《矿山电工学》万字笔记

《矿山电工学》万字笔记第一章：绪论（一）矿山供电在矿业生产中的地位和作用矿业生产是一个复杂且综合性强的工业活动，矿山供电在其中扮演着至关重要的角色。它犹如矿业生产的“命脉”，贯穿于整个生产流程的各个环节。在矿山开采过程中，从井下的采掘设备到地面的选矿厂、运输系统等都离不开电力供应。例如，井下的采煤机、掘进机等大型设备，需要强大而稳定的电力来驱动，以保证煤炭的高效开采。如果供电出现问题，这些设备将无法正常工作，直接导致生产停滞。对于露天矿山而言，穿孔、装载、运输等设备也依赖电力，一旦供电中断，会造成巨大的经济损失和生产延误。矿山的通风系统对于保障井下作业人员的生命安全和良好的作业环境至关重要。通风机需要持续稳定的电力来运行，以排出井下的瓦斯等有害气体，维持合适的空气成分和温度。排水系统同样如此，为了防止井下积水淹没巷道和设备，排水泵必须依靠可靠的供电来正常工作。（二）矿山供电的特点与要求1.特点

环境复杂：矿山环境包括井下和地面两部分。井下环境恶劣，存在瓦斯、煤尘等易燃易爆物质，同时湿度大、空间狭窄且巷道纵横交错。这种特殊环境对电气设备和供电线路的安全性能提出了极高要求。例如，电气设备必须具备防爆性能，以防止因电火花等引发瓦斯爆炸。地面部分则可能面临恶劣的气候条件，如露天矿山的高温、暴雨、雷电等，这些都会对供电系统产生影响。负荷变化大：矿山生产过程中，不同阶段的负荷差异明显。在采掘设备集中作业时，负荷会急剧增加，而在设备检修或交接班期间，负荷则会大幅下降。例如，采煤工作面的采煤机、刮板输送机等同时启动时，会产生较大的启动电流，对电网冲击较大。供电距离长：尤其是对于一些大型地下矿山，供电线路需要从地面变电站延伸到井下各个采区、工作面，供电距离可能长达数公里甚至更远。这就导致了线路电压降问题较为突出，需要合理选择电缆截面和供电方式来保证末端电压满足设备正常运行的要求。2.要求

安全性：这是矿山供电的首要要求。必须采取一系列措施确保供电系统在复杂的矿山环境下安全运行，防止因电气故障引发瓦斯爆炸、火灾等事故。如严格的电气设备防爆标准、完善的接地和漏电保护措施等。可靠性：矿山生产连续性强，要求供电系统具有高度的可靠性。应采用双回路供电、备用电源等方式，减少停电次数和停电时间。例如，对于重要的通风、排水设备，要有可靠的备用电源，当主电源故障时能迅速切换，保证设备不停机。质量性：供电质量包括电压、频率和波形等方面。电压波动不能超过规定范围，否则会影响电气设备的性能和寿命。例如，过高的电压可能会损坏电气设备的绝缘，过低的电压则可能导致电机无法正常启动或运行。频率的稳定对于异步电机等设备的正常运行也非常关键，而波形畸变会增加设备的损耗和产生谐波干扰。（三）矿山电工学的研究内容与学习方法1.研究内容

矿山供电系统的分析与设计：包括矿山电力负荷计算、短路电流计算、供电系统图的绘制与选型等。例如，通过精确的负荷计算确定矿山所需的供电容量，为变电站、变压器等设备的选型提供依据。短路电流计算则有助于选择合适的电气设备和继电保护装置，确保在短路故障发生时能快速、准确地切断故障电路，保护设备和人员安全。矿山电气设备的原理与应用：研究矿山常用电气设备，如变压器、开关电器、电动机等的工作原理、性能特点和在矿山特殊环境下的应用。了解不同类型电气设备的适用范围，如在井下高瓦斯环境中应选用隔爆型电气设备，对于大功率、长距离拖动的设备可能需要选用高压电机等。矿山供电的安全与保护技术：涵盖防雷、接地、继电保护、漏电保护等内容。例如，防雷保护措施可以防止雷电过电压对供电系统造成损害，接地系统则能保障电气设备和人员的安全，继电保护装置能在故障发生时及时动作，避免事故扩大。同时，井下的漏电保护对于防止人员触电和瓦斯爆炸等事故具有重要意义。矿山特殊设备的电力拖动与控制：针对矿山的提升机、通风机、排水设备等重要设备，研究其电力拖动方式和控制策略。如提升机的速度控制和制动控制对于保证提升过程的安全和高效至关重要，通风机的风量调节和节能控制可以满足井下通风需求并降低能耗，排水设备的自动化控制能实现根据水位自动启停水泵，提高排水效率。2.学习方法

理论联系实际：矿山电工学是一门实践性很强的学科。在学习过程中，要结合矿山现场的实际情况，了解电气设备的安装、运行和维护过程。例如，可以通过参观矿山变电站、井下电气设备等，将所学的理论知识与实际的供电系统和设备相结合，加深理解。系统学习与重点突破：这门学科内容丰富，各部分之间相互关联。要先对整个知识体系有一个全面的了解，建立起系统的知识框架。然后针对重点和难点内容，如短路电流计算、继电保护整定等，进行深入学习和反复练习，掌握其原理和方法。多学科融合学习：矿山电工学涉及到电学、力学、热学等多个学科的知识。在学习过程中，要善于将不同学科的知识融会贯通。例如，在研究电气设备的发热问题时，需要运用热学知识；在分析提升机等设备的机械特性和电力拖动关系时，要结合力学知识。矿山供电相关要素详细说明在矿业生产中的地位是矿业生产各个环节的关键，如驱动井下采掘设备、保障通风排水系统运行等供电特点-环境复杂井下存在瓦斯、煤尘、湿度大、空间狭窄；地面有恶劣气候条件，影响电气设备和线路供电特点-负荷变化大采掘作业时负荷高，检修交接班时负荷低，启动电流对电网冲击大供电特点-供电距离长地下矿山供电线路长，易出现电压降问题，需合理选型电缆和供电方式供电要求-安全性采取防爆、接地、漏电保护等措施防止事故供电要求-可靠性双回路供电、备用电源保障连续生产，重要设备不停机供电要求-质量性电压、频率、波形需稳定，保证设备性能和寿命研究内容-供电系统分析设计负荷、短路电流计算，供电系统图绘制选型，为设备选型提供依据研究内容-电气设备原理应用变压器、开关电器、电动机等原理、特点及在矿山环境应用研究内容-安全保护技术防雷、接地、继电保护、漏电保护防止损害和事故研究内容-特殊设备电力拖动控制提升机、通风机、排水设备的拖动和控制策略学习方法-理论联系实际结合矿山现场，参观变电站、井下设备加深理解学习方法-系统学习重点突破建立知识框架，深入学习重点难点内容学习方法-多学科融合学习融合电学、力学、热学等知识理解相关问题第二章：矿山供电系统（一）电力系统概述1.电力系统的组成电力系统是一个庞大而复杂的能量转换和传输网络，它主要由发电厂、变电站、输电线路、配电线路和用户等部分组成。

发电厂：是电力系统的电源，通过各种能源转换方式将其他形式的能源转化为电能。例如，火力发电厂利用煤炭等燃料燃烧产生热能，驱动汽轮机转动，进而带动发电机发电；水力发电厂则是利用水流的能量推动水轮机，使发电机产生电能。不同类型的发电厂具有不同的特点，其输出的电能参数（如电压、频率等）需要满足一定的标准。变电站：其作用是对电压进行变换、分配和控制。变电站内有变压器、开关设备、互感器等电气设备。变压器是变电站的核心设备之一，它可以将发电厂输出的高电压降低到适合输电或配电的电压等级，或者将输电电压升高以减少电能在传输过程中的损耗。例如，在电力系统中，常见的将220kV或500kV的高压输电电压通过变电站降压为110kV、35kV等电压等级用于区域供电。输电线路：用于将发电厂生产的电能输送到远方的用电地区。输电线路根据电压等级和传输距离的不同，可以分为不同的类型，如高压输电线路（110kV及以上）和超高压输电线路（330kV、500kV等）。输电线路通常采用架空线或地下电缆的形式，架空线具有成本低、散热好等优点，但受环境影响较大；地下电缆则具有占地少、美观等优点，但成本较高且维护相对复杂。配电线路：将输电线路输送来的电能分配到各个用户。配电线路的电压等级一般较低，如10kV、6kV、0.4kV等。它将电能从变电站输送到工厂、矿山、居民区等用户端，通过配电变压器进一步将电压降低到适合用户设备使用的电压等级。用户：是电力系统的终端，包括工业用户、商业用户、居民用户等。矿山作为工业用户，对电力系统有特殊的要求，其用电设备种类繁多，负荷特性复杂，需要可靠、稳定的电力供应。2.电力系统的运行特点

电能生产与消费的同时性：电能的生产、输送和消费是在同一瞬间完成的。这就要求电力系统中的发电、供电和用电环节必须保持高度的协调和平衡。例如，如果发电功率不足，会导致系统电压下降、频率降低，影响用户设备的正常运行；反之，如果发电功率过剩，会造成电能浪费和设备过载等问题。电力系统的暂态过程非常迅速：当电力系统发生故障或受到扰动时，如短路、雷击等，电压、电流等电气量会在极短的时间内发生剧烈变化。这些暂态过程可能在几毫秒到几秒内完成，需要快速、准确的保护装置和控制措施来保证系统的安全稳定运行。例如，继电保护装置必须在短路发生后的几个周波内动作，切断故障电路，防止故障扩大。电力系统的整体性和关联性强：电力系统中的各个部分相互关联、相互影响。一个局部的故障可能会波及整个系统，导致大面积停电等严重后果。例如，一条输电线路的故障可能会引起与其相连的变电站、发电厂等设备的运行异常，进而影响到其他供电区域。因此，在电力系统的运行和管理中，需要从整体的角度进行考虑和规划。（二）矿山供电系统的组成与类型1.组成

地面供电部分：矿山地面变电站：它是矿山供电的枢纽，接受来自电力系统的电能，并将其进行电压变换和分配。地面变电站通常有两路或以上的进线，以保证供电的可靠性。站内的主要设备包括主变压器、断路器、隔离开关、互感器、避雷器等。主变压器将进线电压（如110kV、35kV等）降压为适合矿山地面和井下供电的电压等级（如6kV、10kV等）。地面配电线路：将地面变电站输出的电能分配到矿山的各个地面设施，如选矿厂、机修厂、办公楼等。地面配电线路一般采用架空线或电缆，根据不同的用电设备和区域，电压等级有所不同。例如，对于大型的选矿设备可能采用6kV或10kV的电压供电，而对于办公楼等生活设施则采用0.4kV的电压供电。井下供电部分：井下中央变电所：位于井下井筒附近，接受来自地面变电站的电能，并向井下各个采区变电所供电。井下中央变电所内的设备要适应井下特殊环境，具有防爆、防潮等性能。它通常采用高压（如6kV、10kV）进线，通过变压器将电压降低到适合采区供电的电压等级（如1140V、660V等）。采区变电所：设置在各个采区附近，将井下中央变电所送来的电能进一步分配到采区内的采掘工作面、运输设备等用电设备。采区变电所内有变压器、高压开关柜、低压开关柜等设备，其供电电压根据采区设备的要求而定，一般为1140V、660V或380V等。井下电缆：用于连接井下各个变电所和用电设备，是井下供电的重要组成部分。井下电缆需要具有良好的绝缘性能、阻燃性能和抗机械损伤能力，以适应井下复杂的环境。电缆的选型要根据其电压等级、载流量、敷设环境等因素来确定。2.类型

深井供电系统：适用于开采深度较大的矿山。这种供电系统一般采用多级供电方式，从地面变电站通过井筒将高压电能送到井下中央变电所，再经过采区变电所逐步降压后供给用电设备。其特点是供电距离长、电压等级多，需要考虑的电压降和供电可靠性问题较为复杂。例如，对于一些深度超过1000米的煤矿，可能需要采用10kV甚至更高电压的供电方式，以减少线路损耗。浅井供电系统：对于开采深度较浅的矿山，供电系统相对简单。可以直接从地面变电站通过低压线路或经过简单的降压后向井下供电。浅井供电系统的电压等级较低，设备相对较少，但也需要满足井下供电的安全要求。例如，一些小型露天转地下开采的矿山，开采深度在几百米以内，可能采用6kV或380V的供电方式。（三）矿山供电系统图的绘制与识读1.绘制要求准确性：供电系统图必须准确反映矿山供电系统的实际组成、连接关系和电气设备的参数。在绘制过程中，要对矿山的供电线路、变电所位置、设备型号等信息进行详细的收集和整理。例如，绘制井下供电系统图时，要准确标注采区变电所与井下中央变电所之间的电缆型号、长度和连接方式，以及变电所内变压器、开关柜等设备的规格。规范性：遵循相关的电气制图标准。例如，电气设备的图形符号和文字符号要符合国家标准规定，不同电压等级的线路要用不同的线条或颜色来表示，便于区分。同时，对于设备的标注要清晰明了，包括设备名称、型号、容量、电压等重要信息。完整性：应包含矿山供电系统的所有关键部分，从地面变电站到井下的各个用电设备。不能遗漏重要的线路、设备或保护装置等。例如，要在图中体现出接地系统、继电保护装置的安装位置和连接关系，使整个供电系统图能够完整地展示供电的流程和安全保护措施。2.识读方法

从整体到局部：首先了解矿山供电系统的整体架构，确定电源的来源、供电的范围和主要的变电所、线路等。例如，观察供电系统图时，先找到地面变电站的进线和出线，了解电能是如何从电力系统引入矿山，然后再看它向哪些区域供电，如地面和井下的哪些部分。识别电气设备和线路：根据图形符号和文字符号识别图中的各种电气设备，如变压器、开关、电缆等，并了解它们的参数和功能。同时，关注线路的走向、电压等级和连接关系，判断电能的传输路径。例如，看到变压器的符号，要查看其标注的电压比、容量等参数，确定它在供电系统中的作用，对于线路要注意其标注的电压和连接的设备。分析保护和控制环节：查看图中所示的继电保护装置、接地系统等保护和控制环节的位置和连接方式，理解它们是如何保障供电系统的安全和稳定运行的。例如，了解某个开关设备上的继电保护装置是如何检测故障电流并实现跳闸保护的，以及接地系统是如何防止电气设备漏电危害的。第三章：矿山电力负荷计算（一）电力负荷的分类与计算意义1.分类

按工作制分类：连续工作制负荷：这类负荷在长时间内持续运行，负荷基本保持不变。例如，矿山的通风机、排水泵等设备，它们需要持续稳定地运行，以保证井下的通风和排水功能。通风机在整个生产过程中几乎不间断工作，其负荷特性是连续的，对供电的可靠性要求极高，因为一旦停电可能会导致井下瓦斯积聚等严重后果。排水泵在井下水位达到一定高度时启动，运行时间也较长，需要可靠的电力供应来防止井下积水。短时工作制负荷：负荷工作时间短，停歇时间长。例如，矿山的一些检修设备，如起重机等，在设备检修期间使用，工作时间较短，通常在完成检修任务后就停止运行。这类负荷对供电系统的冲击相对较小，但在其工作期间仍需要满足其功率要求。断续周期工作制负荷：工作和停歇周期性交替。如矿山的采煤机、掘进机等采掘设备，它们在采掘过程中是间歇性工作的。采煤机在割煤时负荷较大，在移架等辅助作业时负荷较小或停止工作；掘进机在掘进巷道时工作，在更换刀具等情况下停歇。这种负荷特性会对供电系统产生周期性的冲击，需要合理考虑其启动和运行电流对电网的影响。第四章：短路电流计算（一）短路的概念、原因和危害1.短路的概念短路是指电力系统正常运行情况以外的相与相之间或相与地（或中性线）之间的连接。在矿山供电系统中，短路可能发生在不同的位置，包括井下和地面的供电线路、变电所内等。例如，井下电缆因受到机械外力破坏导致绝缘损坏，使两根不同相的导线直接接触，这就是一种常见的相间短路情况；又如，电气设备的绝缘老化，导致某相导线与设备外壳（接地部分）相连，形成单相接地短路。2.短路的原因

绝缘损坏：这是短路的主要原因之一。矿山环境复杂，井下存在高湿度、瓦斯、煤尘等因素，地面可能有恶劣的气候条件和化学腐蚀等。这些因素会加速电气设备和电缆绝缘的老化和损坏。例如，井下电缆长期处于潮湿环境中，水分可能渗透到电缆内部，降低绝缘性能，最终导致绝缘击穿引发短路。误操作：包括人员在操作电气设备时的失误。例如，在检修后恢复供电时，误将不同相的开关合闸，使不同相的电路直接连通，从而造成短路。此外，在进行倒闸操作时，如果操作顺序错误，也可能引发短路事故。鸟兽害：在矿山的地面供电线路中，鸟类或其他小动物可能会接触到裸露的导线或造成导线之间的短接。比如，鸟类在电杆上筑巢时，可能会叼来一些导电物体，使线路发生短路。自然灾害：雷电、暴雨、洪水等自然灾害也可能导致短路。雷电过电压可能会击穿电气设备的绝缘，暴雨可能使地面供电设施浸水，洪水可能冲毁地下电缆等，从而引发短路故障。3.短路的危害对电气设备的危害：短路电流会产生巨大的电动力和热量。在电动力方面，由于短路电流很大，作用在电气设备的载流部分上会产生强大的机械应力，可能使设备的导体变形、损坏。例如，短路时开关柜内的母线可能会因电动力而弯曲，导致相间或相对地距离减小，进一步加剧短路故障。在热量方面，短路电流通过电气设备时，会在短时间内产生大量的热量，使设备的温度急剧升高，可能会烧毁设备的绝缘和导体。对于变压器来说，短路电流产生的热量可能会破坏其绕组的绝缘，导致变压器损坏。对供电系统的危害：短路会引起电压大幅下降，影响整个供电系统的正常运行。靠近短路点的电压会降得很低，可能导致该区域的用电设备无法正常工作。例如，井下某采区发生短路故障时，该采区内的采煤机、刮板输送机等设备可能因电压过低而停机，影响采煤作业。同时，短路故障还可能破坏整个供电系统的稳定性，引发其他部分的电压波动和频率变化，如果不及时切除故障，可能会导致大面积停电。对人员安全的危害：短路可能引发电气火灾和爆炸等事故，危及人员生命安全。特别是在井下存在瓦斯、煤尘等易燃易爆环境中，短路产生的电火花可能会点燃瓦斯或煤尘，造成严重的爆炸事故，给井下作业人员带来巨大的生命威胁。短路相关信息详情概念电力系统正常运行外的相与相、相与地（或中性线）连接原因-绝缘损坏矿山复杂环境（湿度、瓦斯、腐蚀等）致绝缘老化损坏原因-误操作人员操作失误（合闸错误、倒闸顺序错）引发短路原因-鸟兽害鸟类等接触或短接地面供电线路导致短路原因-自然灾害雷电、暴雨、洪水等破坏绝缘或线路引发短路危害-对电气设备电动力使导体变形、热量烧毁绝缘和导体危害-对供电系统电压大幅下降致设备停机、破坏系统稳定性危害-对人员安全可能引发电气火灾、爆炸等危及人员生命（二）短路电流计算的基本原理和方法（欧姆法、标幺制法）1.欧姆法基本原理：欧姆法是根据电路的欧姆定律来计算短路电流。在计算时，将供电系统简化为等效电路，把电源电动势、系统阻抗（包括电源内阻、线路阻抗、变压器阻抗等）都用欧姆值表示。对于简单的供电系统，如只有一个电源和单一线路的情况，可以直接应用欧姆定律

（其中

为短路电流，为电源电动势，为总阻抗）来计算短路电流。例如，在一个小型矿山的地面供电系统中，电源电压为10kV，线路阻抗为

，变压器阻抗为

，电源内阻忽略不计，那么短路电流

（这里电压单位换算为V）。计算步骤：绘制等效电路图：根据矿山供电系统的实际情况，画出等效电路，标注出各个元件的参数，如电阻、电抗值。例如，对于井下供电系统，要把从地面变电站到井下短路点之间的电缆电阻、电抗，以及井下变压器的阻抗等都准确标注在等效电路图上。计算各元件的阻抗：对于不同的元件，其阻抗计算方法不同。线路的阻抗可以根据线路的长度、导线材料和截面积等参数来计算。例如，对于长度为

、单位长度电阻为

、单位长度电抗为

的电缆，其电阻

，电抗

。变压器的阻抗通常由厂家提供或通过短路试验获得，也可以根据变压器的容量、电压比等参数进行估算。计算总阻抗：将等效电路中各个元件的阻抗按照串联或并联的关系进行计算，得到短路点的总阻抗。对于串联元件，总阻抗等于各元件阻抗之和；对于并联元件，需要根据并联阻抗计算公式进行计算。计算短路电流：根据欧姆定律计算短路电流的有效值、冲击值等。短路电流的冲击值对于电气设备的动稳定校验非常重要，它考虑了短路电流中非周期分量的影响，一般比有效值大。2.标幺制法

基本原理：标幺制法是一种相对值的计算方法。它将各个电气量都用相对值（标幺值）表示，以简化计算过程。标幺值是实际值与基准值的比值。在短路电流计算中，通常选取基准容量

和基准电压

，然后根据电路原理计算出其他电气量（如电流、阻抗等）的基准值。例如，电流的基准值

，阻抗的基准值

。在计算短路电流时，先将系统中各个元件的阻抗用标幺值表示，然后根据等效电路计算出短路点的总阻抗标幺值，最后再根据基准值和总阻抗标幺值计算出短路电流的实际值。计算步骤：选择基准值：一般选择基准容量

为一个固定值，如100MVA，基准电压

通常取各级的额定电压或平均额定电压。例如，对于10kV电压等级，可以选取

。计算各元件阻抗的标幺值：对于发电机、变压器等元件，其阻抗标幺值可以根据其额定参数和基准值进行计算。例如，变压器的阻抗标幺值

（其中

是变压器的短路电压百分数，是变压器的额定容量）。对于线路，其阻抗标幺值可以根据线路的实际阻抗和基准阻抗计算，即

。绘制标幺值等效电路图：将系统中各个元件用其阻抗标幺值表示，画出等效电路图，与欧姆法类似，但这里的数值都是标幺值。计算总阻抗标幺值：按照等效电路中元件的连接关系计算短路点的总阻抗标幺值。计算短路电流实际值：根据总阻抗标幺值和基准值计算短路电流的有效值、冲击值等。例如，短路电流有效值

（其中

是短路点总阻抗标幺值）。（三）短路电流对电气设备和系统的影响1.对电气设备热稳定的影响短路电流在通过电气设备时会产生大量热量，这就涉及到电气设备的热稳定问题。电气设备在短路电流作用下的发热应不超过其允许的温度极限，否则会损坏设备的绝缘和导体。不同类型的电气设备有不同的热稳定校验方法。例如，对于断路器，需要根据短路电流的热效应来校验其触头和导电部分的热稳定。计算短路电流的热效应可以采用等效发热时间法，将短路电流产生的热量等效为一个恒定电流在一定时间内产生的热量。如果设备在短路过程中的发热量超过了其所能承受的限度，绝缘材料可能会加速老化、碳化，导体可能会因过热而变软、变形，严重影响设备的性能和寿命，甚至导致设备直接损坏，无法正常工作。2.对电气设备动稳定的影响短路电流产生的巨大电动力会对电气设备的机械结构产生影响，这就是动稳定问题。电气设备必须能够承受短路电流产生的电动力而不发生机械损坏。在短路瞬间，由于电流很大，电动力可能会使设备的导体、触头、绝缘子等部件发生变形、位移或损坏。例如，对于母线，短路电流产生的电动力可能会使其弯曲、扭曲，导致相间或相对地的距离发生变化，增加短路故障的风险。对于开关电器，电动力可能会使触头接触不良，产生电弧，进一步破坏设备。在设计和选择电气设备时，要根据短路电流的大小和可能产生的电动力来校验设备的动稳定性能，确保设备在短路情况下能够安全可靠地运行。3.对供电系统电压稳定性的影响短路会导致供电系统电压的急剧下降，这对整个供电系统的电压稳定性有很大影响。靠近短路点的电压下降幅度最大，可能会使该区域的用电设备无法正常运行。例如，井下某一采区发生短路时，该采区内的照明设备可能会因为电压过低而熄灭，影响井下作业的可视性；同时，采煤机、刮板输送机等动力设备可能会因电压不足而无法启动或运行不稳定，导致采煤作业中断。此外，电压的大幅下降还可能引起其他区域的电压波动，特别是在同一个供电网络中的其他设备可能会受到牵连。如果供电系统的电压调节能力不足，可能会导致大面积停电事故，影响矿山的正常生产。而且，电压的不稳定还可能对一些敏感的电子设备（如矿山监控系统中的电子元件）造成损坏，影响矿山的安全监控功能。4.对继电保护装置的影响短路电流是继电保护装置动作的重要信号，但短路电流的大小、持续时间和变化特性等会对继电保护装置的正确动作产生影响。继电保护装置需要准确、快速地检测到短路故障，并在合适的时间内切断故障电路，以保护电气设备和供电系统的安全。如果短路电流过大，可能会超出继电保护装置的测量范围，导致其误判或无法正常工作。例如，在某些情况下，短路电流中的非周期分量可能会使继电器的铁芯饱和，影响其动作特性。另外，如果短路电流的持续时间较短，而继电保护装置的动作时间过长，可能会导致故障不能及时切除，使故障范围扩大。因此，在设计和整定继电保护装置时，要充分考虑短路电流的各种特性，确保其能够可靠地应对短路故障。第五章：矿山电气设备（一）矿山常用电气设备的类型与特点（变压器、开关电器等）1.变压器类型：电力变压器：在矿山供电系统中广泛应用，用于改变电压等级，以满足不同用电设备的需求。根据其相数可分为单相变压器和三相变压器，矿山一般使用三相变压器。按照冷却方式，有油浸式变压器和干式变压器。油浸式变压器散热效果好，适用于大容量的地面变电站，但存在火灾隐患；干式变压器安全性高，适用于对防火要求较高的场所，如井下变电所。特种变压器：如矿用隔爆型移动变电站，它是一种可移动的供电设备，将高压电转换为适合井下采掘工作面等设备使用的低压电。这种变压器具有隔爆外壳，能在井下有瓦斯、煤尘爆炸危险的环境中安全运行，为采掘设备提供可靠的电力。特点：电压变换功能：变压器的主要作用是将输入电压按照一定的匝数比变换为输出电压。例如，在矿山地面变电站，将110kV或35kV的进线电压通过变压器降压为6kV、10kV等电压等级，供给井下或地面其他用电设备。能量传递效率高：优质的变压器具有较高的能量传递效率，减少电能在电压变换过程中的损耗。一般大型电力变压器的效率可以达到98%以上。绝缘性能要求高：特别是在矿山环境中，无论是地面的恶劣气候条件还是井下的特殊环境，变压器都需要良好的绝缘性能。对于井下使用的变压器，其绝缘要能承受井下的高湿度、瓦斯等因素的影响，防止发生绝缘击穿等故障。2.开关电器

类型：断路器：是一种能够在正常和故障情况下接通和断开电路的开关电器。在矿山供电系统中，常用的有真空断路器和六氟化硫断路器。真空断路器以真空作为灭弧介质，具有灭弧能力强、寿命长、维护简单等优点，适用于中压和高压系统；六氟化硫断路器利用六氟化硫气体灭弧，具有良好的绝缘性能和灭弧性能，常用于高压大容量的供电系统。隔离开关：主要用于隔离电源，保证检修安全。它不能带负荷操作，但在电路检修时，可以将需要检修的部分与带电部分隔离开。隔离开关的结构相对简单，有户内型和户外型之分，根据不同的电压等级和使用环境选择。负荷开关：能在正常情况下接通和断开负荷电流，但不能切断短路电流。负荷开关常与熔断器配合使用，在一些小型矿山的低压供电系统中应用较广，它可以实现对负荷的控制，同时在短路故障时由熔断器切断故障电流。特点：断路器的特点：具有完善的灭弧装置，能快速切断故障电流，保护电气设备和供电线路。例如，当井下发生短路故障时，断路器能够在几个周波内动作，切断短路电流，防止故障扩大。同时，断路器还具有过载保护、欠压保护等功能，可以根据设定的参数自动动作。隔离开关的特点：隔离开关的触头间有足够的绝缘距离，保证在断开状态下能承受电压。其操作机构简单可靠，但操作时必须严格按照操作规程进行，防止带负荷拉合隔离开关，造成电弧短路等事故。负荷开关的特点：负荷开关的结构相对紧凑，操作方便。它在接通和断开负荷电流时，触头间的电弧较小，对设备的冲击也较小。与熔断器配合使用时，可以充分发挥各自的优势，实现对供电系统的保护。3.其他电气设备互感器：包括电压互感器和电流互感器。电压互感器将高电压按比例变换为低电压，供测量、保护和计量使用；电流互感器将大电流变换为小电流，便于二次设备的测量和保护。在矿山供电系统中，它们是非常重要的测量和保护元件。例如，在继电保护装置中，通过电流互感器获取电流信号，来判断是否发生短路等故障。电动机：矿山中的电动机种类繁多，有用于驱动采煤机、掘进机等采掘设备的电动机，也有用于通风机、排水泵等固定设备的电动机。根据电源类型可分为直流电动机和交流电动机，交流电动机又分为异步电动机和同步电动机。异步电动机在矿山中应用最为广泛，它具有结构简单、成本低、可靠性高等优点。对于大功率的设备，如大型提升机，可能会使用直流电动机或同步电动机，以满足其调速和高转矩的要求。（二）电气设备的选择原则和方法（根据电压、电流、短路容量等）1.电压选择

基本原则：电气设备的额定电压应与所在供电系统的电压等级相匹配。例如，在6kV的井下供电线路中，所选用的变压器、开关电器等电气设备的额定电压应不低于6kV。如果电气设备的额定电压低于供电系统电压，可能会导致设备绝缘被击穿，引发电气故障。对于高压电气设备，其电压等级的选择更为严格，因为高压下绝缘问题更为突出。第六章：矿山电网的继电保护（一）继电保护的基本原理和要求1.基本原理继电保护的基本原理是利用被保护电气设备或线路在正常运行和故障状态下电气量（如电流、电压、阻抗等）的差异来实现对故障的检测和保护。例如，当线路发生短路故障时，电流会急剧增大，电压会急剧下降，继电保护装置通过检测这些变化来判断故障的发生。常见的继电保护原理包括过流保护、欠压保护、距离保护等。过流保护：基于故障时电流增大的原理。当通过被保护设备或线路的电流超过设定的动作电流值时，保护装置动作。例如，在井下采掘设备的供电线路中，如果电机发生短路故障，电流会远超正常运行电流，过流保护装置就会启动，切断电路，防止电机和线路因过大电流而损坏。欠压保护：当供电电压低于正常工作电压的一定比例时，保护装置动作。这对于一些对电压敏感的设备，如电子控制设备或某些需要稳定电压才能正常运行的电机非常重要。比如，当矿山供电系统出现电压跌落故障时，欠压保护可以避免设备在低电压下长时间运行而受损。距离保护：通过测量故障点到保护安装处的距离（反映为阻抗值）来判断故障。它利用电压和电流的比值来计算阻抗，当阻抗值小于设定值时，表示故障在保护范围内，保护装置动作。这种保护方式在复杂的矿山供电网络中，对于准确判断故障位置和快速切除故障具有重要意义。2.要求选择性：继电保护装置应能有选择地切除故障设备或线路，保证非故障部分继续正常运行。例如，在矿山供电系统中，当某一采区的支路发生短路故障时，该支路的继电保护装置应首先动作，将故障支路切除，而不影响其他正常采区的供电。这样可以最大限度地缩小故障停电范围，提高供电系统的可靠性。速动性：要求保护装置能快速切除故障，以减少故障对电气设备和供电系统的损害程度以及对生产的影响。对于井下的一些关键设备，如通风机、排水泵等，一旦发生故障，需要保护装置在极短的时间内（通常为几个周波）动作，防止故障扩大。因为通风机的长时间停机可能导致井下瓦斯积聚，排水泵故障不及时处理可能造成水淹巷道。灵敏性：保护装置对其保护范围内的故障和不正常运行状态的反应能力。它要求保护装置在规定的保护范围内，对各种故障类型（如相间短路、单相接地短路等）和不同的故障位置都能可靠地动作。例如，对于一条较长的井下供电电缆，无论短路故障发生在电缆的近端还是远端，保护装置都应该能够灵敏地检测到故障电流并准确动作。可靠性：保护装置在规定的条件下和规定的时间内，完成规定保护功能的能力。这包括保护装置本身的硬件可靠性和软件算法的正确性。保护装置不应误动作，即在正常运行和正常操作情况下不应发出跳闸信号；同时也不应拒动，即在发生故障时应能准确可靠地动作。例如，由于井下环境复杂，存在瓦斯、煤尘等，继电保护装置的可靠性对于防止因电气故障引发爆炸等严重事故至关重要。继电保护相关信息详情基本原理-利用电气量差异通过电流、电压、阻抗等变化检测故障基本原理-过流保护基于故障时电流增大，超设定值动作基本原理-欠压保护电压低于正常比例时动作，保护电压敏感设备基本原理-距离保护通过测量故障点到保护处阻抗判断故障要求-选择性有选择切除故障，保证非故障部分正常运行要求-速动性快速切除故障，减少损害和生产影响要求-灵敏性对保护范围内故障和异常有反应能力要求-可靠性规定条件和时间内完成保护功能（二）常用继电保护装置的类型与工作原理（过流保护、差动保护等）1.过流保护

定时限过流保护：工作原理：这种保护装置的动作时间是固定的，与故障电流的大小无关。它由电流互感器、电流继电器、时间继电器和断路器跳闸回路等组成。电流互感器将一次侧的大电流变换为二次侧的小电流，供电流继电器检测。当通过被保护线路或设备的电流超过电流继电器的动作电流整定值时，电流继电器动作，启动时间继电器。经过预先设定的延时后，时间继电器的触点闭合，使断路器跳闸，切断故障电路。例如，在矿山地面的低压配电线路中，如果设定的动作电流为100A，延时时间为0.5s，当线路电流超过100A时，经过0.5s后断路器就会跳闸。特点与应用：定时限过流保护的优点是动作时间准确、容易整定，而且上下级保护之间的选择性容易配合。它适用于负荷比较稳定、短路电流变化不大的供电线路。在矿山的一些小型加工厂、办公楼等低压供电区域，由于负荷相对稳定，可采用定时限过流保护来保护供电线路和用电设备。反时限过流保护：工作原理：反时限过流保护的动作时间与故障电流的大小有关，故障电流越大，动作时间越短。它同样由电流互感器、具有反时限特性的电流继电器和断路器跳闸回路等组成。当故障电流超过电流继电器的动作电流整定值时，电流继电器根据故障电流的大小按照反时限特性曲线来确定动作时间。例如，当故障电流为动作电流的2倍时，动作时间可能为0.2s；当故障电流为动作电流的5倍时，动作时间可能缩短至0.05s。特点与应用：反时限过流保护的优点是能够更快速地切除靠近电源端的严重故障，同时在轻微故障时又能有一定的延时，与熔断器的保护特性相似，具有较好的选择性。在矿山的一些中、小型电动机的保护中应用较多，因为电动机在启动时会有较大的启动电流，反时限过流保护可以躲过启动电流，在电动机正常启动后，又能对故障电流进行有效的保护。2.差动保护

工作原理：差动保护是利用被保护设备或线路两端电流的差值来判断故障的一种保护方式。对于变压器差动保护，它通过比较变压器两侧电流互感器的二次电流大小和相位来实现。正常情况下，变压器两侧的电流在大小和相位上满足一定的关系，差动继电器中的电流为零或很小。当变压器内部发生故障时，如匝间短路、相间短路等，两侧电流的平衡被破坏，差动继电器中会有电流流过，当该电流超过差动保护的动作整定值时，差动保护动作，使断路器跳闸，将故障变压器切除。对于输电线路的差动保护，原理类似，通过比较线路两端的电流来判断故障。特点与应用：差动保护具有很高的灵敏度和选择性，能够快速、准确地切除被保护设备内部的故障。它不受外部短路和正常运行时负荷电流变化的影响，主要用于保护变压器、大型电动机、母线等重要设备。在矿山供电系统中，对于井下中央变电所的主变压器和地面变电站的重要变压器，一般都采用差动保护，以确保变压器在发生内部故障时能及时得到保护，避免故障扩大对整个供电系统造成严重影响。3.其他继电保护类型零序电流保护：主要用于中性点接地系统中的单相接地故障保护。在正常运行时，三相电流的向量和为零，零序电流互感器中没有电流。当发生单相接地故障时，零序电流互感器会检测到零序电流，零序电流保护装置根据零序电流的大小和方向判断故障，并采取相应的保护措施，如发出信号或跳闸。在矿山的中性点接地的供电系统中，零序电流保护对于及时发现和处理单相接地故障，防止故障发展为相间短路等严重故障具有重要意义。瓦斯保护：这是专门针对油浸式变压器内部故障的一种保护。当变压器内部发生故障，如匝间短路、铁芯过热等，故障点的电弧会使变压器油分解产生气体。瓦斯保护装置通过检测变压器内部气体的产生和积聚情况来判断故障。轻瓦斯保护动作时，通常会发出信号，提示运行人员检查变压器；重瓦斯保护动作时，则会直接使变压器跳闸。在矿山的地面变电站中，如果使用油浸式变压器，瓦斯保护是保障变压器安全运行的重要措施之一。（三）继电保护的整定计算与校验1.整定计算的基本概念继电保护的整定计算是根据被保护设备或线路的参数、运行要求以及可能出现的故障类型，确定继电保护装置的动作参数（如动作电流、动作时间、动作电压等）的计算过程。正确的整定计算是保证继电保护装置能够准确、可靠地发挥保护功能的关键。例如，对于过流保护的动作电流整定，需要考虑被保护设备的额定电流、可能出现的最大负荷电流、电动机的启动电流等因素，以确保在正常运行和正常操作情况下保护装置不会误动作，而在故障发生时能够及时准确地动作。2.过流保护的整定计算动作电流的整定：按躲过最大负荷电流整定：对于定时限过流保护，动作电流

应满足

，其中

是可靠系数（一般取1.2-1.3），是被保护线路的最大负荷电流。这是为了防止在正常负荷电流波动或电动机启动等情况下保护装置误动作。例如，某井下供电线路的最大负荷电流为80A，取可靠系数为1.3，则动作电流

。按躲过电动机自启动电流整定：当线路上有电动机时，还需要考虑电动机自启动的情况。自启动电流可能会很大，动作电流

应满足

，其中

是自启动系数（一般取1.5-3）。例如，若自启动系数取2，其他参数不变，则动作电流

。动作时间的整定：定时限过流保护的动作时间是根据选择性的要求来整定的。一般采用阶梯原则，即从电源端到负荷端，保护装置的动作时间逐级递减，相邻两级保护的动作时间差一般取0.5-0.7s。例如，对于一个有三级保护的井下供电线路，电源端保护的动作时间设为1.5s，中间级保护设为1s，末端保护设为0.5s，这样可以保证在故障发生时，靠近故障点的保护装置先动作，实现选择性保护。3.差动保护的整定计算动作电流的整定：按躲过变压器励磁涌流整定：变压器在合闸瞬间可能会产生很大的励磁涌流，差动保护的动作电流

应满足

，其中

是可靠系数（一般取1.3-1.5），是变压器的额定电流。例如，某井下变压器额定电流为100A，取可靠系数为1.4，则动作电流

。按躲过外部短路时的不平衡电流整定：当变压器外部发生短路时，由于电流互感器的误差等原因，会在差动回路中产生不平衡电流。动作电流

应满足

，其中

是外部短路时的最大不平衡电流。计算不平衡电流需要考虑电流互感器的变比误差、型号差异、短路电流倍数等因素。灵敏度校验：差动保护的灵敏度

应满足

，其中

是变压器内部故障时的最小短路电流。通过灵敏度校验可以保证差动保护在变压器内部发生轻微故障时也能