第二章 矿山供电系统故障分析 2

矿山电工学主讲：董海波上页下页目录2第二章矿山供电系统故障分析本章重点：分析两个常见故障：漏电故障和短路故障。回答一个重要问题：为什么“向井下供电的电网不允许直接接地”。重点介绍两种故障计算：人身触电电流（含单相接地电流）计算和短路电流计算。分析矿井电网发生单相漏电和单相接地故障时电网中零序电流的分布。上页下页目录3第一节漏电电流及其危害泄漏电流：正常情况下除用电负荷工作电流以外的电流。漏电电流：发生漏电故障流入大地的电流。漏电故障：电网对地绝缘阻抗下降，泄漏电流增加到危及人身和电气设备安全的故障形式。包括单相接地、两相及三相对地绝缘下降、人身触电等。上页下页目录4第一节漏电电流及其危害电网漏电故障等值示意电路图中：Ua、Ub和Uc是三相电源电压，ZL为负荷阻抗，Ca、Cb、Cc和ra、rb、rc分别是a、b和c相导线对地电容和绝缘电阻，ZN为变压器中性点接地元件（若中性点不接地，ZN=∞，若中性点经电抗接地，则ZN为接地电抗的阻抗），Rr是漏电故障电阻（若单相直接接地，则Rr=0）。上页下页目录5第一节漏电电流及其危害漏电电流的危险：(1)引起人身触电伤亡。(2)引起瓦斯和煤尘爆炸。(3)不及时切除可能引起短路，烧损电气设备。(4)引起电气雷管的无准备引爆。造成人体触电危害的最主要因素有：通过人体的触电电流的大小。电流越大越危险。人身触电的持续时间。时间越长越危险。上页下页目录6电流对人体的影响电流mA50Hz交流直流0.6～1.5始有感觉，手指有麻刺感无感觉2～3手指有强烈麻刺感，颤抖无感觉5～7手部痉挛感觉痒、刺痛、灼热8～10手难以摆脱带电体，手指到手腕有剧痛热感增加20～25手迅速麻痹，不能摆脱带电体，剧痛，呼吸困难热感觉增强较大，手部肌肉不强烈收缩50～80呼吸麻痹心室开始震颤有强烈热感觉，手部肌肉收缩，痉挛，呼吸困难90～100呼吸麻痹，持续3s以上则心脏麻痹，心室颤动呼吸麻痹100～300时间0.1s以上则呼吸心脏麻痹，肌体受电流热破坏上页下页目录7第一节漏电流及其危害通过人体的触电电流大小影响：1、感知电流：平均值为1.1mA，女性约为0.7mA。2、反应电流：能引起预料不到的不自主反应，并有可能造成事故。3、摆脱电流：人体能忍受的最大电流，在这一电流作用下，人体受刺激的肌肉能摆脱带电体。反复经受不会对人体有不良后果；不用借助于他人的帮助而自主脱离危险。是一个人身触电的绝对安全的极限电流。正常男性为9mA，女性6mA。4、心室颤动电流。心室颤动除电流大小因素外，触电时间的影响也很大。上页下页目录8第一节漏电流及其危害人体的电气安全参量9mA摆脱电流是绝对安全电流，是最为保险的。我国一直延用的30mA极限安全电流。30mA·s是人体触电的极限电气安全参量，是国标。取人体电阻为l000Ω为计算参考值。人身触电伤害视频1、视频2生活中发生触电怎么办？看视频3的启示上页下页目录9第一节漏电流及其危害人身触电的预防人身接触到正常情况下不带电，由于绝缘损坏可能带电的各种电气设备的金属外壳，采用保护接地解决。防止人身接触到正常带电的导体，有6条预防措施：(1)将带电导体、电器元件和电缆的接插头等，都封闭在坚固的外壳内。并在电气设备的外壳与盖之间设置可靠的机械闭锁装置。从而保证末合上外盖时，不能送上电；当给上电源时，便不能打开外盖，暴露带电体。(2)对于那些不能被封闭在外壳内的裸露带电导体，如电机车用的架空线，应将其悬挂在一定高度，勿使人身触电。按照《煤矿安全规程》规定，在一般的行人巷道内，高度不得低于2m；在井底车场，从井底到乘车场的巷道内，不得低于2．2m。上页下页目录10第一节漏电流及其危害(3)加强手持式电动工具（如煤电钻等)手柄的绝缘，以免带电时引起触电事故。(4)对于人身触电机会较多的电气设备，应采用较低的供电电压，以减少触电的危险。例如，控制电源等的额定电压为36V。(5)按照《煤矿安全规程》规定：向井下供电的变压器的中性点禁止直接接地，以减小人身触电电流。同时，也禁止使用地面上中性点直接接地的变压器或发电机直接向井下供电。(6)装设灵敏可靠的漏电保护装置，一旦发生漏电或人身触电事故，立即切除故障线路电源，以保证人身的安全。上页下页目录11第二节井下供电的变压器中性点禁止直接接地分析向井下供电的变压器中性点接地方式是影响人身触电电流、漏电故障电流和单相接地故障电流大小的最重要因素之一，进而也是影响人身触电危险程度和井下电火灾与瓦斯、煤尘爆炸危险程度的最重要因素之一，因此，很有必要对向井下供电的变压器中性点接地方式作一分析。上页下页目录12变压线中性点直接接地的供电系统人触及一相带电导体时电网单相接地故障3()phNRrErEUUIRRRR6600.38A380mA3(10002)RI660190A32kI上页下页目录13变压器中性点绝缘的供电系统忽略电网对地电容0/3aaRrrUUUIRRr6600.03A30mA3(100035000/3)RI上页下页目录14变压器中性点绝缘的供电系统考虑电网对地分布电容上页下页目录1522222222/3(6)(6)119(1)9(1)phNRRrrrrrrUUIIrrRrrRRRRCrRCr22622660/335000(3500061000)1000191000[1314(0.510)35000]154mA30mARI上页下页目录16变压器中性点采用电感接地全补偿上页下页目录17变压器中性点采用电感接地222222/331311()21()2113131[()(31/)][()(31/)]phNRRrrNNrrrNrNNNUUIIRRrRrRRRRCLRCLrRrR2262660/36100013500010001311000[()(33140.510)]350003146.761630mARI上页下页目录18电网单相接地故障不考虑电网分布电容，取Rr=1Ω考虑电网分布电容，取Rr=1Ω全补偿，取Rr=1Ω6600.0326A32.6mA3(135000/3)RI2622660/3182.4mA35000(350006)191[1314(0.510)35000]RI622660/3=32.6mA35000(350006)1191[1(3140.510)35000]33146.7616RI上页下页目录19分析结论1、变压器中性点直接接地方式比中性点不接地和电感接地方式的人身触电电流或单相接地故障电流要大得多（增大触电危险及引起瓦斯、煤尘爆炸的可能）。因此，《煤矿安全规程》规定：“严禁井下配电变压器中性点直接接地”。2、人身触电电流中主要是电容电流分量，提高电网的绝缘水平对减小人身触电电流影响不大。上页下页目录20分析结论3、当电网供电距离比较长，供电容量比较大，人身触电电流比较大时，可采用变压器中性点电感接地方式。4、电感接地方式对减小单相接地故障电流效果明显。对于煤矿井下高压（6kV或10kV）电网，《煤矿安全规程》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。”上页下页目录21第三节单相漏电故障时电网中零序电流的分布基于稳态分析的选择性漏电保护原理都是依据零序电流的大小或是依据零序电流和零序电压的相位关系来选择故障线路的，因此，要理解选择性漏电保护的工作原理，必须清楚发生单相漏电故障时，电网中零序电流是如何分布的。本节讨论单相漏电故障时，电网中零序电流的分布。上页下页目录22对称分量法简介对称分量法相量图0021122211111AAABaaAXACaaAA0121221111131AAAAXBaaBACaaC2211111Xaaaa01201322jaej上页下页目录23对称分量法简介不对称电网021221111131abcUUUaaUUaaU021221111131abcIIIaaIIaaI0212211111abcUUUaaUUaaU0212211111abcIIIaaIIaaI上页下页目录24对称分量法在单相漏电故障分析中的应用单相漏电故障电网arbrcracbcccNZ0UErRaIbIcIRI0aUbUcUwLRwLRwLRwLLwLLwLLLZLZLZ上页下页目录25故障点的边界条件为：LZLZLZarbrcracbcccwLLwLLwLLNZwLRwLRwLRaUbUcU0UEaEUbEUcEURI0000aEaarbEbcEcUUUIRUUUUUU0bcaRIIII上页下页目录26对称分量法在单相漏电故障分析中的应用不对称的电流相量分解为正序、负序和零序三组对称电势源和相应的对称电流相量0221222111111331aEaEbEcEbEaEbEcEcEaEbEcEUUUUUUaaUUaUaUUaaUUaUaU0212211111103310RRRRIIIIaaIIaaIarbrcracbcccNZ0UERI1aU1bU1cU2aU2bU2cU0U0U0U0aUbUcUwLRwLRwLRwLLwLLLZLZLZwLL上页下页目录27对称分量法在单相漏电故障分析中的应用根据线性电路的叠加原理分解为正序、负序和零序回路。（P62.图2-12-d.e.f）arbrcracbcccNZ0UE1EI1aU1bU1cU0aUbUcUwLRwLRwLRwLLwLLLZLZLZwLL11110abcEIIII上页下页目录28负序回路arbrcracbcccNZ0UE2EI2aU2bU2cU0wLRwLRwLRwLLLZLZLZwLLwLL22220abcEIIII上页下页目录29零序回路arbrcracbcccNZ0UE03I0U0U0U0wLRwLRwLRwLLwLLLZLZLZwLL上页下页目录30对称分量法在单相漏电故障分析中的应用正序电路、负序电路和零序电路的单相分析电路只有零序电流流过故障点aU1aIwLRwLL1aUwLRwLL2aU2aIrc3NZwLR0UwLL0I11()/()aaawWIUURjX11110abcEIIII22/()aawWIURjX22220abcEIIII0(3)////(1/)(3)////(1/)NwWNZZRjXrjCZrjC000/IUZ上页下页目录311、变压器中性点不接地或经电感接地的电网单相漏电故障时，可以将单相故障的不对称电路利用对称分量法分解为三个对称电路来分析。由于正序和负序电路的对称性，正序和负序电流对单相漏电故障电流没有影响，因此，只要单纯地分析零序电路就可准确地分析单相漏电故障电路。分析结论：上页下页目录322、零序相量是3个大小相等方向相同的分量，依据结论1，下图可描述变压器中性点不接地或经电感接地的电网中单相漏电故障电路。图中，ZN为变压器中性点接地元件，r是每相对地绝缘电阻，C是每相对地分布电容；U0是不对称故障点的等效电势源，是由单相漏电故障产生的。0