国井下采用中性点不接地系统；其它国家，如英国采用中性点经高电阻接地的系统或其它类型的接地系统。我国煤矿地面变电所普通采用中性点不接地系统或中性点经消弧线圈接地的系统。192中性点不接地方式主要特点：单相接地电流小适用范围：3-10kV电网。由于在这类电网中，发生单相接地缺点的比例很大。采用中性点不接地方式可以减少单相接地电流，从而减轻其危害。分析：单相接地电流，单相接地时的各相对地电压20中性点不接地方式-正常运转三相对称，没有电流在地中流过。中性点对地电位为0各相对地电压等于相电压。其中C为电网对地电容〔高压电网忽略电网对地绝缘电阻R〕21中性点不接地方式—单相接地当发生金属性接地时，接地缺点相对地电压为零。中性点对地的电压上升到相电压，且与接地相的电源电压相位相反。非缺点相对地电压由相电压升高为线电压。三相的线电压仍坚持对称且大小不变，对电力用户接于线电压的设备的任务并无影响，无须立刻中断对用户供电。单相接地电流，等于正常运转时一相对地电容电流的三倍，为容性电流。22中性点不接地方式-单相接地电流电网模型：假设电网三相对称，忽略电网对地绝缘电阻，只思索电网对地电容。电网正常时：三相电压对称，三相经对地电容流入大地的电流相量和为零，即没有电流在地中流动。各相对地电压等于相电压。发生单相接地时，接地相对地电压为零，而非缺点相对地电压变为线电压。因此容易呵斥两相短路。单相接地电流23单相接地缺点对电网的影响单相接地时，由于线电压坚持不变，使负荷电流不变，电力用户能继续任务，提高了供电可靠性。由于接地点的电弧或者由此产生的过电压能够引起缺点扩展，开展成为多相接地缺点。非缺点相电压升高到线电压，所以在这种系统中，电气设备和线路的对地绝缘应按能接受线电压思索设计，从而相应地添加了投资。在中性点不接地系统中，应装设交流绝缘监察安装，当发生单相接地缺点时，立刻发出信号。规程规定：系统发生单相接地时，继续运转的时间不得超越2h，并要加强监视。24由于煤矿井下巷道狭窄，空气潮湿，电气设备和电缆的绝缘容易受潮，电缆也能够蒙受零落的岩石和煤块砸坏，甚至被挪动的机器设备等挤压。从而呵斥漏电和接地事故。据有关的统计资料记载，在此情况下，80%以上的电气短路缺点都属于单相漏电和接地事故。单相漏电和接地缺点，有能够带来宏大的危害，如引起人身触电，瓦斯煤尘爆炸和电气雷管先期迸发事故，对通讯、控制线路产生电磁干扰。此外，单相间歇性电弧接地还有能够产生过电压。线路对地电容与电感元件之间也有能够引起铁磁谐振过电压，使那些绝缘薄弱环节相继击穿。同时，单相接地电弧又能够进一步烧坏相间绝缘。一切这些都有能够呵斥相间短路，引起电缆放炮或电气设备烧毁等严重事故。单相接地对煤矿的危害25适用范围单相接地电流与电网电压和电网对地电容有关。对于短间隔、电压较低的输电线路，因对地电容小，接地电流小，瞬时性缺点往往能自动消除，故对电网的危害小，对通讯线路的干扰小。对于高压、长间隔输电线路，单相接地电流普通较大，在接地处容易发生电弧周期性的熄灭与重燃，出现间歇电弧，引起电网产生高频振荡，构成过电压，能够击穿设备绝缘，呵斥短路缺点。为了防止发生间歇电弧，要求6-10kV电网单相接地电流小于20A。因此，中性点不接地方式电缆供电间隔比较长的煤矿不适宜。26<煤矿平安规程>第457条规定：矿井高压电网，必需采取措施限制单相接地电容电流不超越20A。地面变电所和井下中央变电所的高压馈电线上，必需装设有选择性的单相接地维护安装；供挪动变电站的高压馈电线上，必需装设有选择性的动作于跳闸的单相接地维护安装。27中性点不接地的高压电网，接地电流主要成分为电容电流，而矿井电网供电主要采用电缆线路，其对地电容大，呵斥单相接地电流大。单相接地电流过大能够引起电气火灾和电雷管超前引爆等事故；规程规定接地网上任一维护接地点的接地电阻值不得超越2欧姆，为保证在发生单相接地缺点时产生的接地电压不超越平安电压系列的最高值42V，那么单相接地电流应限制在21A以下，故规程规定高压电网的单相接地电容电流不超越20A；457条规定的含义28电网对地电容电流的丈量直接接地丈量很危险，对电网有冲击和损坏。经电容接地丈量也较危险，电容需求最后放电。丈量方法：停电后在某一相并入电容并接地，送电后丈量电容电压U2，知电网相电压U1和并联电容C1，电网电容C=C1*(U1-U2)/U2。经电阻接地比较平安，丈量也很准确。方法是首先使一出线停电，然后将某一相经电阻接地，最后送电。丈量电网中性点对地电压和流过电阻的电流，根据公式算出电网对地电容电流。293单相接地电容电流的治理限制单相接地电容电流的方法主要有：改动系统运转方式减少系统规模改动中性点接地方式采用接地分流安装30改动系统运转方式：该方法普通将系统运转方式由并列运转改为分列运转，相当于将6kV大系统分为2个或多个小系统，普通适用于电网规模不大，且从经济上思索具备分列运转条件的系统。减少系统规模：该方法采用6kV隔离变压器，将6kV大系统从根本上分隔为多个接地小系统，该方法由于采用6kV隔离变压器，造价较高，损耗加大，且系统的运转方式不灵敏，同时会呵斥系统构造复杂化。治理方法综述31采用接地分流安装：接地分流安装从严厉意义上讲并非一种完善的治理方案，它的主要作用仅是在发生单相电弧接地时，利用并联分流原理，将不可控的接地点变为实接地点，使缺点接地点的电弧熄灭，但系统单相接地电容电流值并未减小；分流安装对系统发生金属性接地不起作用，对电容电流危害的治理仅起到部分作用；因此该方法不符合<煤矿平安规程>要求，同时该方法平安性较差，不建议采用。治理方法综述32治理方法综述不符合<煤炭平安规程>的要求；接地点的电流很难控制在治理要求到达的残流5A以下；选线困难；对抑制间歇性电弧接地过电压效果差会使非缺点相电压无论在发生何种接地缺点时都上升为线电压，对电缆绝缘构成要挟；接地分流安装鉴相错误时，容易呵斥事故扩展。33治理方法综述改动中性点接地方式：即将中性点不接地系统改造为中性点经消弧线圈接地系统，利用消弧线圈产生的电感电流抵消系统的单相接地电容电流，从根本上使接地缺点点的接地电流减小。随着技术的开展，目前自动跟踪补偿消弧线圈技术曾经成熟，将中性点接地方式由中性点不接地改造为中性点经消弧线圈接地是治理电容电流超标的最有效处理方法。344中性点经消弧线圈接地原理：单相接地电流主要是电容电流。假设可以在发生单相接地时部分或全部抵消掉电容电流，那么单相接地电流将大减小。方法就是在中性点处参与消弧线圈。消弧线圈的任务原理：消弧线圈是一个具有铁芯的可调电感线圈，线圈的电阻很小〔耗费功率小〕，电抗很大〔保证对地绝缘程度〕，电抗值可用改动线圈的匝数来调理。发生单相接地缺点时，经过消弧线圈使接地处流过一个与容性接地电流相反的感性电流，从而减小、甚至抵消接地电流，消除接地电弧引发的问题，提高供电可靠性。35中性点经消弧线圈接地情况36中性点经消弧线圈接地时电流向量图电容接地电流消弧线圈流过的电流完全补偿的条件即有：37消弧线圈的补偿方式完全补偿消弧线圈提供的电感电流等于接地电容电流，接地处电流为0。易满足谐振条件，构成串联谐振，产生过电压。欠补偿电感电流小于接地电容电流，单相接地时接地电流为容性。因线路停电或系统频率降低等缘由使接地电流减少，能够出现完全补偿。故普通也不采用。过补偿电感电流大于接地电流，单相接地电流为感性。过补偿方式在电网中得到广泛运用。但过补偿程度要适宜.自动跟踪补偿单片机或微机控制38中性点经消弧线圈接地系统的适用范围中性点经消弧线圈接地系统与不接地系统同样有着在发生单相接地缺点时，可继续供电2小时，提高供电可靠性.电气设备和线路的对地绝缘应按线电压思索.中性点经消弧线圈接地后，能有效地减少单相接地缺点时接地处的电流，迅速熄灭接地处电弧，防止间歇性电弧接地时所产生的过电压，故广泛运用在不适宜采用中性点不接地的3-35kV系统。39自动跟踪补偿的消弧线圈可以实时跟踪电网系统单相接地电容电流变化情况，调理出不同的感性电流进展补偿，高压电网单相接地电流主要是电容电流，因此可使缺点点的单相接地电流减小到最小。自动跟踪补偿消弧线圈原理40单相接地电流的计算：41中性点经消弧线圈接地系统发生单相接地缺点时如上页图所示(A相接地)，图中L为消弧线圈电感，r1、r2、r3分别表示各相对地的分布绝缘电阻，C1、C2、C3分别表示各相对地的分布电容；仍设r1＝r2＝r3＝r，C1＝C2＝C3＝C，由前面的分析可知电网的单相接地电流为：从上式中可以看出：当电网中性点经消弧线圈接地后，单相接地电流将大大降低，特别是当IL=IC时，单相接地电流IC仅为很小的有功电流Ir。可以看出，消弧线圈仅在电网发生接地缺点时起作用。因当电网中无接地缺点正常运转时，电网中性点对地电位接近于零，消弧线圈中自然就不会有电感电流IL流过。故此时与中性点不接地系统的正常运转情况类似。42为了讨论问题的方便，引入运用消弧线圈时的两个参数：〔a〕消弧线圈补偿形状的脱谐度υ，定义为〔b〕电网的阻尼率d，定义为电网的单相接地电流有功分量与单相接地电容电流之比，即：可见，在忽略消弧线圈电阻影响的情况下，补偿电网的阻尼率与中性点不接地系一致样。43根据前面分析，可知：(1)当υ＝0，称消弧线圈处于全补偿形状，此时Ic=IL；IE最小，全部为电阻性电流。(2)当υ＞0，称消弧线圈处于欠补偿形状，此时Ic>IL；IE以电容性为主。(3)当υ＜0，称消弧线圈处于过补偿形状，此时Ic<IL；IE为感性电流。中性点经消弧线圈接地系统的接地电流、电压相量图(a)全补偿；(b)欠补偿；(c)过补偿；44自动跟踪补偿消弧线圈分类按调理原理：预调式：是指电网无接地缺点情况下，消弧线圈预先自动调谐到合理补偿位置。普通需加装阻尼电阻，以保证中性点位移电压不大于额定相电压的15％。随调式：是指电网无接地缺点情况下，消弧线圈处于欠补偿形状，在电网发生单相接地缺点时，消弧线圈自动调谐到合理补偿位置。不需阻尼电阻，但接地瞬间无法到达全补偿。按调理方法：有档调理：调理精度低，残流大，普通有调匝式、调容式。无级调理：调理精度高，残流小，普通有调感式、偏磁式。45常用的自动跟踪补偿消弧线圈方式：调匝式调气隙式〔动铁式〕偏磁式〔直流助磁式〕磁阀式调容式调感式461、问题的提出<煤矿平安规程>第457条规定：地面变电所和井下中央变电所的高压馈电线上，必需装设有选择性的单相接地维护安装；供挪动变电站的高压馈电线上，必需装设有选择性的动作于跳闸的单相接地维护安装。井下低压馈电线必需装设检漏维护安装或有选择性的漏电维护安装，保证自动切断漏电的馈电线路。二选择性漏电维护472、单相接地分析首先分析一下电网发生单相接地〔包括直接接地和经一过渡电阻接地〕缺点时，电网零序电压及零序电流的分布情况。48中性点不接地电网发生单相经电阻接地等效电路如上页图所示，由于A相对地经电阻RE接地〔RE=0为直接接地〕，破坏了原电网对地阻抗的对称性，使电源的中性点对地电压不再为零，假设中性点对地电压为UN，并忽略线路的阻抗，那么电网每相对地电压为：经过每相对地电容C和接地电阻RE的电流之和为零，即：根据对称分量法的原理，实践上UN就是零序电压U0，那么：49由于只需零序电流可以流入大地，和接地缺点点构成回路，总的零序电流之和就等于流过接地电阻的电流IE，方向相反。上页图是将电网一切支路的对地电容用集中的电容表示，而我们更关怀的是每条支路零序电流及其方向，以下图为电网发生单相接地缺点时的零序等效电路。50单相接地缺点时的零序等效网络及其相量图a)零序等效网络b)相量图51从图中可以看出，流过缺点支路零序电流互感器〔LH1〕的零序电流是一切非缺点支路零序电流之和，方向是由支路指向母线，流过非缺点支路零序电流互感器〔LH2、LH3〕的零序电流就是本支路的零序电流，方向是由母线指向支路。52目前6～10kV电网的接地维护多采用零序电流、零序无功功率方向等的维护原理。其中零序电流原理是基于缺点线路零序电流大于非缺点线路零序电流的特点，区分出缺点和非缺点元件，从而构成接地维护。零序无功功率方向原理是利用缺点线路零序电流〔线路流向母线〕滞后零序电压90、非缺点线路零序电流〔母线流向线路〕超前零序电压90的特点来实现。由于这一原理对零序电流的大小要求降低，使之在实践电网中得到广泛运用，但其对零序电流互感器的角特性要求较高。0053对中性点不接地电网的，显然，经过零序电流的大小和方向是很容易区分缺点支路和非缺点支路的，即流过缺点支路零序电流互感器的零序电流大于流过非缺点支路零序电流互感器的零序电流，方向正好相反。中性点经消弧线圈接地的电网发生单相接地缺点，就相当于流过缺点支路零序电流互感器的零序电流中添加了一电感性电流，方向由支路指向母线，其矢量关系〔过补偿〕如以下图所示。54从矢量图可看出，由于消弧线圈电感电流的参与，使流过缺点支路零序电流互感器的电流性量变得不确定。即此时流过缺点支路零序电流互感器的电流由原来的电容性电流变成：电感性电流〔过补偿〕或者电容性电流但幅值减小〔欠补偿〕或者电阻性电流〔即非缺点支路对地绝缘电阻电流之和，全补偿〕。显然，用前面的零序电流原理、零序电流功率方向原理来区别缺点支路与非缺点支路是不行的，给接地维护带来困难。553、其他类型的接地维护原理〔1〕首半波维护原理处理中性点经消弧线圈接地电网的接地维护问题，可利用接地缺点发生瞬间的暂态电流来实现接地维护，即首半波原理。该原理是基于接地缺点发生在相电压接近最大值瞬间这一假设而提出的。当相电压接近最大值时，假设发生接地缺点，那么缺点相电容经过缺点线路向缺点点放电，缺点线路电感和分布电容使电流具有衰减振荡性。对于中性点经消弧线圈接地系统，由于暂态电感电流的最大值应出如今接地缺点发生在相电压经过零值的瞬间，而接地缺点发生在相电压接近最大值瞬间时，消弧线圈中的暂态电感电流接近于零，其过渡过程与中性点不接地系统的近似一样，故可利用缺点线路中缺点后暂态零序电流第一个周期的首半波与非缺点线路相反的特点实现选择性维护。56从上述此原理的任务特点可知，根据首半波维护原理任务的接地选线安装，显然不能反映相电压较低(非峰值)时的接地缺点，且受接地缺点点过渡电阻影响较大，同时也存在任务死区。加上不同的电网构造，时间常数各不一样，接地暂态过程的振荡频率等特性也必然不同，从而使首半波的时间宽度各不一样。因此，利用此原理构成的维护安装，其适用范围遭到限制。此类安装的现场运转也证明，其选择性能较差，目前曾经很少运用。57〔2〕谐波电流方向维护原理处理中性点经消弧线圈接地电网的接地维护问题，另一种方法是采用高次谐波零序电流方向的维护原理。由于电网电源电压中不仅有基波，而且存在一定的高次谐波，对高次谐波来讲，消弧线圈的感抗将添加，电网对地电容的容抗