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煤矿电气安全技术
大同大学煤炭工程学院 郭 刚
煤矿井下电气安全技术
第一章 矿井供电概述
一、煤矿企业对供电的要求
安全、可靠、经济、技术合理。
二、煤矿企业负荷分类
一类负荷：凡因突然停电可能造成人员伤亡和重大经济损失的负荷。如：主通风机、主提升机、主排水泵等。对供电的要求：必须采用双回路供电。
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二类负荷：凡因突然停电可能造成较大经济损失的负荷。如：综采工作面设备、综掘工作面设备、压风机等。对供电的要求：一般采用单回路供电。
三类负荷：不属于一类、二类负荷的所有负荷。对供电的要求：没有特殊要求。
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一、深井供电系统图1-1
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二、浅井供电系统 图1-2
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矿井供电系统由电力系统的区域变电站、矿井地面变电站、井下中央变电所、采区变电所、工作面配电点组成。
一、井下中央变电所
井下中央变电所是井下供电中心，担负整个井下受电、配电、变电的重要任务。
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1、井下中央变电所位置确定
应尽量靠近负荷中心，并根据通风良好、交通方便、进出线易于敷设、顶底板条件及保安煤柱的位置等因素，综合加以考虑。
一般设在靠近副井的井底车场范围内。
井下主变电所的位置示意图。
1－副井井筒；2－主井井筒；
3－井下主（配）变电所；4－主水泵房；
5－井底车场巷道
2、井下中央变电所的结线方式
3、井下中央变电所的硐室及设备布置
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1、采区变电所位置确定
2、采区变电所的结线方式
3、采区变电所的硐室及设备布置
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1、移动变电站 的设置
2、工作面配电点位置及设备布置
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一、煤矿地面供电模式
变压器中性点接地的三相四线制。
用于地面三相不对称负载的供电系统。
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二、煤矿井下供电模式
变压器中性点和地绝缘的三相三线制。
用于井下三相对称负载的供电系统。
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第二章 矿井供电系统的四大保护
一 、漏电保护
1、漏电：矿井电缆对地泄漏电流大于等于30mA时即是漏电故障。
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（2）引起瓦斯和煤尘爆炸
煤矿井下空气中瓦斯浓度或煤尘在空气中悬浮的浓度达到爆炸浓度时，而漏电电流产生的火源能量达到0.28mJ或700~800℃时，即发生瓦斯或煤尘爆炸。瓦斯爆炸往往伴随着煤尘爆炸，带来毁灭性的灾难。
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（3）使电雷管提前引爆
漏电电流在通过的路经上会产生电位差，漏电电流越大，所产生的电位差越大。如果待引爆的电雷管两角线不慎与漏电回路上具有一定电位差的两点相接触，就可能使电雷管提前引爆，造成人身伤亡事故。
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（4）引起短路事故
长期的漏电电流，使电缆及设备的绝缘进一步损坏，最后造成短路事故。
（5）烧毁电气设备，引起火灾
长期存在的漏电电流，尤其是经过渡电阻接地的漏电电流，在通过设备绝缘损坏处时，发出大量的热，使绝缘进一步损坏，甚至使可燃性材料，如非阻燃性橡胶电缆着火燃烧。
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3、漏电的原因
1）电气设备或电缆绝缘损坏引起漏电
2）电缆的接线安装不当引起漏电
3）管理不完善造成电缆漏电
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4、漏电保护模式
1）附加电源直流检测式
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表： 漏电保护动作电阻值
注：漏电闭锁值为漏电动作值的2倍
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直流检测电流I的通路为：L+→大地→电网对地绝缘电阻r1、r2、r3（三相并联）→电网→三相电抗器1L→零序电抗器2L→kΩ表→直流继电器KD线圈→L-。
QS-检漏继电器电源开关，QS未合闸，其接点QS1接通了馈电开关中脱扣线圈YA回路，馈电开关不能合闸。
1L-三相电抗器，将直流检测回路和交流电网连接起来的元件。其中有一相带有二次绕组，经整流作为直流检测回路的电源和指示灯电源；该二次绕组带有抽头，以便于调整直流电源的电压。
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2L-零序电抗器，其作用有2个，一是保证三相电抗器中性点对地的绝缘水平（自身的电抗为100kΩ），二是通过它的电感电流来补偿分布电容电流。
C2-接地电容，当电网发生漏电时，提供交流通路，从而减小交流电流对直流继电器KD回路的干扰。
KD-直流继电器，额定动作电流为5mA，其接点KD2比KD1先闭合，提高了继电器动作的可靠性，防止发生间歇性漏电时，继电器抖动，烧坏接点KD1。
kΩ-电阻表，实为直流mA表，刻度标为电阻值。
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2）零序电流式漏电保护
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电网中发生了非对称漏电故障时，就会产生零序电压，此时如果存在零序电流回路，则在该回路中将出现零序电流，该电流用零序电流互感器检测出来，经过信号处理电路，使继电器动作，切断故障线路。
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3）零序功率方向式漏电保护
选择性漏电保护原理
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利用零序电流或零序电压的幅值大小来判断供电线路是否发生了漏电；同时，利用各支路的零序电流与零序电压的相位关系来判断故障支路，实现有选择性的漏电保护。
零序功率方向保护原理如图所示。当电网中某支路发生漏电故障或人身触电时，由传感电路分别从电网中取出零序电压和各支路的零序电流信号，经放大整形后，由相位比较电路来判别故障支路，最后起动执行电路，切断故障支路电源，实现保护。
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二、过流保护
过流保护包括短路保护、过载保护、断相保护。
（一）短路保护
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1、短路：电源经小阻抗直接形成回路即短路。
2、电路发生短路以后的现象
1）短路电流急剧增大，是正常运行电流的几十倍或更大；
2）短路后，电源所带的负载性质发生了变化，功率因数变大；
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3、短路的危害
1）引起供电电缆的过热，使电缆的绝缘性能下降；
2）使供电电缆着火，引起火灾，造成更大的损失；
4、短路保护
1）以电流大小为依据实施短路保护的元件或装置：熔断器、过流继电器、JDB综合保护器。
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（2）过流继电器
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主回路发生短路时，电流继电器KA动作，接点6断开，馈电开关脱扣器脱扣，开关跳闸，实现短路保护。
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当运行中发生短路故障时，I≥8IN（或10IN、12IN）时，电流信号VA足够大，不经延时环节，直接触发由场效管VT5和VT6组成的触发器，使6K继电器动作，6K为磁持继电器，不能自动复位，6K1打开了接触器线圈控制回路，使开关跳闸。
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（三）断相保护
1、断相：电动机运行过程中电源线突然断去一相，剩二相电运行。
2、缺相运行现象：电动机定子产生脉动磁场，导致电动机运行震动并产生很大的噪音。
3、缺相运行危害：电动机三相电流不平衡，导致电流增大，电动机发热，破坏电动机绝缘结构，烧毁电动机。
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4、断相保护
利用热继电器或电动机综合保护器进行断相保护。
三、保护接地
保护接地，就是用导体把电气设备在正常运行不带电、当绝缘损坏时可能带电的外露金属部分和埋在地下的接地极连接起来，它是防止人身触电的一项极其重要的措施。
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2、煤矿井下保护接地系统
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保护接地系统：通常利用供电的高低压铠装电缆的铅包层和金属铠装层，橡胶电缆的接地芯线或屏蔽护套，把分布在井底车场、运输大巷、采区变电所、工作面配电点的电气设备，在正常运行时不带电的金属外壳在电气上连接起来，再与各处埋设的局部接地极、主接地极连接起来，组成保护接地系统，亦称总接地网。
《煤矿安全规程》 规定接地网上任一保护接地点的接地电阻不得超过2Ω。
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四、 矿井供电系统的电压保护
（一）、欠电压保护
1、无压失放保护：供电系统突然停电，电压为0时，控制电器使电动机断电，生产机械设备停止运行；系统突然来电时，控制开关需人为启动后，生产机械设备才可以启动运行。
2、电源电压低于额定电压的75%时，电动机运行电流会超过其额定电流，电动机长时运行会过热，导致绝缘结构破坏，烧毁电动机；故电源电压低于额定电压的75%时，系统需实施断电保护，称为欠电压保护。
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（二）、过电压保护
1、大气过电压（雷电）保护
雷电的形成：大气中云层电荷体和地球之间形成的强电场，导致空气被击穿，形成离子导电（电闪），使云团中的电荷泄入大地，同时释放的大量热量使空气急剧膨胀产生爆裂声（雷声）。
雷电的种类：直击雷、感应雷、球雷。
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雷电的防护：为防止雷电对供电系统及煤矿井下造成破坏，通常采用避雷器进行防护。如避雷针、避雷线、阀型避雷器等。
2、操作过电压保护
真空开关在断电时产生的自感电动势非常大，导致触头两端的电场非常强，形成了很高的电压，称为操作过电压。此电压若不进行吸收，会给系统和设备造成击穿破坏，对此的保护称为操作过电压保护。
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操作过电压的吸收：阻容吸收器、压敏电阻吸收。
阻容吸收： 压敏电阻吸收：
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二、人身触电安全电流秒
1. 安全电流： 30mA
2. 允许安秒值： 30mA · S
3. 安全电压
没有高度危险的条件下（干燥洁净的场所） 65V
有高度危险的条件下（潮湿的场所） 36V
在特别危险的条件下（潮湿酸性场所） 12V
三、人身触电的预防措施
避免触电
减少触电危险
四、触电的急救
1、快速脱离电源
2、正确实施救护
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第三章：掘进工作面三专二闭锁
《煤矿安全规程》规定：矿井中，掘进工作面的局部通风机应采用三专（专用变压器、专用开关、专用线路）供电，并设置风电闭锁、瓦斯电闭锁，确保掘进工作面生产安全。
1.三专供电
每个掘进工作面的局部通风机供电，直接由采区变电所采用专用变压器、专用开关和专用电缆向局部通风机供电，以防其他电气设备的用电干扰，保证局部通风机的连续正常供电，从而保证局部通风机连续运转，不停地向掘进工作面供给需要的新鲜风流，以确保掘进工作面和掘进巷道中良好通风条件。
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2．风-电闭锁
风-电闭锁，是指控制通风机的起动器与控制掘进机的起动器进行联锁控制，来实现先给通风机供电，然后才能给掘进机供电的方式，风机停转时，掘进机工作面的电源同时被切断。
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3．瓦斯-电闭锁
瓦斯-电闭锁，是当掘进巷瓦斯超限时，自动切断给掘进机供电的高压电源。
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4．用KSGJY型综掘专用移动变电站实现三专二闭锁
第四章：矿用电气设备及其防爆技术
一、矿用电气设备符号的含义
KB : 矿用隔爆型电气设备
KY：矿用一般型电气设备
Ex：爆炸环境下用的电气设备
I：矿用设备 Ex e I Ex d ib I Ex S I
d: 隔爆型 p:正压型
o: 充油型 q : 充砂型
e: 增安型 n :无火花型
ib ： 本质安全型 S: 特殊型
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采用间隙隔爆技术
间隙隔爆技术是把正常运行或故障状态下可能引爆瓦斯或煤尘的电气设备置于坚固的具有隔爆结构的外壳内，当隔爆壳内部发生爆炸时，高温火焰不会引起外部的瓦斯与煤尘爆炸，即为隔爆。用于强电系统。
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采用本质安全技术
本质安全技术的特点是限制热源的能量，使本质安全设备在正常或事故状态下所产生的火花均不能点燃瓦斯与煤尘。即采用本质安全电路。这种防爆技术只适用于弱电系统。
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采用增加安全程度的措施
采用各种方法提高电气设备的安全程度，使其故障率大大降低，从而防止电弧、火花或危险温度的产生。这项措施主要用于正常运行时不会产生点燃作用的设备和照明灯具上。 Ex e I
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采用快速断电技术
快速断电技术又叫超前切断技术，其特点是采取可靠的自动快速切断故障电流的措施，使可能产生电火花或电弧存在的时间小于点燃瓦斯、煤尘所需要的最小时间。
瓦斯、煤尘爆炸之前都存在一个感应期，即从爆炸性混合物接触引火源起，到转化为快速燃烧爆炸的时间间隔，感应期的长短与爆炸物的种类、浓度和点火源的温度等因素有关。瓦斯爆炸的感应期在10ms以上，煤尘爆炸的感应期在40~250ms。所以，只要在发生电气故障的5ms之内切断供电电源，即能可靠地达到防爆的要求。
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二、矿用防爆型电气设备的种类
1、 Ex d I ：矿用隔爆型电器设备矿用隔爆型矿用电气设备的防爆性能靠隔爆面的粗糙度、隔爆面的长度、隔爆面的间隙度来保证。
耐爆性：外壳要求能承受0.8Mpa的压力.
隔爆性:不传爆性，间隙/冷却
2、Ex ib I: 矿用本质安全型电器设备
本质安全电路：在规定条件（包括正常工作和规定的故障条件）下产生的任何电火花或任何热效应的能量小于0.28毫焦耳，均不能点燃规定的爆炸性气体环境的电路。
本质安全型设备：电路均为本质安全电路的电气设备称为本质安全型设备。
Ex dib I: 矿用隔爆兼本质安全型电器设备
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三、矿用电气设备的防护 IP54
防尘等级
号码防护程度 定义
0 无防护 无特殊的防护
1 防止大于50mm之物体侵入 ，防止人体因不慎碰到灯具内部零件 防止直径大于50mm之物体侵入。
2 防止大于12mm之物体侵入， 防止手指碰到灯具内部零件 。
3 防止大于2.5mm之物全侵入， 防止直径大于2.5mm的工具，电线或物体侵入 。
4 防止大于1.0mm之物体侵入， 防止直径大于1.0的蚊蝇、昆虫或物体侵入。
5 防尘 无法完全防止灰尘侵入，但侵入灰尘量不会影响灯具正常运作。
6 防尘 完全防止灰尘侵入。
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防水等级
号码 防护程度 定义
0 无防护， 无特殊的防护 。
1 防止滴水侵入， 防止垂直滴下之水滴。
2 倾斜15度时仍防止滴水侵入， 当灯具倾斜15度时，仍可防止滴水 。
3 防止喷洒的水侵入， 防止雨水、或垂直入夹角小于50度方向所喷射之水 。
4 防止飞溅的水侵入， 防止各方向飞溅而来的水侵入 。
5 防止大浪的水侵入， 防止大浪的水侵入 。
6 防止喷射的水侵入 ，防止喷水孔急速喷出的水侵入 防止大浪的水侵入。
7 防止侵水的水侵入， 灯具侵入水中在一定时间或水压的条件下，仍可确保灯具正常运作。
8 防止沉没的影响 ， 灯具无期限的沉没水中在一定水压的条件下，仍可确保灯具
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