井下电气三大保护

2022年-2023年建筑工程管理行业文档 齐鲁斌创作第一章 井下电器三大保护 煤矿井下供电系统的过流保护、漏电保护、接地保护统称为煤矿井下电器的三大保护。井下电器系统的三大保护是保证井下供电、用电安全的可靠措施。第一节 漏 电 保 护 当电气设备或导线的绝缘损坏或人体触及一相带电体时，电源和大地形成回路，有电流流过的现象，称为漏电。 井下常见的漏电故障可分为集中性漏电和分散性漏电两类。集中性漏电是指漏电发生在电网的某一处或某一点，其余部分的对地绝缘水平仍保持正常。分散性漏电是指某条电缆或整个网络对地绝缘水平均匀下降或低于允许绝缘水平。 一、漏电的危害及原因 漏电的危害 漏电会给人身、设备以致矿井造成很大威胁，其危害主要有四个方面： （）人接触到漏电设备或电缆时会造成触电伤亡事故。 （）漏电回路中碰地碰壳的地方可能产生电火花，有可能引起瓦斯煤尘爆炸。 （）漏电回路上各点存在电位差，若电雷管引线两端接触不同电位的两点，可能使雷管爆炸。 （）电气设备漏电时不及时切断电源会扩大为短路故障，烧毁设备，造成火灾。漏电的原因（）电缆和电气设备长期过负荷运行，使绝缘老化而造成漏电。（）运行中的电气设备受潮或进水，造成对地绝缘电阻下降而漏电。（）电缆与设备连接时，接头不牢，运行或移动时接头松脱，某相碰壳而造成漏电。（）电气设备内部随意增加电气元件，使外壳与带电部分之间电气间隙小于规定值，造成某一相对外壳放电而发生接地漏电。（）橡套电缆受车辆或其它器械的挤压、碰砸等，造成相线和地线破皮或护套破坏，芯线裸露而发生漏电。（）铠装电缆受到机械损伤或过度弯曲而产生裂口或缝隙，长期受潮或遭水淋使绝缘损坏而发生漏电。（）电气设备内部遗留导电物体，造成某一相碰壳而发生漏电。 （）设备接线错误，误将一相火线接地或接头毛刺太长而碰壳，造成漏电。（）移动频繁的电气设备的电缆反复弯曲使芯线部分折断，刺破电缆绝缘与接地芯线接触而造成漏电。（）操作电气设备时，产生弧光放电造成一相接地而漏电。（）设备维修时因停、送电操作错误，带电作业或工作不慎，造成人身触及一相而漏电。二、低压检漏保护装置煤矿安全规程规定：“井下低压馈电线上，应装设检漏保护装置或有选择性的漏电保护装置，保证自动切断漏电的馈电线路”。漏电保护装置还能经常监视电网的绝缘状态，以便进行预防性检修。另外，还能对电网对地的电容电流进行补偿。所以说，设置漏电保护装置是保证井下安全供电的有效措施。（一）漏电保护装置的动作电阻值 漏电保护装置的动作电阻是以电网系统的总的绝缘电阻值为基础的。电网系统总的绝缘电阻值规定为：在 时，不低于；时，不低于；时，不低于；时，不低于几当低压电网绝缘阻值下降到危险值时，漏电保护装置应动作，切断电源。该绝缘阻值即为漏电保护装置的动作值。当不考虑电网对地分布电容时，动作绝缘电阻值可由下式求出。即 漏电保护装置作用于跳闸时，应满足快速性的要求。一般保护装置与馈电开关联动时间应小于以下值：时为2；时为；时为； 时为。（二）电网对地电容电流的补偿 井下低压供电系统是中性点绝缘的供电系统，电网对地分布电容产生的电容电流往往会大大超过极限安全电流。例如，当供电线路长为左右时，在电网绝缘处于正常状态下，容性电流可达左右；显然是很危险的，不进行补偿就会危及人身和矿井的安全。 对电容电流的补偿，可使用电抗器，产生感性电流来抵消电网对地的电容电流。补偿有三种情况，其一是完全补偿，但实际电网对地分布电容是经常变化的，不可能做到完全补偿；其二是欠补偿；其三是过补偿，一般不用过补偿。三、漏电保护方式漏电保护方式有漏电保护、选择性漏电保护、漏电闭锁。漏电保护 目前使用的漏电保护装置种类很多，有电子电路的，也有单片计算机控制的。这里介绍的漏电保护，从原理上也叫附加直流电源漏电保护，如图所示。其工作原理是：漏电继电器用直流电进行绝缘监视，当人体触电时，绝缘电阻降低，其回路如下：电源接地极人体负荷线相（三相电抗器）（零序电抗器）（欧姆表）（直流继电器）电源，吸合 闭合（跳闸线圈）有电触点断开（馈电开关）断开一切断了供电回路。 如果绝缘阻值高于整定值时，直流监测电流小于 的动作电流，馈电开关不会跳闸，正常供电。 选择性漏电保护 选择性漏电保护大多利用零序电流方向保持原理，如图所示，采用的主要检查元件是零序电流互感器。零序电流互感器有一个环形铁芯，其上缠有二次绕组，环形铁芯套在电缆上，穿过铁芯电缆中的三根芯线就是它的一次绕组。 在线路正常工作时，电网的三相电压对称，三相负载相同，三相电流的矢量和等于零，电流互感器二次没有电流和电压，执行继电器不动作。 当发生漏电故障时，三相电路不对称，必然有零序电流，这个零序电流通过电网对地绝缘电阻和分布电容构成通路。当发生单相漏电故障时，在零序电流互感器的一次侧中流过倍的零序电流，在二次侧产生电流，经二极管整流后，可使执行继电器动作，带动开关跳闸。同理，如图所示，在供电系统中各支路的每相对地电容分别用、2和表示，如果在第一支路上发生单相漏电或接地故障，第二、三支路的零序电流互感器和中的零序电流便分别由各支路自身的电容和来决定，而在中则流过第二、三支路电流之和，使第一支路的零序电流互感器所流过的零序电流要大于其他两个支路。如果电网的支路数更多，则中的零序电流还要更大，因此，利用零序电流的大小不同，即可使故障支路与非故障支路区分开，达到选择性漏电保护目的。 漏电闭锁 漏电闭锁是指在开关合闸前对电网进行绝缘监测，当电网对地绝缘阻值低于闭锁值时开关不能合闸，起闭锁作用。图是磁力起动器中漏电闭锁原理图。在磁力起动器尚未吸合送电时，主接触器的常闭辅助触头闭合，接通以下直流绝缘检测电路。附加直流电源的“”端地电动机及其供电线路的对地绝缘电阻三相线路，人工星形三相硅堆常闭辅助触头3取样电位器直流电源的“”端，从而对进行检测。若此时电动机及其供电线路的绝缘水平较低，小于规定的漏电闭锁动作电阻值或已存在漏电，检测电路中将流过较大的直流电流，从取样电位器上取得一个较大的信号电压，使后面的反相放大器输出零伏电压，导致三极管截止，漏电闭锁继电器B断电，因而后者的常开触点不能闭合，接触器的线圈控制电路不能接通，磁力起动器不能合闸送电，这就实现漏电闭锁。反之，如果此时电动机及其供电线路的绝缘良好，大于规定的漏电闭锁动作电阻值，则在检测回路中流过很小的直流电流，从取样电位器上取得的信号电压也很低，因而反相放大器输出较高电压，促使导通，H继电器有电，后者闭合它自身的常开触点，为接通接触器的线圈电路做好了准备。这时只要按压起动按钮，即可使磁力起动器吸合送电，电动机起动运转。但在起动器合闸送电后，主接触器的常闭辅助触头随之断开，切断漏电闭锁检测电路，漏电闭锁解除。此后，如果电动机及其供电线路在运行过程中发生漏电，则由接在电网总开关上的检漏继电器进行保护，使总开关跳闸。四、漏电保护装置的整定、维护及检修漏电保护装置的整定漏电继电器动作电阻值是以网路绝缘电阻为基准确定的，即当低压电网绝缘水平下降到对人触电有危险时，漏电继电器应动作，并切断电源。因此，把这个对人身触电有危险的电网极限绝缘电阻值，定为漏电继电器的动作电阻值。对漏电保护和漏电闭锁装置按表整定。漏电保护装置的维护及检修值班电工每天应对漏电继电器的运行情况进行一次检查和试验。检查漏电继电器安装位置是否平稳可靠，周围是否清洁，有无淋水现象，局部接地极和辅助接地极安设是否良好，观察欧姆表指示数值是否正常，如果网路的绝缘水平下降到，低于，低于，低于时，则应及时地采取措施，设法提高网路的绝缘电阻值，预防跳闸。此外，每天应用试验按钮对漏电继电器进行一次跳闸试验。在超级瓦斯矿井和有瓦斯突出的矿井，试验漏电继电器将造成局通停止运转，使掘进巷道与工作面瓦斯聚集，易发生危险。为此，某些煤矿采用了并接试验，用馈电开关的办法来解决这一问题。每月至少要对漏电继电器进行一次详细的检查和修理，除了每天检查时的内容外，还要检查各处的线头是否良好，有无破损及受潮，闭锁开关是否灵活，各处接头，触点接触是否良好，有无松动脱落或烧毁的现象。继电器的动作是否灵敏可靠，整流器的直流电压是否符合要求，内部元件、熔断器熔体及指示灯有无烧毁，调节补偿电感是否达到最佳补偿效果，漏电继电器是否符合防爆性能。漏电继电器每年应上井进行检修，除对防爆外壳修理外，其他项目应按照安装前的检验内容进行检查和试验，并更换不合格的零件；对绝缘电阻较低、耐压试验不合格的须进行烘烤处理。第二节 过电流保护 一、过电流故障的危害及原因 过电流是指流过电气设备和电缆的电流超过了额定值。其故障有短路、过负荷和断相。短 路短路是指电流不流经负载，而是两根或三根导线直接短接形成回路，这时电流很大，可达额定电流的几倍、几十倍，甚至更大，其危害是能够在极短的时间内烧毁电气设备，引起火灾或引起瓦斯、煤尘爆炸事故。短路电流还会产生很大的电动力，使电气设备遭到机械损坏，也会引起电网电压急剧下降，影响电网中的其他用电设备的正常工作。造成短路的主要原因是绝缘受到破坏，因而应加强对电气设备和电缆绝缘的维护及检查，并设置短路保护装置。过负荷过负荷是指流过电气设备和电缆的实际电流超过其额定电流和允许过负荷时间。其危害是电气设备和电缆出现过负荷后，温度将超过所用绝缘材料的最高允许温度，损坏绝缘，如不及时切断电源，将会发展成漏电和短路事故。过负荷是井下烧毁中、小型电动机的主要原因之一。引起电气设备和电缆过负荷的原因主要有以下几方面：一是电气设备和电缆的容量选择过小，致使正常工作时负荷电流超过了额定电流；二是对生产机械的误操作，例如在刮板输送机机尾压煤的情况下，连续点动起动，就会在起动电流的连续冲击下引起电动机过热，甚至烧毁。此外，电源电压过低或电动机机械性堵转都会引起电动机过负荷。断 相断相是指三相交流电动机的一相供电线路或一相绕组断线。此时，运行中的电动机叫单相运行，由于其转矩比三相运行时小得很多，在其所带负载不变的情况下，必然过负荷，甚至烧毁电动机。造成断相原因有：熔断器有一相熔断；电缆与电动机或开关的接线端子连接不牢而松动脱落；电缆芯线一相断线；电动机定于绕组与接线端于连接不牢而脱落等。由于井下过电流发生的机会多而且造成的危害巨大，所以对于电气设备和电缆都必须加以相应的过流保护。二、采区低压电网过电流保护装置的整定计算对各种过流故障虽然有预防措施，但仍有可能发生，所以在电气设备内均设有过流保护装置。对过流保护装置的额定电流或动作电流，必须进行正确的选择或整定，否则不能起到保护作用。熔断器熔断器串接在被保护的电气设备的主电路中，当电气设备发生短路时，流过熔体的大电流使熔体温度急剧升高并将它熔断，从而将故障线路与电源分开，达到保护的目的。熔体额定电流的选择计算如下：（）对保护电缆支线的熔体，按下式计算：式中熔体的额定电流，； e一电动机的额定起动电流，； .电动机起动时保证熔体不熔化的系数，对不经常起动和轻载起动的电动机取.，对频繁起动或带负荷起动者可取.。（）对保护电缆干线的熔体，按下式计算：式中e容量最大的一台鼠宠电动机的额定起动电流，； e其余电动机额定电流之和，。（）对保护照明负荷的熔体，按下式计算：式中e照明负荷的额定电流，。 为保证在熔断器保护范围内出现最小短路电流时熔体能可靠熔断，按规定要验算它们的下式进行短路电流，校验其灵敏度，公式如下：式中d(2)被保护范围末端的最小两相短路电流，；保证熔体及时熔断的系数，电压为、，熔体额定电流及以下时，系数取；熔体额定电流时，系数取.4；熔体额定电流 时，系数取；熔体额定电流 及以上时，系数取；电压为 时，系数一律取。假若短路电流校验不能满足要求时，可根据具体情况，分别采取下列措施：（）加大干线或支线电缆截面。（）设法减少电缆线路的长度。（）换用大容量变压器。（）对有分支的供电线路可增设分段保护开关。 电磁式过流继电器 在系列矿用隔爆型自动馈电开关中装设的过流继电器，是一种直接动作的一次式过流继电器，作为变压器二次侧总的或配出线路的短路保护装置。它的动作电流整定值，是靠改变弹簧的拉力进行均匀调节的，其调节范围一般是开关额定电流的倍。当继电器的动作电流一经整定好后，只要流过继电器线圈的电流达到或超过整定值时，继电器就迅速动作。电磁式过流继电器的整定：（）保护支线按下式计算：式中电磁式过流继电器的整定动作电流，； e电动机的额定起动电流，。（）保护干线电缆按下式计算：式中e容量最大的台电动机额定起动电流； e其余电动机的额定电流之和。（）灵敏度校验： 式中 d(2)被保护范围末端的最小两相短路电流，； 过流继电器动作电流整定值；s灵敏度系数。井下采、掘、运机械常用电动机的额定电流和额定起动电流，可查技术数据表。如果没有具体资料可查，可进行估算，方法如下： 对于电动机，e=2e； 对于电动机，.e; 对于电动机，e= e。e为鼠笼型电动机的额定功率(KW)，ee。热继电器 热继电器是以双金属片为主体构成的。一方面，因为双金属片有热惯性，从设备开始出现过载到双金属片因受热而产生显著变形，以致断开触点起保护作用，需要经过一段延时。另一方面，过载程度越大，双金属片的温度升高的越快动作延时越短；反之则动作延时越长。 热继电器的整定计算如下：（）保护单台电动机时按下式计算：式中热继电器的整定电流，； e电动机的额定电流。（）保护多台电动机时按下式计算：式中e各电动机额定电流之和，；、电磁起动器电磁起动器中电子保护的过流整定值，按下式计算：式中d(2)被保护范围末端的最小两相短路电流，； 电子保护器的过流整定值，； e电动机的额定电流； 电子保护器短路保护动作值； 保护装置的可靠动作系数。三、低压电网短路电流的计算低压电网短路电流计算的目的，其一是按最大短路电流选择开关设备，使开关的遮断电流大于所保护电网发生的最大三相短路电流；其二是按保护线路最末端的两相短路电流校验其保护装置的灵敏度，从而达到保护装置的要求。短路电流的计算，应根据井下低压电网的实际情况，力求计算过程简单，并设定一些条件。（一）计算低压电网短路电流的设定条件（）低压供电系统的容量为无穷大时，变压器二次空载电压维持不变。（）短路电流的非周期分量忽略不计。（）计算线路阻抗时，电缆的电阻值若小于其电抗值的三分之一，可忽略电缆的电阻。（）计算低压电网短路电流可不计算高压电网阻抗。忽略开关的接触电阻和弧光电阻。（二）低压电网短路电流的计算 短路电流的计算，有公式法和图表法两种。图表法使用简便，但不如公式法准确。公式计算法利用公式计算短路电流，其实质是欧姆定律的应用。）两相短路电流的计算（1）两相短路电流的计算公式为：（）用公式法计算两相短路电流的准备工作： 原始资料的搜集。包括低压供电图；电网电压等级；所用变压器的型号；分段电缆的型号、规格、长度；开关型号。 保护范围内两相短路点的选定。 对表查找（见电工手册变压器数据表）或计算变压器和每段电缆的电阻、电抗值；求出短路回路内一相电阻值、电抗值的总和，便于利用公式计算。以上前两项内容可标注在低压供电系统图上。）三相短路电流的计算三相短路电流的计算公式为所以，计算出其中的一种短路电流，便可得知另一短路电流。用图表法计算两相短路电流用图表法计算两相短路电流虽比不上用公式法计算得准确，但也能够满足要求。其步骤如下：（1）搜集原始资料。同公式法步骤。（）确定每台开关的保护范围。（）将实际使用电缆的截面长度换算为标准电缆截面为mm2的电缆长度。换算方法是：实际电缆长度乘以换算系数。低压不同截面的电缆换算系数见表。 高压电缆折算至低压mm2电缆时，不同电压等级的换算系数见表。（）计算短路点至变压器间的电缆换算长度之和。变压器的型号、容量和运行方式要相符。实际电压要与表中电压等级相符。短路电流的计算实例例 资料如图 所示，计算 点的两相短路电流（用图表法）。第三节井下电网的保护接地 保 护 接 地漏电保护的侧重点是故障发生后的跳闸时间，一旦发生漏电或人身触电应尽快切断电源，将故障存在的时间减少到最短。井下保护接地的侧重点，在于限制裸露漏电电流和人身触电电流的大小，最大限度地降低严重程度。两种保护在煤矿井下低压电网中相辅相成，缺一不可，它们对保证井下低压电网的安全运行具有重要作用。 一、保护接地及其作用 为了减少人身触电电流和非接地电气设备相对地电流的火花能量，防止电气事故的发生，煤矿安全规程、规定：“以上和由于绝缘损坏可能带有危险电压的电气设备的金属外壳、构架，铠装电缆的钢带或钢丝、铅皮或屏蔽护套等必须有保护接地。”在井下变压器中性点不接地供电系统中，用导体把电气设备中所有正常不带电金属外壳、构架与埋在地下的接地极连接起来，称为保护接地。电气设备无保护接地时（见图），当人身触及一相因绝缘损坏而带电的设备外壳时，电流几乎全部通过人身而人地，其触电电流的回路如图中所标。人身触电电流的大小，取决于电网的电压值。电网对地的电容值和绝缘电阻值。可以通过下式来分析：当供电系统绝缘电阻值足够大时（不考虑电容电流的影响），通过人身的电流便会小于我国规定的的极限电流；否则，人身电流将超过安全极限电流。例如，系统，电网的绝缘阻值，通过人身的电流为。由此可知当电网绝缘值低于，过人体的电流便会超过极限安全电流。当有保护接地时（见图），人身触及设备外壳的触电电流只是入地电流的一部分。因为人体与接地极构成了并联，而人身电阻为，接地极电阻为2，通过电阻并联与电流的关系，则通过人身电流比较小，因而是安全的。另外，有了保护接地极的良好接地，大大减小了因设备漏电时，使其外壳与地接触不良产生的电火花。从而减少了引起瓦斯、煤尘爆炸的可能性。二、井下保护接地网的作用与构成井下保护接地网的作用保护接地对保证人身触电安全是非常重要的。由于接地电阻的数值被控制在煤矿安全规程规定的范围内，因此，通过接地装置的有效分流作用就可以把流经人身的触电电流降低到安全值以内，确保人身的安全。此外，由于装设了保护接地装置，带电导体碰壳处的漏电电流经接地装置流入大地，即使设备外壳与大地接触不良而产生电火花，但由于接地装置的分流作用，可以使电火花能量大大减小，从而避免了引爆瓦斯、煤尘的危险。保护接地如图所示。井下保护接地网的构成井下电气设备比较分散，而且供电距离又较远，很难用一个集中的接地装置来满足保护接地的需要。因此，除井下中央变电所设置主接地极外，沿着供电线路还埋设了许多局部接地极。利用铠装电缆的铅皮、钢带、电缆的接地芯线，把分布在井底车场、运输大巷、采区变电所以及工作面配电点的电气设备（以上）的金属外壳在电气上连接起来这样就使各处埋设的接地极（局部接地极）也并联起来，形成一个井下保护接地系统如图一所示。三、对保护接地的要求接地电阻的大小，将直接影响到电气设备金属外壳对地电压的高低，而单个接地极很难达到安全的要求，因此，井下采用保护接地网以尽量减小接地电阻的数值为好，根据煤矿安全规程对保护接地有如下要求：（）电压在 以上和由于绝缘损坏可能带有危险电压的 电气设备的金属外壳、构架，铠装电缆的钢带（或钢丝）、铅皮或屏蔽护会等必须有保护接地。（）接地网上任一保护接地点的接地电阻值不得超过。每一移动式和手持电气设备至局部接地极之间的保护接地用的电缆芯线和接地连接导线的电阻值，不得超过。（）所有电气设备的保护接地装置（包括电缆的铠装、铅皮、接地芯线）和局部接地装置，应与主接地极连接成个总接地网。主接地极应在主、副水仓中各埋设一块。主接地极应用耐腐蚀的钢板制成，其面积不得小于 ，厚度不得小于 m。在钻孔中敷设的电缆不能与主接地极连接时，应单独形成一分区接地网，其接地电阻值不得超过。（）下列地点应装设局部接地极：采区变电所（包括移动变电站和移动变压器）；装有电气设备的硐室和单独装设的高压电气设备。低压配电点或装有台以上电气设备的地点。无低压配电点的采煤机工作面的运输巷、回风巷、集中运输巷（胶带运输巷）以及由变电所单独供电的掘进工作面，至少应分别设置个局部接地极。连接高压动力电缆的金属连接装置。局部接地极可设置于巷道水沟内或其他就近的潮湿处。设置在水沟中的局部接地极应用面积不小于，厚度不小于m的钢板或具有同等有效面积的钢管制成，并应平放于水沟深处。设置在其它地点的局部接地极，可用直径不小于mm。长度不小于的钢管制成，管上应至少钻个直径不小于m的透孔，并垂直全部埋入底板；也可用直径不小于mm、长度为的根钢管制成，每根管上应钻个直径不小于5的透孔，根钢管相距不得小于5m，并联后垂直埋入底板，垂直埋深不得小于m。（）连接主接地极的接地母线，应采用截面不小于的铜线，或截面不小于的镀锌铁线，或厚度不小于m、截面不小于的扁钢。（）橡套电缆的接地芯线，除用作监测接地回路外，不得兼作它用。 四、保护接地装置的安装检查与维护井下保护接地装置的安装（）主接地极。主接地极的安装如图所示。两个主接地极分别安装在主、副水仓，并保证其工作时总是埋在水中。为了检修时提升方便，应设置专用吊环和吊绳。另外，在制作时，主接地极及其接地导线必须焊接在一起。而安装时，接地导线和接地母线之间只好用螺栓连接，但应保证接触良好，并不承受过大的拉力。（）局部接地极。钢板和角钢局部接地极，最好埋设在巷道旁的排水沟中。钢板和角钢局部接地极与接地导线之问也必须焊接，焊接尺寸如图所示。钢管局部接地极，一般垂直打入潮湿的地下，并要求埋在地下部分的长度不得小于，而地表部分应留有m以上的焊接长度，如图一所示。如接地极附近的土壤比较干燥，在其周围应用沙子、木炭和食盐等混合物填满。砂子和食盐的比例，按体积计算，约为：1。埋设后，再灌水，以降低其接地电阻值。井下保护接地装置的检查与维护凡有值班人员的机电硐室和有专职司机的电气设备，在交接班时，必须由值班人员和专职司机对局部接地极、接地导线及连接导线等进行一次表面检查。对于其他电气设备的保护接地，则由维护人员每周至少进行一次表面检查，检查的重点是整个接地网的连接情况，使其保持完好状态。一旦发现接触不良或有严重锈蚀等情况，应当立即处理，以免使接地电阻值增大。此外，每年至少要将主接地极和局部接地极从水仓或水沟中提出来，详细检查一次。对于主接地极，应是一个检查，一个工作，而不能两个同时提出来，以免影响安全。为了降低接地电阻值，对于钢管接地极，应经常灌注盐水，以保持良好的导电状态。电气设备在安装、检修搬迁后，应详细检查其接地装置的完善情况，使其接地良好。总接地网的接地电阻值的测定，由专人负责，每季至少进行一次，并有测定数据记录。对于具有瓦斯、煤尘爆炸危险的矿井内进行接地电阻测定时，应采用本质安全型测试仪。如用普通测试仪测定时，只准在瓦斯浓度为以下的地点使用，并采取一定的安全措施，报有关部门批准。29