煤矿电气安全王崇林

煤矿电气安全与保护中国矿业大学电气安全与智能电器研究所二OO九年十一月2主要内容煤矿供电系统中性点运行方式选择性漏电保护3一、煤矿供电系统及特点二、煤矿电网运行中存在的问题三、煤矿电网的研究方向煤矿供电系统4一、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。由于煤矿生产的特殊性，在供电上要求更为严格。其主要要求如下：1）供电可靠2）供电安全3）保证充足的供电量4）技术经济合理52．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63矿井供电系统的结构矿井供电方式的决定因素矿区范围采用机械化方式矿层结构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7电力网深井供电8中央变电所94矿井变电所及工作面配电点地面变电所井下中央变电所采区变电所工作面配电点10某矿地面供电系统（部分）11某矿井下供电系统（部分）12供电可靠性要求高井下人员瓦斯涌水生产损失惨重，教训深刻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、移动变电站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运行环境恶劣事故频繁环境潮湿，粉尘多，移动型设备多，挤压碰撞多电缆供电为主高压电缆一般有几十公里，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供电设备技术水平参差不齐设备多且难以统一，配合复杂，管理维护困难5矿井供电的特点13二、煤矿电网可能存在的问题设计生产能力小，经过多次扩容改造，使得电网结构复杂；对供电系统缺乏整体性的规划，使得运行管理混乱；保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；其它安全隐患。14三煤矿电网的研究方向供电系统优化设计供电设备安全可靠性保护整定的规范问题无功优化补偿问题选择性漏电保护问题电容电流治理电能质量问题防爆问题……15煤矿高压电网的中性点运行方式及选择性漏电保护中性点运行方式单相接地的危害电容电流的治理选择性漏电保护16一电网中性点运行方式中性点的运行方式指的是中性点与大地之间的连接关系。中性点运行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。中性点运行方式的不同，直接影响到安全和经济问题，需要进行综合比较分析。171中性点运行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18中性点运行方式的种类19关于煤矿电网中性点运行方式的规定《煤矿安全规程》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一般采用中性点不接地系统或中性点经消弧线圈接地的系统。202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。因为在这类电网中，发生单相接地故障的比例很大。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21中性点不接地方式-正常运行1.三相对称，没有电流在地中流过。2.中性点对地电位为03.各相对地电压等于相电压。4.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）22中性点不接地方式—单相接地①当发生金属性接地时，接地故障相对地电压为零。②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。③非故障相对地电压由相电压升高为线电压。④三相的线电压仍保持对称且大小不变，对电力用户接于线电压的设备的工作并无影响，无须立即中断对用户供电。⑤单相接地电流，等于正常运行时一相对地电容电流的三倍，为容性电流。23中性点不接地方式-单相接地电流①电网模型：假设电网三相对称，忽略电网对地绝缘电阻，只考虑电网对地电容。②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。③发生单相接地时，接地相对地电压为零，而非故障相对地电压变为线电压。因而容易造成两相短路。④单相接地电流CBCACBCACEUCjCUjCUjIII3)()(..CUIE324单相接地故障对电网的影响单相接地时，由于线电压保持不变，使负荷电流不变，电力用户能继续工作，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可能引起故障扩大，发展成为多相接地故障。非故障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承受线电压考虑设计，从而相应地增加了投资。在中性点不接地系统中，应装设交流绝缘监察装置，当发生单相接地故障时，立即发出信号。规程规定：系统发生单相接地时，继续运行的时间不得超过2h，并要加强监视。25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，电缆也可能遭受脱落的岩石和煤块砸坏，甚至被移动的机器设备等挤压。从而造成漏电和接地事故。据有关的统计资料记载，在此情况下，80%以上的电气短路故障都属于单相漏电和接地事故。单相漏电和接地故障，有可能带来巨大的危害，如引起人身触电，瓦斯煤尘爆炸和电气雷管先期爆发事故，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可能产生过电压。线路对地电容与电感元件之间也有可能引起铁磁谐振过电压，使那些绝缘薄弱环节相继击穿。同时，单相接地电弧又可能进一步烧坏相间绝缘。所有这些都有可能造成相间短路，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26适用范围单相接地电流与电网电压和电网对地电容有关。对于短距离、电压较低的输电线路，因对地电容小，接地电流小，瞬时性故障往往能自动消除，故对电网的危害小，对通讯线路的干扰小。对于高压、长距离输电线路，单相接地电流一般较大，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，形成过电压，可能击穿设备绝缘，造成短路故障。为了避免发生间歇电弧，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距离比较长的煤矿不适宜。27《煤矿安全规程》第457条规定：矿井高压电网，必须采取措施限制单相接地电容电流不超过20A。地面变电所和井下中央变电所的高压馈电线上，必须装设有选择性的单相接地保护装置；供移动变电站的高压馈电线上，必须装设有选择性的动作于跳闸的单相接地保护装置。28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，造成单相接地电流大。单相接地电流过大可能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保护接地点的接地电阻值不得超过2欧姆，为保证在发生单相接地故障时产生的接地电压不超过安全电压系列的最高值42V，则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过20A；457条规定的含义29电网对地电容电流的测量直接接地测量很危险，对电网有冲击和损坏。经电容接地测量也较危险，电容需要最后放电。测量方法：停电后在某一相并入电容并接地，送电后测量电容电压U2，已知电网相电压U1和并联电容C1，电网电容C=C1*(U1-U2)/U2。经电阻接地比较安全，测量也很准确。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。测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。303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：改变系统运行方式缩小系统规模改变中性点接地方式采用接地分流装置31改变系统运行方式：该方法一般将系统运行方式由并列运行改为分列运行，相当于将6kV大系统分为2个或多个小系统，一般适用于电网规模不大，且从经济上考虑具备分列运行条件的系统。缩小系统规模：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，该方法因为采用6kV隔离变压器，造价较高，损耗加大，且系统的运行方式不灵活，同时会造成系统构造复杂化。治理方法综述32采用接地分流装置：接地分流装置从严格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，使故障接地点的电弧熄灭，但系统单相接地电容电流值并未减小；分流装置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《煤矿安全规程》要求，同时该方法安全性较差，不建议采用。治理方法综述33治理方法综述不符合《煤炭安全规程》的要求；接地点的电流很难控制在治理要求达到的残流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故障相电压无论在发生何种接地故障时都上升为线电压，对电缆绝缘构成威胁；接地分流装置鉴相错误时，容易造成事故扩大。34治理方法综述改变中性点接地方式：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，从根本上使接地故障点的接地电流减小。随着技术的发展，目前自动跟踪补偿消弧线圈技术已经成熟，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解决方法。354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。如果能够在发生单相接地时部分或全部抵消掉电容电流，则单相接地电流将大减小。方法就是在中性点处加入消弧线圈。消弧线圈的工作原理：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（消耗功率小），电抗很大（保证对地绝缘水平），电抗值可用改变线圈的匝数来调节。发生单相接地故障时，通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。36中性点经消弧线圈接地情况37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：cUBCACII..CBCACBCACECUjUUCjIII3)()(..LUjjXUICLCL0LEII231CLLI38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，形成串联谐振，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原因使接地电流减少，可能出现完全补偿。故一般也不采用。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使用。但过补偿程度要合适.自动跟踪补偿单片机或微机控制39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故障时，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考虑.中性点经消弧线圈接地后，能有效地减少单相接地故障时接地处的电流，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，故广泛应用在不适合采用中性点不接地的3-35kV系统。40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，调节出不同的感性电流进行补偿，高压电网单相接地电流主要是电容电流，因此可使故障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41单相接地电流的计算：AE0UEIAUC33/rL)133('0LjCjrEZEIAAE