煤矿井下继电保护

目录

第一章煤矿井下供电系统概述2

第一节对煤矿供电系统的要求2

第二节煤矿电力负荷的分级3

第三节《煤矿平安规程》中对矿井供电系统要求3

第二章继电保护概述5

第一节煤矿井下供电的特点需要更合理的继电保护5

第二节继电保护的根本任务6

第三节整定计算的工作步骤7

第四节整定计算的根本要求7

第三章短路电流的计算10

第一节短路电流计算的一般概述10

第二节短路电流计算的目的和方法11

第四章煤矿井下继电保护的分析15

第一节概述15

第二节三段式过流保护的分析16

第二节漏电保护的分析18

第四节电压保护的分析21

第五节零序保护的分析22

第五章保护整定与计算实例23

煤矿井下继电保护的分析与整定计算

晋煤集团职教中心：冯伟林

［内容摘要］:电力是现代煤矿企业生产所需的主要能源，煤矿企业中的绝大多数生产

机械都直接或间接地以电力为动力源，电力系统可靠、平安、经济、合理地运行对煤矿企

业至关重要。本文主要针对煤矿井下供电系统现状、特点，提出一些有针对性的继电保护

方面的看法及整定计算方法、实例，以供探讨。

［关键字］:供电系统分析整定计算

第一章煤矿井下供电系统概述

煤矿用电来自电力系统或矿区发电厂。输电电压一般在HOKVo送到矿山变电所的电

压是35KV。为保证矿山供电的可靠性，矿山地面变电所应有两个独立的电源。距供电电源

较近时，用平行双回路方式供电；距供电电源较远时，一般由电源送一回路，另外在相邻

矿区地面变电所之间设一回路联络线，形成环形供电，保证每个矿山地面变电所有两个独

立电源。

井下供电系统一般由地面变电所、井下中央变电所、采区变电所、防爆移动变电站、

采区配电点以及用于相互供配电用的各类电缆等组成。

井下用电由矿区地面变电所用两条高压电缆，把6KV的高压电经井筒送到井下中央变

电所，然后再分配给各高压用户。为保证供电可靠性，地面变电所和井下中央变电所采用

分段母线。

井下中央变电所主结线采用分段母线，保证供电不间断，如将主水泵的供电分别接在

两段母线上，井下车场低压用电由设在中央变电所的降压变压器供电，另外用高压电缆将

6KV高压电能送至采区变电所（或移动变电站）经降压后向采区低压设备供电。

目前我国井下采煤工作面供电方式主要有：干线式、辐射式、混合式、移动变电式4

种。井下各配电电压和各种电气设备的额定电压等级如下：

高压不应超过10000伏，低压不应超过1140伏；照明，手持式电气设备的额定电压

和、信号装置的额定供电电压都不应超过127伏；远距离控制线路的额定电压不应超过

36伏。井下低压网络的标准电压等级及其相应的平均电压为：

标准电压（伏）127380660114033006000

平均电压（伏）133400690120034606300

第一节对煤矿供电系统的要求

电力是煤矿的动力，为保证煤炭的平安生产，对供电提出如下要求：

1、可靠供电，即要求供电不间断。煤矿如果供电中断，不仅会影响产量，而且有可能

引发瓦斯集聚、淹井等重大事故，严重时会造成矿井的破坏。为了保证对煤矿供电的可靠

性，供电电源应采用双电源，双电源可以来自不同的变电所（或发电厂）或同一变电所的

不同母线上。即在一个电源发生故障的情况下，应保证对主要生产用户的供电，以保证通

风、排水以及生产的正常进行。

2、平安用电。由丁煤矿井下的特殊的工作环境，任何供电作业上的疏忽大意，都可能

造成触电、电气火灾和电火花引起瓦斯煤尘爆炸等事故，所以必须严格按照《煤矿平安规

程》的有关规定进行供电，确保供电平安。

3、经济供电。在满足供电可靠与平安的前提下，还应保证供电质量，要求做到供电系

统投资少、运行维护本钱低。

第二节煤矿电力负荷的分级

由于煤矿种类用电设备的重要性和运行特点不一样，因此，不同的用电设备对供电系

统有着不同的要求。根据负荷的重要性及对供电系统的不同要求，煤矿电力用户可分为三

类：

一类用户：凡因突然停电造成人身伤亡事故或重要设备损坏，给企业造成重大经济损

失者，均是--类用户.如煤矿主通风机、井下主排水泵、副井提升机等，这类用户应采用

来自不同电源母线的两回路进行供电，无论是电力网在正常或事故时，均应保证对它的供

电。

二类用户：凡因突然停电造成较大减产和较大经济损失者。例如，煤矿集中提煤设备、

地面空气压缩机、采区变电所等，对这类用户一般采用双回路供电或环形线路供电。

三类用户：凡不属于一、二类用户的，均为三类用户，这类用户突然停电时对生产没

有直接影响。例如，煤矿井口机修厂等。对这类用户的供电，只设一回路供电。

分类有利于合理供电，当供电系统发生故障或检修、限制用电负荷时，就能区别轻重

缓急停止对三类用户供电，以保证对二类用户全部或局部供电，确保对一类用户不中断供

电。

第三节《煤矿平安规程》中对矿井供电系统要求

1、矿井应有两回路电源线路。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、提升等的要求。

2、矿井的两回路电源线路上都不得分接任何负荷。

3、正常情况下，矿井电源应采用分列运行方式，一回路运行时另一回路必须带电备用，

以保证供电的连续性。

第二章继电保护概述

第一节煤矿井下供电的特点需要更合理的继电保护

煤矿井下供电的特殊环境对设备的供电提出了更高的要求。电是煤矿生产所用的主要

动力源，对矿井主要机电设备中断供电，不仅会影响矿井生产，而且会对矿井和矿井中工

作人员的平安构成严重威胁。例如：因突然中断供电而使矿井主通风设备停止运转，会导

致井下有害气体的大量聚集，威胁人身平安，矿井主排水设备停止运转，在涌水量大的矿

井中会造成淹井事故。由此可见，为保证矿井平安生产，就必须采取措施，确保矿井和矿

井中主要机电设备供电的不中断。

电气事故包括人身伤亡事故和设备事故两大方面

人身伤亡事故是指触电伤亡事故。触电包括与正常带电部位接触触电、与漏电部位接

触触电(这些漏电部位在正常情况下是不应该带电的)和没有直接与电气设备接触触电等。

设备事故主要是指由电气设备所关系到的电弧、电火花和危险温度引起的瓦斯或煤尘

爆炸，设备损毁，电气火灾等。

因此，为减小电气事故的发生，除应制定并遵守严格的平安用电制度，普及平安用电

知识外，还应加强矿用电气设备的管理。

煤矿井下是一个特殊的工作环境，有易燃、易爆可燃性气体和腐蚀气体，潮湿、淋水、

矿尘大、电网电压波动大、空间狭小、会发生冒顶和片帮事故，机电设备启动频繁等。因

此，矿用电气设备同一般电气设备相比具有如下特点：

(1)电气防爆。煤矿井下具有瓦斯和煤尘，当其浓度到达火花或局部高温，就会发生

燃烧和爆炸。因此，用于煤矿井下爆炸性环境的电气设备必须是防爆型电气设备，防止电

气设备所产生的电弧、电火花和高温引起瓦斯和煤尘爆炸。

(2)防护性能好。煤矿井下除具有甲烷、一氧化碳等易燃晚爆性气体外，还有硫化氢

等腐蚀气体，矿尘大、潮湿、有淋水。因此，矿用电气设备的防护性能要好，具有防尘、

防潮、防腐、防霉等防护措施。由于井下有时会发生冒顶和片帮等事故，碰撞和挤压电气

设备及电缆，因此，矿用电气设备应耐机械冲击。

(3)电网电压波动适应能力强。地面电网电压的波动范围一般为901rli0%,而煤矿

井下电网电压的波动范围可达75%^110%o因此，矿用电气设备的电网电压波动适应能力强。

(4)过载能力强。采、掘、运等电气设备启动频繁，井下机电胴室和巷道的温度较高,

散热条件差。因此，矿用电气设备要有足够的过载能力。由于地质条件的变化，或在雨季,

井下可能发生突水事故，其出水量往往为正常涌水量的几倍甚至几I倍，这就需耍较大的

排水能力和供电系统。

(5)可靠性高。主要通风机、局部通风机等设备或供电系统的故障会引起瓦斯集聚，

在一定的条件下会造成瓦斯和煤尘爆炸。

因此，煤矿井下供电系统及设备的可靠性要高，需要更合理的继电保护来保证供电的

可靠性。

第二节继电保护的根本任务

当被保护的电力系统元件发生故障时，应该由元件的保护装置迅速准确地给距离故障

元件最近的断路器发出跳闸命令，使故障元件及时从电力系统中断开，以最大限度的减少

对电力元件本身的损害，降低对电力系统平安供电的影响，并满足电力系统的某些特定要

求°

反映电气设备的不正常工作状态，并根据不正常工作情况和设备运行维护条件的不同

发出信号，以便值班运行人员进行处理，或由装置自动的进行调整，或将那些继续运行而

会引起事故的电气设备予以切除，反响不正常工作情况的继电保护装置容许带一定的延时

动作。

一、整定计算的根本任务

整定计算是针对具体的电力系统，通过网络计算工具进行分析计算、确定配置的各种

系统保护的保护方式、得到保护装置的定值以满足系统的运行要求。整定计算是继电保护

工作中一项非常重要的内容，正确、合理的进行整定计算才能使系统中的各种保护装置和

谐的一起工作，发挥积极的作用。

二、整定计算的具体任务

1、绘制电力系统接线图；

2、绘制电力系统阻抗图；

3、建立电力系统设备参数表；

4、建立电流，电压互感器参数表；

5、确定继电保护整定需要满足的电力系统规模及运行方式变化限度；

6、根据已有的保护装置，计算保护定值，编制定值通知单；

7、对定值通知单进行管理；

8、编写整定方案报告书，着重说明整定原那么问题，整定结果评价，存在的问题及采

取的对策等。

9、根据整定方案，编制系统保护运行规程（说明）；

10、处理日常运行的保护问题；

11、进行保护的动作统计与分析，做出专题分析报告；

12、参加系统开展保护设计的审核。

第三节整定计算的工作步骤

整定计算的工作步骤为：

1、收集必要的参数与资料（保护图纸、设备参数等）。

2、按照调度管辖范围，根据需要与定值接口单位交换数据。

3、根据调度或方式部门提供的电网运行方式，选择短路类型，选择分支系数的计算条

件；

4、结合系统情况，确定整定计算的具体原那么。

5、进行短路故障计算，得到短路计算结果；

6、进行整定计算，对整定结果分析比拟，选出最正确方案，选取整定值并做出定值图;

7、归纳出存在的问题，并提出运行要求；

8、画出定值图；

9、编写整定方案说明书，一般应包括以下内容：

①考虑的系统方式，厂、站方式，变压器中性点接地方式安排；

②继电保护的配置情况；

③继电保护整定的根本原那么，特殊考虑的问题；

④系统图、阻抗图、整定配合图、重合闸方式；

⑤正常运行安排、存在的问题及运行考前须知；

⑥提供应接口单位的系统综合阻抗、接口定值。

第四节整定计算的根本要求

继电保护有四个根本要求，即可靠性、选择性、灵敏性、速动性，要全面考虑。在某

些情况下，“四性”的要求有矛盾不能兼顾时，应有所侧重；片面强调某一项要求，都会导

致保护复杂化、影响经济指标及不利于运行维护等弊病。整定计算尤其需要处理好四性的

协,调关系。

一、可靠性

要求保护装置处于良好状态，随时准备动作。保护装置的误动作是造成正常情况下停

电、事故情况下扩大事故的直接根源，因此必须防止，用简单的话来说，就是“该动的就

动，不该动的不动”，即不误动、不拒动。

保护的可靠性主要由高质量的保护装置、合理的设计、可靠的安装调试、精心的运行

维护米保证。

整定计算中，主要通过制定简单、合理的保护方案来保证。另外在运行方式变化时应

注意对定值进行调整以确保保护系统可靠动作。

二、选择性

选择性是指当电力系统发生故障时，继电保护装置应该有选择性地切除故障局部，让

非故障局部继续运行，使停电范围尽量缩小。首先由故障线路或元件本身的保护切除故障,

当上述保护或开关拒动时，才允许相邻保护动作。继电保护选择性的满足，主要由整定计

算来考虑，通过正确整定保护装置的动作值和动作时间来实现，即通常说的灵敏度和动作

时间配合，其原那么是从故障点向电源方面的各级保护，其灵敏度逐级降低，其动作时限

逐级增长。

时限配合：上一级保护时限比下一级保护时限要大，所大的时限差，即为时限级差。

此时限级差视不同的配合情况选取不同的数值。一般情况下，高精度时间元件的保护之间

相互配合的级差采用0.3S；与差动及瓦斯保护、纵联保护、横差保护等之间配合的级差采

用0.4S,定时限与反时限保护配合的级差采用0.5So

保护范围配合：也叫灵敏度有配合。保护装置对被保护对象的故障反响有一定的范围,

二一级保护的保护范围应比下一级相应段保护范围为短，即在下一级保护范围末端故障时,

下一级保护动作，上一级保护不动作这叫做范围有配合。

选择性是继电保护中的一个很重要的问题，一般不允许无选择性产生。如不能做到应

该按照相关规程进行处理，并尽量减小不配合导致失去选择性带来的危害。

三、灵敏性

在保护装置的保护范围内发生故障，保护反映的灵敏程度叫灵敏性，习惯上常叫灵敏

度。灵敏性用灵敏系数来衡量。灵敏系数指在被保护充象的某一指定点（通常指被保护对象

的末端）发生金属性短路，故障量与整定值之比（反映故障参量上升的，如过电流保护）或整

定值与故障量之比（反映故障参量下降的，如低电压保护）。主保护的灵敏系数仅考虑对被

保护设备（本级），后备保护的灵敏系数那么主要考虑的是对相邻设备（下一级）。

校验灵敏度，应根据不利正常(含正常检修)运行方式和不利故障类型(般仅考虑

金属性短路和接地故障)计算，要求灵敏系数不能低于规定值，对各种保护灵敏系数的规

定，详见《继电保护和平安自动装置技术规程(GB/T14285-2006)》。

校验灵敏度应注意的几个问题：

(1)计算短路电流较小的短路类型。例如，零序电流要以单相接地或两相接地进行比拟,

相电流稳定值以三相短路与两相短路相比拟。

(2)选择可能出现的最小运行方式，重点在于被检验保护反映灵敏度最小的那种方式。

例如，多电源变为单侧小电源的情况。

(3)经Y/△接线变压器的不对称短路相电流电压的分布发生改变，对不同接线、不同

和别(A、B两相或B、C两相或C、A两相)、不同相数的保护装置反映灵敏度那么不同。

例如：YN,dll接线变压器d侧AB相短路时，电流电压的分布为：

①Y侧各相电流的分布规律是两故障相中的滞后相电流最大，数值上为△侧故障相电

流的2/1.732倍，其它两相电流大小相等、方向相同，数值上为△侧故障相电流的1/1.732

倍。

②Y侧各相电压的情况是两故障相中的滞后相电压总为零(当忽略变压器内部压降时)，

或者很小。另两相电压总是相等。

(4)负荷电流对保护的灵敏度有影响，对于短路点较远的短路，因为分支负荷端电压较

高，还吸取一定的负荷电流，因而减小了短路支路的电流。某些容量较大的同步电动机，

短路开始瞬间(对速动保护)可向短路点送出短路电流，因而又增大了短路支路的电流。

(5)两侧电源及环状网路中的相继动作能使灵敏度改变。

(6)在一套保护中有几个元件时，其各元件灵敏度要求是不同的，其中灵敏度最低的代

表该套保护的灵敏度。

(7)考虑保护动作过程中灵敏度的变化，例如失灵启动元件，应分别校验母联开关跳开

前后的灵敏度。

四、速动性

短路故障引起电流的增大、电压的降低，保护装置快速地断开故障，有利于减轻设备

的损坏程度，为负荷创造尽快恢复的条件，提高发电机并列运行的稳定性。

为了提高速动性，一是配置快速保护；二是可通过合理的缩小动作时间级差来提高快

速性：三是正确地采用先无选择性和后用重合闸补救相结合的措施，或备用电源自投的方

式。例如:线路变压器组、分段保护等。

五、合理解决“四性”的矛盾

继电保护的四性在整定“算中非常重要，在制定保护系统方案中常常很难同时满足四

个根本要求，整定计算工作很重要的一局部就是对四性进行统一协调。

1、可靠性与选择性、灵敏性、速冻性存在矛盾。洌如保护装置的环节越少、回路越简

单可靠性越高，但简单的保护很难满足选择性、快速性、灵敏性的要求。

2、选择性与灵敏性存在矛盾。例如，对于电流保护，提高整定值可以保证选择性，降

低整定值才能保证灵敏性，尤其是大、小方式相差较大时，很难同时满足二者的要求。

3、选择性与速动性存在矛盾。时间越长越容易保证选择性，但无法满足速动性的要求。

对于四性的矛盾，要具体分析电网的实际情况进行合理的取舍，具体原那么如下：

1）地区电网服从主系统电网；

2）下一级电网服从上一级电网；

3）局部问题自行消化；

4）尽可能照顾地区电网和下一级电网的需要；

5）保证重要用户供电。

第三章短路电流的计算

第一节短路电流计算的一般概述

电气设备或导体发生短路故障时通过的电流为短路电流。在工矿企业供电系统的设

计和运行中，不仅要考虑到正常工作状态，而且还要考虑到发生故障所造成的不正常状

态。根据电力系统多年的实际运行经验，破坏供电系统正常运行的故障一般最常见的是

各种短路。所谓短路是指相与相之间的短接，或在中性点接地系统中一相或儿相与大地

相接（接地），以及三相四线制系统中相线与中线短接。当发生短路时，短路回路的阻抗

很小，于是在短路回路中将流通很大的短路电流（几千甚至几I•万安），电源的电压完全

降落在短路回路中。

一、短路的原因

发生短路的主要原因是由于电力系统的绝缘被破坏。在大多数情况下，绝缘的破坏多

数是由于未及时发现和未及时消除设备中的缺陷，以及设计、安装和运行维护不当所，例

如：过电压、直接雷击、绝缘材料的陈旧、绝缘配合不好、机械损坏等，运行人员的错误

操作，如带负荷拉开隔离开关，或者检修后未拆接地线就接通断路器；在长期过负荷元件

中，由于电流过大，载流导体的温度升高到不能容许的程度，使绝缘加速老化或破坏；在

小接地电流系统中未及时或消除相接地的不正常工作状态，此时，其它两相对地电压力

高G倍，造成绝缘损坏；在某些化工厂或沿海地区空气污秽，含有损坏绝缘的气体或固

体物质，如不加强绝缘，经常进行维护检修或者采取其他特殊防护措施等，都很容易造成

短路。此外，在电力系统中，某些事故也可能直接导致短路，如杆塔塌导线断线等。动物

或飞禽跨接载流导体也会造成短路事故。

二、短路的危害

短路电流所产生的电动力能形成很大的破坏应力，如果导体和它们的支架不哆巩固，

那么可能遭到严重破坏。短路电流越大，通过的时间越长，对故障元件破坏的程度也越大。

由于短路电流很大，即使通过的时间很短，也会使短路电流所经过的元件和导体收起不能

容许的发热，从而破坏绝缘甚至使载流局部退火、变形或烧毁。既然发生短路时流通很大

的短路电流（超过额定电流许多倍），这样大的短路电流一旦流经电气设备的载流导体，

必然要产生很大的电动力和热的破坏作用，随着发生短路地点和持续时间的长短，其破坏

作用可能局限于一小局部，也可能影响整个系统。

三、短路的类型

三相系统中短路的根本类型有：三相短路、两相短路、单相短路（单相接地短路）和

两相接地短路。除了上述各种短路以外，变压器或电机还可能发生一相绕组匝间或层间短

路等。根据运行经验统计，最常见的是单相接地短路，约占故障总数的60%两相短路约

占15%,两相接地短路约占20%,三相短路约占5%。三相短路虽少，但不能不考虑，因为

它毕竟有发生的可能，并且对系统的稳定运行有着十分不利的影响。单相短路虽然时机多

短路电流也大，但可以人为的减小单相短路电流数值，使单相短路电流最大可能值不超过

三相短路电流的最大值。这就使全部电气设备可以只根据三相或两相短路电流来选择，况

且三相短路又是不对称短路的计算根底，尤其是工业企业供电系统中大接地电流系统又很

少，因此应该掌握交流三相短路电流的计算。

第二节短路电流计算的目的和方法

短路电流计算的目的是为了正确选择和校验电气设备，以及进行继电保护装置的整定

计算。

进行短路电流计算，首先要绘制计算电路图。在计算电路图上，将短路计算所考虑的

各元件的额定参数都表示出来，并将各元件依次编号，然后确定短路计算点。短路计算点

要选择得使需要进行短路校验的电气元件有最大可能的短路电流通过。

接着，按所选择的短路“算点绘出等效电路图，并计算电路中各主要元件的阻抗。在

等效电路图上，只需将被计算的短路电流所流经的一些主要元件表示出来，并标明其序号

和阻抗值，然后将等效电路化简。对于工厂供电系统来说，由于将电力系统当作无限大容

量电源，而且短路电路也比拟简单，因此一般只需采用阻抗串、并联的方法即可将电路化

简，求出其等效总阻抗。最后计算短路电流和短路容量。

短路电流计算的方法，常用的有欧姆法(有称有名单位制法)和标幺制法(又称相对

单位制法)。

在短路电流的计算中，分为无限容量系统及有限容量系统短路电流计算。无限容量系

统短路电流计算适用于电源容量很大或者是短路点距电源的电气距离很远的电网，这时系

统电压认为是不变的；有限容量系统短路电流计算适用于电源功率不大或短路点距电源的

电气距离很近的电网，这时电源母线电压是变化的。理想中的无限容量系统是指电源容量

为无限大，阻抗为零。在实际计算中，只要电源阻抗不超过短路时总阻抗的5%-10%,那

么认为是无限容量系统。煤矿供电一般引自大电力系统，计算时采用无限容量系统短路电

流的计算方法。

一、高压供电系统短路电流的计算

1、短路电流变化过程分析：

以下图为无限容量供电系统发生三相短路时的单线图。

当d点发生尹野路时，整个电路眼抗缩小到而无限容量系统母线电压不变,

所以短路后回路CoM短陪荀赢击久，其有效值为T

负载ZF

大小为:

52s就屿0x=0

Ich=l.521d⑶

在校验电气设备动稳定性时，要用短路电流冲击值来校验。

2、短路回路中元件阻抗的计算

在计算高压电网中的短路电流时，一般只计算发电机、变压器、线路、电抗器的电抗,

只有在短路回路中总阻抗大于总电抗的1/3时，才计算电阻。计算时一般采用标么值。

(1)系统电抗标么值：

S,一基准容量，一般取1OOMVA；Sd—电源母线电大短路容量Sdt一电源线路断路器

的切断容量

(2)电力变压器的标么值：

U%一阻抗电压；Sj—基准容量；Seb一额定容量；U曲一额定电压;

Uj一基准电压，般取Up(平均电压)。见下表

常用线路的额定电压与平均电压(KV)

额定电0.1270.220.380.661.1436103560110

压

平均电0.1330.230.400.693.156.310.53763115

压

(3)线路的标么值:

X。一线路单位电抗值(Q/km),见下表。L一线路长度(km)

线路电抗平均值(Q/km)

35KV及以

3~10KV0.44/0.22KV35KV3~10KV1KV以下

线路名称上架空线

架空线路架空线路电缆电缆电缆

路

每相单位长度

0.40.380.360.120.080.06

平均电抗值

(4)电抗器的电抗标么值：

3、短路电流的计算

在计算短路电流之前，首先应根据供电系统图作出对应短路点的等值电路单线图,

然后用网路简化规那么加以简化，求出短路回路总阻抗，最后计算短路电流。

(1)三相短路：

所以":口

A*s人立

⑵两相短路:

二、井下低压网络短路电流计算

在计算短路电流时，首先要选择短路点。短路点通常选在保护线路的始、末端，因为

始端的三相短路最大，末端的两相电流最小。最大的三相短路电流用来校验设备及电缆的

热稳定性，最小的两相短路用来校验保护装置的灵敏度。

井下低压电网短路电流计算时，一般不允许忽略电阻。因为当电缆截面在500mn?及以

下时，感抗远小于电阻。短路电流的计算方法可分为解析法和图表法两种。

1、解析法：

(1)各元件的阻抗计算:

①系统1电源)电抗：Xc=Ul

其中：以一变压器二次侧额定电压，KV；

Sd—电源(变压器一次侧)母线短路容量(MVA),如果此短路容量未知，可采用该

处高压开关柜的额定断流容量。

②变压器的阻抗：ZA=4色•空

100Seb

变压器的相电阻：及=竺二竺暮其中为变压器的铜损，Wo

3*S*

变压器的相电抗：X尸

③低压电缆的阻抗：

电阻:R(=rol(r0—电缆单位长度电阻。/km,可查表计算，也可公式计算：7二左

其中L为电缆长度，S为电缆截面，D为电导率，见下表)

电缆的电导率D(m/Qmm2)

电缆名称

20℃65℃80℃

铜芯橡套电缆5342.5

铜芯铠装电缆5348.644.3

铝芯铠装电缆3228.8

电抗：X.=XoLlx。一电缆单位长度的电抗，Q/kmo可查表得。L为电缆长度)

(2)短路电流的计算

①三相短路电流：

以一变压器二次侧额定电压，V；

“一短路回路内一相电阻的总和；XE一短路回路内一相电抗的总和。

②两相短路电流：

R为电弧电阻，因短路一般通过电弧发生，所以在计算可能发生最小短路电流时,

要将此值计入，取R此.01。

第四章煤矿井下继电保护的分析

第一节概述

过电流故障是指实际通过电气设备或电缆的工作电流超过了额定电流值。常见的过电

流故障有短路、过负荷和断相3种。

一、短路

在电网和电气设备中，假设不同相线之间通过导体直接短接或通过弧光放电短路均会

产生过电流。短路电流的大小取决于电网电压、由短路点形成的回路的电阻及短路点的位

置，一般是额定电流的几十倍以上。在三相供电的电网中，如果采用中性点不接地的系统,

仅有三相短路和两相短路两种。造成故障的原因主要有：

1、绝缘击穿。由于电缆接头存在毛刺、松动或外部导体影响了导电体之间的电气间隙

和爬电距离，产生电弧放电而引起短路或由于电气设备和电缆受潮、绝缘老化或机械损伤,

引起绝缘击穿而造成短路。

2、机械损伤。电气设备和电缆由于冒顶砸压、机械碰撞等原因造成短路。

3、误操作。由于误操作造成短路故障。例如两台不同相序的变压器并联运行等。

短路电流值很大，它能够在极短时间内烧毁电气设备，甚至引起火灾或引燃井下瓦斯、

煤尘，或造成瓦斯、煤尘爆炸事故。短路还会引起电网电压急剧下降，影响电网中其他用

电设备的正常工作。

二、过负荷

过负荷是指电气设备的工作电流不仅超过了额定电流值，而且超过了允许的过负荷时间。

过负荷在电动机、变压器和电缆线路中较为常见，是烧毁电动机的主要原因之一。过负荷

电流一般比额定电流大厂2倍。造成电动机过负荷的原因主要有：

1、电源电压过低。当机械负载不变时，电源电压降低，就会造成电动机工作电流加大,

电动机的温度就会上升，当过负荷时间较长，电动机的温度就会超过允许温度而烧毁。

2、频繁起动。异步电动机的起动电流为正常工作电流的5~7倍，如果电动机频繁启动,

就会使电动机的温度上升造成过负荷。

3、重载下启动电机。带负荷启动往往会造成起动时间长，电动机温度高的过负荷情况。

4、机械卡堵。由于电动机轴承损坏，转子被卡，或电动机所拖动的负荷被卡等都会造

成电动机过负荷。

三、断相

三相电动机在运行过程中出现相断线，这时电动机仍然会运转，但其输出转矩比三

相运行时要小得多。由于机械负载不变，电机的工作电流会比正常工作的工作电流大很多,

从而造成过负荷。造成断相的主要原因有：熔断器熔断；电缆芯线有一相断线；电缆与电

动机或开关的连接头脱落。

预防措施：过电流事故多数是由于设备选择不合理，缺乏日常维护检修和巡回检查、

检修质量不高，当有定期进行预防性电气试验、缺少必要的保护装置，工作人员违反操作

规程而引起的。为迅速排除过电流故障，应设置并正确计算和选择过流保护装置。

第二节三段式过流保护的分析

过流保护包括短路保护、过负荷保护和断相保护等。目前煤矿井下低压电网过流保护

装置主要有电磁式过流继电器、热继电器、熔断器等。

阶段式电流保护比拟与在井下高压供电上的应用

阶段式电流保护都是反响于电流升高而动作的保护装置。它们之间的区别主要在于选

择启动电流的整定原那么有所不同。

如下表1所示，对阶段式电流保护进行比拟。

表1阶段式电流保十比拟

类型

电流速断限时电流速断定时限过电流保护

表征

保护范围本线路一局部本线路全长至相邻线路

灵敏度最高次之最低

作用主保护主保护后备保护

动作时限0s0.5-lstmax+0.5S

选择性保证整定电流整定电流与时间时间

运行方式最大最小最小

=

整定电流IdzlK|IdBnaxIdzl''二41比2‘Idz'''=Kk*Kzq」fw/Kh

由于电流速断保护不能保护线路的全长，限时电流速断又不能作为相邻元件的后备保

护，因此为了保证迅速而有选择性地切除故障，经常将电流速断、限时电流速断和定时限

过流保护配合使用，构成阶段式电流保护。在现实使用中，可以电流速断加过电流保护，

也可以限时电流速断加过电流保护。

在煤矿井下高压供电中，阶段式电流保护主要是表达在井下变电所的矿用一股型高压

盘、矿用隔爆高压开关、矿用隔爆型移动变电站高压头等的事故跳闸。根据最近几年对井

下阶段式电流保护研究，可以将以上开关分成一些儿类负荷，根据负荷类型选用相应保护

配合。

1、井下各类变电所的进线高压开关与上级变电所出线高压开关

进线开关只投电流速断和限时电流速断保护已经能够满足选择性和灵敏度的要求，其

中限时电流速断能够实现上卜.级变电所的配合，定时限过电流保护不建议投跳闸。

2、井下各类变电所联络高压开关

联络开关的保护投入可以参考进线开关所投保护，建议三段式过流保护都不投跳闸。

3、井下各类变电所带直接负荷的高压开关

这里直接负荷主要是指井下各采掘工作面、硅整流整流变压器、瓦斯抽放泵站等这样

的高压隔爆开关开只投电流速断和定时限过电流保护。

4、中央变电所内所带主排水泵的高压开关

针对主排水泵这类负荷，原那么上只投电流速断和定时限过电流保护（建议可以用一

般反时限过流保护代替），但是由于启动时有励磁涌流的存在，所以在电流速断投入后要加

上一个50us的小延时，以躲开较大的启动电流。

5、补充说明

1）IdQ都是一次侧的速断电流（过流I段）整定值，而我们井下现在大局部都已

用上微机保护，对于保护器整定需要换算成二次侧电流值。就得到了也就是

过流T段整定值，计算方法就是将一次侧电流除于电流互感器的变比。同样过流II段、TTT

段计算方法参照过流I段。

2）通常意义上说电流速断保护动作时限为0s,但是在井下有一些特殊的设备，如大

容量、大功率的感性负荷如井下用于排水的主水泵（400KW以上）和工作面移变（630KVA

以上）等，由于这些设备在启动瞬间的励磁涌流比拟大，己经接近其短路电流值，为防止

误动作，所以需要对这类负荷的电流速断保护投上一个50us的延时，以躲过较大的启动电

流。

3）当被保护线路的长度较长时，线路始端和终端的电流差异较大时，短路电流的变化

由线就会比拟陡，相应的电流速断保护的保护范围就比拟大。当线路的长度较短时，短路

电流变化就比拟平缓，速断保护的保护范围就很小甚者为零。井下的高压电缆负荷长度都

比拟短，最长的也不超过5km,电流速断保护的范围非常短，需要后备保护。

第三节漏电保护的分析

井下常见的漏电故障可分为集中性漏电和分散性漏电两种。集中性漏电是指电网的某

一处或某一点发生漏电，而其他局部对地绝缘仍正常C分散性漏电是指某条线路的整体绝

缘水平平均降低到平安值以下。

一、造成漏电故障的原因

电气设备长期超负荷运行造成绝缘老化，导致漏电。电缆受到挤、压、砸、过度弯曲、

铁器划伤或针刺，出现裂口和缝隙后，长期受潮气的浸蚀造成绝缘损坏或导电芯线外露。

导线连接接头不牢固、有毛刺、防松措施差或无防松措施等，会造成接头脱落、接头松动,

使相线与金属外壳直接搭接，或由于接头处发热使绝缘损坏而造成漏电。电气设备因绝缘

受潮或进水，造成绝缘老化，从而导致漏电。例如，长期浸泡在水中的电缆、接线盒进水

等。操作电气设备时，由于弧光放电造成一相接地，而导致漏电。维修电气设备时，将工

具和材料等导电体遗留在设备内部，造成一相线接金属外壳。维修电气设备时，由于停、

送电操作错误，带电作业，造成人身触电而发生漏电c移动频繁的电气设备，电缆反复弯

曲使芯线局部折断，刺破电缆绝缘与接地芯线接触而造成漏电。

在电气设备内增加其他部件，使带电导体与外壳之间的电气间隙或爬电距离小于平安

值时，造成对外壳放电。

导致电网漏电故障造成的危害主要有漏电电流产生的电火花，当其火花能量到达最小

点燃能量(0.28mJ)时，如果漏电点的瓦斯浓度也在爆炸浓度范围内，即能引起瓦斯、煤

尘爆炸；当人身触及一相漏电导体或漏电的设备外壳时，如果流过人身的漏电电流大于极

限平安电流30Ma.S时，可能造成人员触电伤亡；发现和排除而长期存在，可能扩大成相间

短路，造成更严重的危害。

二、预防漏电故障的措施

(1)严禁电气设备及电缆长期过负荷运行。

(2)导线连接要牢固，无毛刺，防松装置要完好，接线方式要正确。

(3)维修电气设备时要按规程操作，检修结束要认真检查，严禁将工具和材料等导体

遗留在电气设备中。

(4)防止电缆、电气设备浸泡在水中，防止电缆受挤压、碰撞、过度弯曲、划伤、刺

伤等机机械损伤。

(5)不在电气设备中增加额外部件，假设必须设置时，要符合有关规定的要求。

(6)设置保护接地装置。

(7)设置漏电保护装置。漏电保护装置应能连续监测电网的绝缘状态，并且只监视电

网对地的绝缘电阻值，而不反响其电容的大小。当电网绝缘电阻降低到规定值时，快速切

断供电电源。当电网的绝缘电阻对称下降或不对称下降时，其动作电阻值不变。其动作电

阻值不应受电源电压波动的影响，并具有自检功能。

三、漏电保护的作用及要求

1、漏电保护的作用

U)防止人身触电。漏电保护可以缩短人身触电的时间，减小通过人身的电流，以保

证人身的平安。

(2)防止漏电电流烧毁电气设备。在电网中出现漏电故障后，漏电保护装置立即动作,

切断电源。

(3)防止漏电电流产生的火花引起矿井瓦斯、煤尘爆炸的危险。

(4)对于由短路引起的接地故障，漏电保护还可起短路保护的后备保护作用，一旦短

路保护装置拒动，漏电保护装置还可使开关跳闸。

2、漏电保护的要求

目前使用的漏电保护装置很多，对煤矿井下低压漏电保护装置应满足以下要求：平安

性，可靠性，选择性，灵敏性，全面性。

ZBT-11保护器中配置了两段式零序过流(漏电)保护。

两段保护主要是为了实现先告警后跳闸。漏电告警可以用很小的定值和延时用于告警,

漏电保护可以设以较大的定值，并且设置投跳闸。

四、漏电电流的分析与整定

1、接地电流的特征

高压系统的漏电电流主要是电缆的容性电流，漏电电流的大小与接地时的运行方式和

接地阻抗有关。非故障线路零序电流之和等于接地线路的电容电流。

在没有消弧线圈的情况下，非故障线路的零序电流超前零序电压90°(方向由母线流

向线路)，故障线路的零序电流滞后零序电压90。(方向由线路流向母线)。但对联络线路

来说，零序电流方向和大小都会随接地点的不同会有所不同。

在有消弧线圈的情况下，如果运行在欠补的状态下，如果补偿以后的接地电流大于接

地线路本身的电容电流，方向由线路流向母线，故障线路零序电流将减少。如果补偿以后

的接地电流小于接地线路的电容电流，故障线路零序电流不但大小变化，方向也变为由母

线流向线路。此时零序功率方向是随着补偿度的变化而变化。

如果运行在过补的情况下，接地线路与非接地线路电容电流方向相同，因此不接地系

统中口无法用零序功率方向来区分接地线路和非接地线路。

2、电缆线路的电容电流

卜面是两组电缆线路的容性电流的经验数据：

橡套电力电缆每公里电缆的容性电流经验数据

额定电缆芯线截面/mm2

电压10162535507095120150185240300

6kV0.42380.570.6730.79

10kV0.59390.7550.891.043

油浸纸绝缘电力电缆每公里电缆的容性电流经验数据

电缆芯线截面/mm2

额定电压

162535507095120150185240300

6kV0.370.40.50.50.70.80.81.11.21.31.5

6291290000

10kV0.520.60.60.70.91.01.11.31.41.61.8

2970000000

交联聚乙烯绝缘电力电缆每公里电缆的容性电流经验数据

额定电缆芯线截面/mmL!

电压10162535507095120150185240300

6kV0.580.650.720.790.890.961.031.131.231.37

10kV1.191.311.491.611.731.912.092.33

3、漏电保护的整定原那么

故障线路与非故障线路的接地零序电流差异较大（非故障线路零序电流之和等于接地

线路的电容电流），所以，合理整定零序电流动作值，应该能够区分接地线路和非接地线路。

漏电I段（即漏电保护）定值按躲过本线路本身的容性电流的1.2倍整定（L2为可

靠系数），如果电缆线路零序电流按经验值每公里L2A估算（每公里电缆的容性电流见下

表），那么漏电保护定值为：1皿尸k*1.2*L；k为可靠系数取1.2,L为电缆线路的

公里数；不投跳闸，只告警。

漏电H段（即漏电告警）定值按躲过本线路本身的容性电流的1.5倍整定，那么漏电

口段定值为：［。成产k*L2*L；k取1.5。投跳闸，延时0.3秒。

对于没有消弧线圈的线路，零序过流保护可以投方向。接地线路的零序电流由线路流

向母线，而非接地线路的零序电流那么由母线流向线路，故用零序方向可以有效区分接地

线路和非接地线路。但要确保方向的正确性。

对于装有消弧线圈的线路，由于接地线路和非接地线路的零序电流方向与补偿度的变

化而变化，即方向不固定，所以，不能投零序方向，不然，有可能造成拒动。

对于上下级变电所之间的联络线路，由于大小和方向都在随接地点的不同而不同，定

值难以确定，如果联络线投跳闸，将造成下级变电所大面积停电。所以，在目前的原理的

情况下，联络线的漏电保护不能投跳闸。

4、高压漏电保护与低压漏电保护的不同

高压系统是一个庞大的配电网系统，任一点接地，高压系统的所有电缆容性电流都从

不同变电所聚集到接地线路，所以，就漏电电流而言，高压系统总开关和分开关没有上下

级关系，无法实现进线开关与分录开关的保护配合。对于分路，在没有消弧线圈的情况下,

可以用定值大小和零序方向，米区分接地线路和非接地线路。但在有消弧线圈的情况下，

零序方向不确定，不能用来区分接地线路和非接地线路，又加上漏电电流得到补偿而减小,

更增加了漏电保护失灵的可能性。

低压系统，从移变开始，是一个简单的辐射状电网，漏电电流不会通过总开关倒流进

移变，就漏电电流而言，总开关与分路开关之间可以实现时限配合，而不会误动。低压系

统没有消弧线圈，用零序方向就可以区分接地线路和非接地线路，提高了低压系统漏电保

护动作的可靠性。

第四节电压保护的分析

电压保护包括母线过电压和失压保护。

一、过电压保护

过电压保护采用线电压判别方式。设置过电压保护的目的主要是为了防止用电设备长

期处于严重过电压的状态下运行，以免损坏用电设备。过电压保护一般不投跳闸，只发信

号用于告警，提请运行值班人员注意。过电压保护一定要设定延时，以免电压瞬间波动引

起不必要的告警。如果过电压保护要投跳闸，不是所有设备的保护都投跳闸，而是仅仅对

允许过电压要求苛刻的设备才投跳闸。

在保护器上，过电压保护投入控制字为投入/退出的设置，“Y”表示投入，“N”表示退

出。

在后台机定值表中，实心圆表示投入，空心圆表示退出。

该保护信号信复归|不闭锁|合闸。

二、失压保护

失压保护也称低电压保护，它应在母线真正失压时可靠动作。Zbt-11保护器能分辨电

压波动和真正母线失压。Zbt-11的失电压保护采用线电压判别方式。按煤矿供电运行规程

要求，带有负荷的回路的失压保护应该投跳闸，而电源线路的失压保护可以不投跳闸。失

压保护一定要整定延时时间。

ZbtTl保护器的失压保护配置了PT断线闭锁失压保护，有流闭锁失压保护，以进一

步防止失压保护误动。

失压保护的电压定值一般按躲过门口短路时的母线电压值整定，一般取额定值的

0.5〜0.6倍。失压保护的延时时间一般按躲开正常运行时的电压波动持续时间整定。一般

取0.5秒。但如果由于备用电源自投装置动作慢的缘故，使得失压延时必须要大于1秒钟,

那么必须提前提出，以便我们采取其他措施，以满足实际需要。此时，失压延时时间按躲

过备自投切换时间的1.2倍整定。

一般进线不设失压保护。

在保护器上，失电压保护投入控制字为投入/退出的设置，“Y”表示投入，“N”表示退

出。

在后台机定值表中，实心圆表示投入，空心圆表示退出。

需要注意的是，高保开关上都配了失压脱扣，在电压波动时容易造成误动。如果井下

电网电压时常发生波动且造成失压误动的话，在开关改造时，应将失压脱扣线圈去掉，而

今采用zbt-11保护器中的失压保护。

该保护信号未复归|不闭锁|合闸。

第五节零序保护的分析

零序保护包括零序过压保护和两段式零序电流保护。零序保护也称漏电保护。

一、零序过压保护

零序过压保护主要用于在单线接地时或叫漏电发生时，发出告警。零序过压保护一定

要设定小10秒的延时，以保证零序过压告警的可靠性。零序过压一般不投跳闸只告警，以

免在发生单相接地时，所有开关全部跳闸，造成不必要的大面积停电。

在保护器上，零序过压保护投入控制字为投入/退出的设置，“Y”表示投入，“N”表示

退出。

在后台机定值表中，实心圆表示投入，空心圆表示退出。

该保护信号未复归I小闭锁I合闸。

二、两段式零序过流保护

Zbt-ll保护器中配置了两段式零序过流保护，并且可以带方向。

两段保护主要是为了实现先告警后跳闸。零序过流n段可以用很小的定值用于告警，

零序过流I段可以设以较大的定值，并且设置投跳闸。零序过流I段按躲过最大不平衡电

流整定，一般整定为最大不平衡电流的1.2倍。如果三相对称性很好，几乎不存在不平衡

电流，那么按躲过本线路本身的容性电流整定，一般整定为0.51.0A之间。另外，零序过

流保护可以投方向。接地线路的零序电流由线路流向母线，而非接地线路的零序电流那么

由母线流向线路，故用零序方向可以有效区分接地线路和非接地线路。

零序过流保护一定要投延时，以防止瞬时接地或瞬时三相不平衡时，造成零序保护误

动。

零序过流保护投功率方向时，按漏电试验按钮将不会动作。

一般进线不设零序过流保护。

在保护器上，零序过流保护投入控制字为跳闸投入/退出的设置，“Y”表示投入，“N”

表示退出。

在后台机定值表中，实心圆表示投入，空心圆表示退出。

该保护信号未复归将闭锁合闸。

第五章保护整定与计算实例

一水平中央变电所整定计算

序号接口阻抗大方式小方式

1工业广场35KV站6KVI母1.31791.3794

2工业广场35KV站6KVI［母1.12931.1908

3工业广场35KV站6KVIH母2.52902.5905

4凤北35KV站6KVI母1.67521.6719

5凤北35KV站6KVII母1.73671.7384

大方式：系统大方式、煤砰石电厂3台机全开，成庄热电厂6台燃机和两台汽机;

小方式：系统小方式、成庄热电厂停3台，煤砰石停3#机。

基准容量SnlOOMVA基准电压Uj=6.3KA那么

基准电流Ij=Sj/(V3*0.)=9.16KA基准阻抗Zj=Uj7Sj=O.3969

一水平中央变电所供电系统图及短路点选定

MYJVN-5(W-25nl

—o---------------------------------315KW水泵

1丝^YJ0-50mm，-25m

2―---------------------------------

MYJV22-150mm-1500m7#315KW水泵

100/5

628#进线6KVII段—

400/5—国------三水平南翼

2剧节T

—□

------fTTglPT

10#KI^200MYjv22-5-W-15ni

编CD»/

c

MYJV.2-150mm1500m124翼ljYJ%-95mm、400m久5106配电点

306/5L

614#进线6KV1段

------------------------------------------------►315KW水泵

335

-LJ------------------------＞三水平南翼

300/5

HI------------------------►备用

300/5

一、系统阻抗计算、归并

1、高压电缆阻抗标幺值计算：电缆由工业广场35KV变电所614#、628#馈出，电缆为

2

MYJV22-150mm-1500米

2

X\L=XO*L*SJ/UJ

=0.08X1.5XSj/UJ2=0.08X1.5X100/6.32=0.3023

2、所变阻抗标么值：变压器为KBSG-200KVA“=3.97%

2

3、下级5106变电所进线侧电缆MYJV22-95mm-400米阻抗标幺值:

X*DL=0.08X0.4XSj/Uj2=0.08X0.4X100/6.32=0.0806

4、下级5106变电所所变阻抗标么值：变压器为KBSGZY-1000KVAUx=6%

二、短路电流计算

1、一水平中央变电所母线故障

大方式XDllwx=X大+XDL=L3179+0.3023=1.6211

卜曲二L/XDBUX=9.16/1.6211=5.6504KA

小方式XDlMIN=X小+万=1.3794+0.3023=1.6826

L)MN=L/XDMN=9.16/1.6826=5.4439KA

I<2)D.MIN=XL)MN=5.4439X0.866=4.7144KA

2

2、所用变压器低压侧短路

Xbl=l.6211+19.85=21.4711X^l.6826+19.85=21.5326

大方式1gx=9.16/21.4711=0.4266KA

小方式1^=9.16/21.5326=0.4254KA

3、5106变电所进线侧短路

X"F1.5786+0.0806=1.6592Xlxnin=l.6672+0.0806=1.7478

大方式I,=9.16/1.6592=5.5207KA

小方式1.产9.16/1.7478=5.2409KA

I（2）D.MIN=—XI=0.866X5.2409=4.5386KA

2D1M1N

4、5106变电所变压器低压侧短路

X^l.6592+6=7.6592Xb（lin=l.6672+6=7.6672

大方式I.=9.16/7.6592=1.1959KA

小方式39.16/7.6672=1.1947KA

三、保护整定计算

（一）7#、12#电源进线盘（ZBT-1姓型CT:400:5）的整定

1、过电流保护（三段式）：

1）整定原那么：瞬时电流速断保护：按躲过线路末端短路时的最大三相短路电流整定。

限时电流速断保护：按躲过相邻元件末端短路时的最大三相短路电流。过载保护：按躲过

线路的过负荷电流整定

2）整定计算:

速断保护：保护装置的动作电流：

3=右/f..^^=1.3X1X^2.=91.8A,取90A

jxJXn80

保护装置一次动作电流：

灵敏系数按最小运行方式下线路始端两相短路电流校验：

由此可见线路末端短路时最大三相短路较大，瞬时电流速断不能满足灵敏度要求，故

便用限时电流速断保护为主保护。因变电所电源进线与出线供电距离太短,为防止下级短路

时发生越级跳闸，可根据上级35KV变电所6KV分盘614#、628#整定值（CT:200:5,60A,

0.18S;34.5,0.7S;10.5,IS）整定瞬时电流速断。即7#、12#电源进线盘电流I段（速断）

整定为：25A,OSo

限时电流速断保护：按躲过相邻元件木端短路时的最大三相短路电流

IDZJ=^^,VXA^=].3X1X—=6.93A,取17A动作时间取0.55秒

)n80

灵敏系数按小方式下线路始端两项短路电流校验：

Kln=I⑵必访/1改=4758/8*80=7.4