煤矿井下用电安全及保护

煤矿井下用电安全及保护

                 河南理工大学电气学院

                             易晓郑

                       13017507669

                 YXZ1114@hpu.edu.cn

                                                            

一、煤矿供电系统简介

二、矿用电气设备

三、漏电与触电分析

四、井下变压器中性点禁止接地的分析

五、漏电保护装置

六、接地与接零保护

一、矿山供电系统简介

 （一）对矿山供电系统的要求:

       可靠性：保证不间断供电；

     安全性：不发生触电、引爆瓦斯煤尘等事故；

     优质性：电压、频率稳定，谐波含量不超过允许值

     经济性：在保证前三项的前提下力求低成本。

 （二）电力负荷及对供电的要求

     1、什么是电力负荷？

        电力负荷是指设备或线路中正常运行时消耗的功率与损耗的功率之和。是供电系统规化、设计、设备选型以及发电、输电、变电布局的主要依据。

       

       2、电力负荷的分级

           根据对供电可靠性要求的不同，也就是根据停电造成的损失或影响程度，矿山将电力负荷可分成以下三级：

         一级负荷：当中断供电后，将造成人身伤亡者，或在政治、经济上造成重大损失者，为一级负荷。

         二级负荷：当中断供电后，将在政治、经济上造成较大损失者，为二级负荷。

         三级负荷：除一、二级负荷外，均为三级负荷。

       3、对电力负荷的供电要求

             一级负荷：双电源双回路

           由于一级负荷属重要负荷，中断供电后会造成十分严重的后果，因此要求应有两个独立电源供电，任何一个电源发生故障，不会影响另一个电源的供电。

         二级负荷：双回路或专用线。

         三级负荷：无要求。

   

 （三）矿山供电系统的结线方式

     1、供电系统的结线方式:

      放射式:(单源单放、单源双回、双源双回)

      干线式:(直联、贯穿)

      环状式:

     2 、变电所常用的结线方式:

      母线式:(单母不分段、单母分段、双母)

      桥式:(内桥、外侨、全桥)

      线路-变压器组式:

  （四）煤矿典型供电系统分析(深井为例）

        A 、典型煤矿地面供电系统（图1）

        B、 典型煤矿井下供电系统（图2）

图1

图2

（五）对电源与供电系统的规定: （煤矿安全规程09年版）

          ①  双回路供电，不得分接负荷， 不得共杆架设，不准装负荷定量器。

          ②  两路电源线若一用一备则必须带电备用。

          ③  井下供电严禁中性点接地。

          ④  高压电网单相接地电流应＜20A。

            ⑤  高压下井电缆严禁装设自动重合闸。                          

            ⑥  井上下必须装设防雷电装置。                                      

            ⑦电气操作实行工作票制度, 包括工作票的内容、签发与执行.

            ⑧高压停、送电制度,要遵守：停电→验电→放电→装设接地线→设置遮栏警示等程序，严禁带电作业。

           任何供电系统都除技术和功能上满足要求外，还要确保其使用和运行的安全，这里的安全指的是①人身安全；②设备安全；③煤矿井下由于电气事故引起的瓦斯爆炸。所有我们学习的重点是井下电气上的防爆原理和三大保护(漏电保护、保护接地、过流保护)。

二、矿用电气设备:

   (一)矿用电气设备的要求:

   1、井下巷道硐室和采掘工作面的空间狭窄。要  求电气设备体积小、重量轻。

   2、由于顶板压力及放炮的影响，电气设备及电缆易受损伤，要求电气设备有坚固的外壳、内部之件有较强的抗震能力。

    3、井下空气潮湿，有滴水，电气设备易受潮，要求电气设备防潮性能和绝缘水平要高。

    4、井下有瓦斯、煤尘，在一定条件下可以点燃和爆炸，要求电气设备具有防爆性能。

    5、井下电气设备启动频繁，负荷变化较大，容易过载。要求电气设备有较强的过负荷能力和起动力矩。

  (二)电气设备的防爆原理:

    1、隔爆性和耐爆性：

    隔爆性：外壳内爆炸后，高温和火焰通过接合面喷出    时，受到足够的冷却（防爆面）。

    耐爆性：外壳内爆炸后，外壳不至于破坏（外壳的机械强度）。

    2、隔爆面的三要素：间隙、宽度、光洁度 (见下图)

(三)常见矿用防爆电气设备:(六种)

增安型：采用适当措施，工作时不产生电弧、火花、高温的部件，ExeⅠ

隔爆型：外壳具有耐爆性和隔爆性能，ExdⅠ

充油型：将可能产生火花、电弧、高温的部件浸在油中，ExoⅠ

本质安全型：工作时所产生的电火花和热均不能点燃瓦斯和煤尘，ExibⅠ

正压型：利用新鲜空气、惰性气体，在外壳内保持一定的正压，ExpⅠ

特殊型：除以上外，均属这一种（国家确认）ExsⅠ

防爆电气设备（Ex—防爆总标志）

      (四)防爆电气设备的选择与管理:

          1、类型选择:

           户用、户外型；普通型、矿用一般型、隔爆型；总开关、分开关等。

         2、管理制度:

             执行验证采购制度，要求“两证一标齐全”，

            安全标志准用证（MA），生产许可证，产品合格证。        

         3、按技术参数选择:

         ① 额定电压应等于接入电网的额定电压；

         ② 额定电流应大于其长时最大工作电流；

         ③ 按最大三相短路电流校验其动、热稳定。

    

三、 漏电与触电分析

  （一）漏电：

   1、什么是漏电：广义上讲，漏电是一种电网对地发生电能泄漏的现象，特征是电网对大地的绝缘阻抗降低，流入大地的电流增大，该现象称为漏电。(该电流为漏电电流)

   2、分类：

   集中性漏电:（某一处或某一点）机械、某点老化、处界；

   分散性漏电：（老化）（整条线路或整个电网）；

   3、漏点电流回路：如图3所示

图3

4、漏电的危害：

①人身触电（外壳带电）

②引起爆炸（煤尘、沼气）

③电雷管无准备引爆

④烧损电气设备（发热）

⑤引起短路（更大的事故）

⑥影响产生（停电处理）

（二）触电：

   1、什么是触电：人身接触带电体或接近高压带电体时，使人身成为电流通路的一部分，叫做触电。触电是前面讲过的漏电的一种特殊情况，只是过渡电阻变成了人身电阻。

    触电对人体组织的破坏大体可分为两种：电击和电伤。

    电击：是指触电后电流通过人体，使人体主要器官（如心脏）受到损伤，有生命危险，这是最危险的触电。

    电伤：是指电弧或强电流瞬时通过人体某一局部，造成人体外表器官的破坏（烧伤），一般不至于有生命危险。

   2、影响触电危害程度的有关因素：

   ①通过人身的电流大小：根据实验得， 交流在15－20mA以下，直流在50mA以下，一般对人体伤害较轻，如果长期通过工频交流30－50mA就有生命危险，超过50mA对人的生命是绝对有危险的。

   ②触电时间：根据实验测定的数据，触电时间在0.2s以下和0.2s以上，电流对人体的危害程度是有较大差别的。如0.2s以下 ，400mA能使心脏损伤，0.2s以上，25mA能使心脏损伤。

   ③电流性质：直流和交流对人体的危害程度是不同的，而以50－100Hz的交流电流对人体的危害最为严重。

   ④电流路径：主要取决于心脏受损的程度，电流从手到脚特别是通过心脏对人最为危险。

   ⑤体重和健康状况：健康和有病不同，情绪好和不好不同，胖和搜 。

   ⑥人身电阻：主要是人体表面皮肤层和体内的电阻，它随人的皮肤状况（损伤、潮湿）、触电时间、触电电压高低等因素而变动，当皮肤完整干燥时，人身电阻可达10－100千欧触电时相对安全；当皮肤潮湿或有损伤，人身电阻降低到1000欧左右，触电时相对危险（以后人身电阻取最小值1000欧）。

   ⑦触电电压：作用于人身的电压越高，则通过人体的电流越大，也就越危险。

   3、安全电流、安全电压及安全值：

   ①安全电流：也就是人体触电后不会使人致死、致伤的最大电流，称为安全电流。根据上述的因素分析，触电危险性取决于通过人体的电流与作用时间的乘积。通过对动物的实验，我国提出发生心室颤动的电流50mA与时间乘积的安全值为50mA·S，取1.67倍安全系数，规定为30mA、美国为10 mA、英国为50mA等。

   ②安全电压：安全电流和人身电阻的乘积，称为安全电压。经常接触的电气设备，在没有高度危险的条件下，采用65v电压，有高度危险的条件，采用36v，在特别危险的条件下，采用12v。

   ③安全值：安全电流与触电时间的乘积，称安全值。我国为30 mA·S。

    4、井下预防触电主要办法：

          由于矿井的情况特殊，触电的可能性较大。因此，必须采取有效措施，防止触电事故发生。我国从实践中总结出来预防触电的方法主要有以下三点：

    ①变压器中性点禁止接地（后面分析）

    ②井下电气设备采用保护接地（后面分析）

    ③井下电网采用漏电保护装置（后面分析）

   

四、 井下供电的变压器中性点禁止接地的分析:

   （一）中性点接地方式分类及要求:

          前面在介绍漏电和触电时，常提到中性点接地或不接地的问题，因此，这里对中性点问题进行分析。

    1、分类：一般分为以下四类：

   ①不接地方式：又称中性点绝缘系统

   ②直接接地方式：中性点直接与接地装置连接

   ③阻抗接地方式：中性点经过不同数值的电阻与接地装置连接，电阻在数十欧姆时，为低阻接地（100 Ω以下）；电阻在数百欧姆时，为高阻接地方式（100 Ω以上）

   ④消弧线圈接地方式：中性点经电抗线圈与接地装置连接。

        后两种是为了减小接地点的电流，使电弧的能量减弱。

   2、要求：

          在供电系统中，什么情况（条件）下采用何种接地方式呢？我国有以下要求：

   * 3－63kv系统，采用中性点不接地方式；

   * 110kv及以上和220∕380v的低压系统，采用中性点直接接地方式；

   * 3-10KV电网当接地电容电流大于30A或20KV以上电网当接地电容电流大于10A时，采用中性点经阻抗或消弧线圈接地方式。

(二)中性点接地方式分析:

1 、中性点接地系统：

      如图4所示，这时人体承受电网相电压，通过人体

的电流可根据欧姆定律求出：

 

当取Rma=1000Ώ，线电压为660V时，通过人体的电

流为：

           

可见，无论是线电压是660v供电系统，当中性点接地时，通过人体的电流都远远超过30mA，所以是绝对危险的。

图4

2、中性点不接地系统：

          如图5所示，

根据基尔霍夫第一定律得：

a、当电容忽略时，Rma=1000 Ώ，r=35000 Ώ，Ux=660V，

可见是安全的。

  b、当电容不忽略时，Rma=1000 Ώ，r=35000 Ώ，Ux=660V，C=0.5μf

          可见当电容不忽略时，同样不安全，但比中性点接地系统通过人体的电流要小的多，故相对安全。

3、结论：

①中性点绝缘比中点接地的人身触电电流要小得多，比较安全。

②入地电流很小，从而使引燃瓦斯、煤尘的可能性大大减少。

③不影响线电压（可运行2个小时）。

以上三大优点就是井下变压器禁止中性点接地的原因。

然而，也存在一些缺点：

A、当电网一相接地时，往往不易发觉，易烧电动机（并不影响三相设备的短时运行）；

B、如果没有漏电指示，一相接地可能长期存在，再此情况下，如人站在地上又触及另一相带电导体，人身跨接电网线电压，这时通过人身的触电电流较中性点接地的供电系统还要大0.73倍(660mA)，这是非常危险的。

C、其他两相电压将升高√3倍，容易使绝缘差的地方被击穿。

为克服以上缺点，井下电网必须装设漏电保护装置。

五、漏电保护装置:

（一）对漏电保护装置的要求：

1、保护全面：是指保护范围应覆盖整个供电单元，没有死角，什么类型的漏电，保护都应动作。另外，有条件的话，无论电气设备处在什么状态，都应起到保护作用（漏电闭锁）。

2、安全性：从人员触电的角度考虑，要满足30mA·S的要求，动作要速度快（不光跳闸，还要能减小人身触电电流的作用时间）。

3、可靠性：一是自身的可靠性（元件质量、制造工艺），二是保护性能的可靠性（该动就动、不该动就不动），不能误动和拒动。

4、灵敏性：是指保护装置对故障的反应能力，要求最轻的漏电，保护也能可靠动作（使用整定值的调节，不受电网电压波动的影响）。

5、选择性：要求只切除故障线路而不切除非故障线路，目的是为了停电范围尽可能减小。

（二）漏电保护原理:

          漏电保护有很多方法来实现。目前用的最多的有以下三种：附加直流电源检测方式、三相半波整流式、零序参数式等。

  1、附加直流电源检测方式：

  ①保护原理：

           如图6所示 。电网如果发生漏电，就意味着电网对地绝缘电阻的下降。怎样检测这个电阻呢？可以设想在三相电网中加上一个独立的直流电源，作用于电网三相和大地之间，这样在电网的绝缘电阻上将有一直流电流流过，该电流的大小变化直接反映了电网对地绝缘电阻的变化，有效地检测和利用这一电流，就构成附加电源直流检测式地漏电保护。

图6

   ②电容电流补偿： （如图6所示）

    前面是以Im＝30mA为前提得到的，那么怎样使Im＜30mA呢？

          由于电网对地电容越大（长度），人身触电电流越大。因此，只有把电容的影响基本消除，前面的整定值才能合理（前面忽略的内容）。为了解决这个问题，在电网与大地之间加上一个感性元件，用它产生的电感电流与电容产生的电容电流相抵消（因相位相反），就能解决这个问题。

   ③优、缺点（附加电流直流检测方式）：

   优点：a保护全面 b触电电流小 c整定简单 d可靠性高

   缺点：a无选择性 b属静态补偿 c动作时间长＞50ms            d无漏电闭锁

   2、三相半波整流式：

          这种漏电保护原理很简单，这里只作简单的介绍。如图7所示，U1～U3接于三相电网构成三相半波整流，其负载电阻就只有Rlo+ r∑,由于Rlo的电阻很小，所以回路的直流同样取决于r∑的大小，这表明这种方法的原理与前面讲的直流检测式是完全一样的，只是无直流附加电源。但动作值受电网电压波动的影响较大，对整流管的反向电压要求较高，故只用在电压低的地方,如127v煤电钻综合保护中。

图7

  3、选择性漏电保护装置（零序参数式）：

      如图8所示

     六、接地与接零:

                前面我们分析可知，电网对地如果有分布电容存在，人体触电的触电电流远大于30mA（154mA）,而电容补偿也是有限的，为了人身的安全，采用保护接地可进一步减小人体触电电流，将其限制在安全值以内。

        (一) 分类:

                在供电系统中，各种电气设备的接地按照其作用的不同可以分为：工作接地、保护接地、保护接零三大类。工作接地是指变压器或互感器等根据工作的需要而采用的绕组或中性点接地；保护接地是指三相三线制的电网，将设备正常时不带电的金属外壳与接地装置相连接。保护接零是指三相四线制电网，将设备外壳好与零线相连接。它们是防止人身触电的重要措施。《安全规程》第431条规定：36V以上由于绝缘损坏可能带有危险电压的电气设备金属外壳和构架，都必须设保护接地。

    (二)接地有关参数:

       1 、对地电压Vtg:

                如下图9所示.

       2、接地电阻Rgr:

                井上<4Ω（工作、保护、防雷）、

                井下<2Ω（任何一点）。

       3、接触电压Vco

                接触电压是指人体触电部分与站立点之间的电位差Vco。由图可见Vco= Vtg – Vsp ,可见离接地极越远触电电压越高，这就是接地极不能设在离设备太远的道理。

   4 、跨步电压Vss

                 跨步电压是指在入地电流的流动范围内，人两脚间的电位差。由图可见Vss=V1-V2,离接地极越近跨步电压越高。

   图9

(三)接地保护原理:(如图10所示)

1.无保护接地时：电流经人体入地，再经其他两项的绝缘阻抗回到电源，这里的关键是电流全部流经人体。

2.有保护接地时：电流将通过人体电阻和接地电阻所组成的并联支路入地，再经过其他的两相绝缘阻抗回到电源。这就很大程度的减小了通过人身的电流。

3、不足：①没有断电功能。②电网发生单相直接接地时，无分流作用。③人接触单相电网，无分流作用。所以漏电保护和保护接地二者缺一不可。

图10

（四）保护接零：

          如图11所示,保护接零主要用于中性点直接接地的供电系统中，一般为低压三相四线制系统，由中性点引出的线叫零线，也就是第四根线。

          将电气设备外壳与零线连接后，当设备发生单相碰壳故障时，便形成单相短路，而保护装置很快动作，切断电源，缩短故障存在的时间，减少触电的机率，这就是保护接零。

  图11

    保护接零分析:

         1. 无保护接零时（如图11所示） ，如果发生单相碰壳而人又触及该设备外壳，则触电电流经人体电阻（1000Ω）、大地、工作接地极电阻（5Ω）构成回路，由于人体电阻远大于工作接地极电阻，故接触电压近似等于相电压，对人是非常危险的。

          2.有保护接零时，情况就不一样了。它为电流回路提供了一条更为顺利的路径，外壳→零线→电源中性点。实际上此漏电故障被变成了单相短路故障，过流保护会很快动作，切断电源。又因为零线短接了人体电阻和接地电阻，使接触电压大大减小，对人相对安全。其作用如下：①变漏电为单相短路；②降低人触电的机率。

3.有保护接零和保护接地共存,以免零线断开,形成无保护状态.

          当发生零线断开时,保护接零就转变成了保护接地,避免了无保护状态的发生.

4.总零线上不许加装任何开关和熔断器,以免人为断开零线 , 造成某一相用电设备的损坏.

一、煤矿供电系统简介

二、矿用电气设备

三、漏电与触电分析

四、井下变压器中性点禁止接地的分析

五、漏电保护装置

六、接地与接零保护

  

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