煤礦井下用電安全及保護

                 河南理工大學(xué)電氣學(xué)院

                             易曉鄭

                       13017507669

                 YXZ1114@hpu.edu.cn

                                                            

一、煤礦供電系統(tǒng)簡介

二、礦用電氣設(shè)備

三、漏電與觸電分析

四、井下變壓器中性點禁止接地的分析

五、漏電保護裝置

六、接地與接零保護

一、礦山供電系統(tǒng)簡介

 （一）對礦山供電系統(tǒng)的要求:

       可靠性：保證不間斷供電；

     安全性：不發(fā)生觸電、引爆瓦斯煤塵等事故；

     優(yōu)質(zhì)性：電壓、頻率穩(wěn)定，諧波含量不超過允許值

     經(jīng)濟性：在保證前三項的前提下力求低成本。

 （二）電力負荷及對供電的要求

     1、什么是電力負荷？

        電力負荷是指設(shè)備或線路中正常運行時消耗的功率與損耗的功率之和。是供電系統(tǒng)規(guī)化、設(shè)計、設(shè)備選型以及發(fā)電、輸電、變電布局的主要依據(jù)。

       

       2、電力負荷的分級

           根據(jù)對供電可靠性要求的不同，也就是根據(jù)停電造成的損失或影響程度，礦山將電力負荷可分成以下三級：

         一級負荷：當中斷供電后，將造成人身傷亡者，或在政治、經(jīng)濟上造成重大損失者，為一級負荷。

         二級負荷：當中斷供電后，將在政治、經(jīng)濟上造成較大損失者，為二級負荷。

         三級負荷：除一、二級負荷外，均為三級負荷。

       3、對電力負荷的供電要求

             一級負荷：雙電源雙回路

           由于一級負荷屬重要負荷，中斷供電后會造成十分嚴重的后果，因此要求應(yīng)有兩個獨立電源供電，任何一個電源發(fā)生故障，不會影響另一個電源的供電。

         二級負荷：雙回路或?qū)Ｓ镁€。

         三級負荷：無要求。

   

 （三）礦山供電系統(tǒng)的結(jié)線方式

     1、供電系統(tǒng)的結(jié)線方式:

      放射式:(單源單放、單源雙回、雙源雙回)

      干線式:(直聯(lián)、貫穿)

      環(huán)狀式:

     2 、變電所常用的結(jié)線方式:

      母線式:(單母不分段、單母分段、雙母)

      橋式:(內(nèi)橋、外僑、全橋)

      線路-變壓器組式:

  （四）煤礦典型供電系統(tǒng)分析(深井為例）

        A 、典型煤礦地面供電系統(tǒng)（圖1）

        B、 典型煤礦井下供電系統(tǒng)（圖2）

圖1

圖2

（五）對電源與供電系統(tǒng)的規(guī)定: （煤礦安全規(guī)程09年版）

          ①  雙回路供電，不得分接負荷， 不得共桿架設(shè)，不準裝負荷定量器。

          ②  兩路電源線若一用一備則必須帶電備用。

          ③  井下供電嚴禁中性點接地。

          ④  高壓電網(wǎng)單相接地電流應(yīng)＜20A。

            ⑤  高壓下井電纜嚴禁裝設(shè)自動重合閘。                          

            ⑥  井上下必須裝設(shè)防雷電裝置。                                      

            ⑦電氣操作實行工作票制度, 包括工作票的內(nèi)容、簽發(fā)與執(zhí)行.

            ⑧高壓停、送電制度,要遵守：停電→驗電→放電→裝設(shè)接地線→設(shè)置遮欄警示等程序，嚴禁帶電作業(yè)。

           任何供電系統(tǒng)都除技術(shù)和功能上滿足要求外，還要確保其使用和運行的安全，這里的安全指的是①人身安全；②設(shè)備安全；③煤礦井下由于電氣事故引起的瓦斯爆炸。所有我們學(xué)習(xí)的重點是井下電氣上的防爆原理和三大保護(漏電保護、保護接地、過流保護)。

二、礦用電氣設(shè)備:

   (一)礦用電氣設(shè)備的要求:

   1、井下巷道硐室和采掘工作面的空間狹窄。要  求電氣設(shè)備體積小、重量輕。

   2、由于頂板壓力及放炮的影響，電氣設(shè)備及電纜易受損傷，要求電氣設(shè)備有堅固的外殼、內(nèi)部之件有較強的抗震能力。

    3、井下空氣潮濕，有滴水，電氣設(shè)備易受潮，要求電氣設(shè)備防潮性能和絕緣水平要高。

    4、井下有瓦斯、煤塵，在一定條件下可以點燃和爆炸，要求電氣設(shè)備具有防爆性能。

    5、井下電氣設(shè)備啟動頻繁，負荷變化較大，容易過載。要求電氣設(shè)備有較強的過負荷能力和起動力矩。

  (二)電氣設(shè)備的防爆原理:

    1、隔爆性和耐爆性：

    隔爆性：外殼內(nèi)爆炸后，高溫和火焰通過接合面噴出    時，受到足夠的冷卻（防爆面）。

    耐爆性：外殼內(nèi)爆炸后，外殼不至于破壞（外殼的機械強度）。

    2、隔爆面的三要素：間隙、寬度、光潔度 (見下圖)

(三)常見礦用防爆電氣設(shè)備:(六種)

增安型：采用適當措施，工作時不產(chǎn)生電弧、火花、高溫的部件，ExeⅠ

隔爆型：外殼具有耐爆性和隔爆性能，ExdⅠ

充油型：將可能產(chǎn)生火花、電弧、高溫的部件浸在油中，ExoⅠ

本質(zhì)安全型：工作時所產(chǎn)生的電火花和熱均不能點燃瓦斯和煤塵，ExibⅠ

正壓型：利用新鮮空氣、惰性氣體，在外殼內(nèi)保持一定的正壓，ExpⅠ

特殊型：除以上外，均屬這一種（國家確認）ExsⅠ

防爆電氣設(shè)備（Ex—防爆總標志）

      (四)防爆電氣設(shè)備的選擇與管理:

          1、類型選擇:

           戶用、戶外型；普通型、礦用一般型、隔爆型；總開關(guān)、分開關(guān)等。

         2、管理制度:

             執(zhí)行驗證采購制度，要求“兩證一標齊全”，

            安全標志準用證（MA），生產(chǎn)許可證，產(chǎn)品合格證。        

         3、按技術(shù)參數(shù)選擇:

         ① 額定電壓應(yīng)等于接入電網(wǎng)的額定電壓；

         ② 額定電流應(yīng)大于其長時最大工作電流；

         ③ 按最大三相短路電流校驗其動、熱穩(wěn)定。

    

三、 漏電與觸電分析

  （一）漏電：

   1、什么是漏電：廣義上講，漏電是一種電網(wǎng)對地發(fā)生電能泄漏的現(xiàn)象，特征是電網(wǎng)對大地的絕緣阻抗降低，流入大地的電流增大，該現(xiàn)象稱為漏電。(該電流為漏電電流)

   2、分類：

   集中性漏電:（某一處或某一點）機械、某點老化、處界；

   分散性漏電：（老化）（整條線路或整個電網(wǎng)）；

   3、漏點電流回路：如圖3所示

圖3

4、漏電的危害：

①人身觸電（外殼帶電）

②引起爆炸（煤塵、沼氣）

③電雷管無準備引爆

④燒損電氣設(shè)備（發(fā)熱）

⑤引起短路（更大的事故）

⑥影響產(chǎn)生（停電處理）

（二）觸電：

   1、什么是觸電：人身接觸帶電體或接近高壓帶電體時，使人身成為電流通路的一部分，叫做觸電。觸電是前面講過的漏電的一種特殊情況，只是過渡電阻變成了人身電阻。

    觸電對人體組織的破壞大體可分為兩種：電擊和電傷。

    電擊：是指觸電后電流通過人體，使人體主要器官（如心臟）受到損傷，有生命危險，這是最危險的觸電。

    電傷：是指電弧或強電流瞬時通過人體某一局部，造成人體外表器官的破壞（燒傷），一般不至于有生命危險。

   2、影響觸電危害程度的有關(guān)因素：

   ①通過人身的電流大?。焊鶕?jù)實驗得， 交流在15－20mA以下，直流在50mA以下，一般對人體傷害較輕，如果長期通過工頻交流30－50mA就有生命危險，超過50mA對人的生命是絕對有危險的。

   ②觸電時間：根據(jù)實驗測定的數(shù)據(jù)，觸電時間在0.2s以下和0.2s以上，電流對人體的危害程度是有較大差別的。如0.2s以下 ，400mA能使心臟損傷，0.2s以上，25mA能使心臟損傷。

   ③電流性質(zhì)：直流和交流對人體的危害程度是不同的，而以50－100Hz的交流電流對人體的危害最為嚴重。

   ④電流路徑：主要取決于心臟受損的程度，電流從手到腳特別是通過心臟對人最為危險。

   ⑤體重和健康狀況：健康和有病不同，情緒好和不好不同，胖和搜 。

   ⑥人身電阻：主要是人體表面皮膚層和體內(nèi)的電阻，它隨人的皮膚狀況（損傷、潮濕）、觸電時間、觸電電壓高低等因素而變動，當皮膚完整干燥時，人身電阻可達10－100千歐觸電時相對安全；當皮膚潮濕或有損傷，人身電阻降低到1000歐左右，觸電時相對危險（以后人身電阻取最小值1000歐）。

   ⑦觸電電壓：作用于人身的電壓越高，則通過人體的電流越大，也就越危險。

   3、安全電流、安全電壓及安全值：

   ①安全電流：也就是人體觸電后不會使人致死、致傷的最大電流，稱為安全電流。根據(jù)上述的因素分析，觸電危險性取決于通過人體的電流與作用時間的乘積。通過對動物的實驗，我國提出發(fā)生心室顫動的電流50mA與時間乘積的安全值為50mA·S，取1.67倍安全系數(shù)，規(guī)定為30mA、美國為10 mA、英國為50mA等。

   ②安全電壓：安全電流和人身電阻的乘積，稱為安全電壓。經(jīng)常接觸的電氣設(shè)備，在沒有高度危險的條件下，采用65v電壓，有高度危險的條件，采用36v，在特別危險的條件下，采用12v。

   ③安全值：安全電流與觸電時間的乘積，稱安全值。我國為30 mA·S。

    4、井下預(yù)防觸電主要辦法：

          由于礦井的情況特殊，觸電的可能性較大。因此，必須采取有效措施，防止觸電事故發(fā)生。我國從實踐中總結(jié)出來預(yù)防觸電的方法主要有以下三點：

    ①變壓器中性點禁止接地（后面分析）

    ②井下電氣設(shè)備采用保護接地（后面分析）

    ③井下電網(wǎng)采用漏電保護裝置（后面分析）

   

四、 井下供電的變壓器中性點禁止接地的分析:

   （一）中性點接地方式分類及要求:

          前面在介紹漏電和觸電時，常提到中性點接地或不接地的問題，因此，這里對中性點問題進行分析。

    1、分類：一般分為以下四類：

   ①不接地方式：又稱中性點絕緣系統(tǒng)

   ②直接接地方式：中性點直接與接地裝置連接

   ③阻抗接地方式：中性點經(jīng)過不同數(shù)值的電阻與接地裝置連接，電阻在數(shù)十歐姆時，為低阻接地（100 ?以下）；電阻在數(shù)百歐姆時，為高阻接地方式（100 ?以上）

   ④消弧線圈接地方式：中性點經(jīng)電抗線圈與接地裝置連接。

        后兩種是為了減小接地點的電流，使電弧的能量減弱。

   2、要求：

          在供電系統(tǒng)中，什么情況（條件）下采用何種接地方式呢？我國有以下要求：

   * 3－63kv系統(tǒng)，采用中性點不接地方式；

   * 110kv及以上和220∕380v的低壓系統(tǒng)，采用中性點直接接地方式；

   * 3-10KV電網(wǎng)當接地電容電流大于30A或20KV以上電網(wǎng)當接地電容電流大于10A時，采用中性點經(jīng)阻抗或消弧線圈接地方式。

(二)中性點接地方式分析:

1 、中性點接地系統(tǒng)：

      如圖4所示，這時人體承受電網(wǎng)相電壓，通過人體

的電流可根據(jù)歐姆定律求出：

 

當取Rma=1000?，線電壓為660V時，通過人體的電

流為：

           

可見，無論是線電壓是660v供電系統(tǒng)，當中性點接地時，通過人體的電流都遠遠超過30mA，所以是絕對危險的。

圖4

2、中性點不接地系統(tǒng)：

          如圖5所示，

根據(jù)基爾霍夫第一定律得：

a、當電容忽略時，Rma=1000 ?，r=35000 ?，Ux=660V，

可見是安全的。

  b、當電容不忽略時，Rma=1000 ?，r=35000 ?，Ux=660V，C=0.5μf

          可見當電容不忽略時，同樣不安全，但比中性點接地系統(tǒng)通過人體的電流要小的多，故相對安全。

3、結(jié)論：

①中性點絕緣比中點接地的人身觸電電流要小得多，比較安全。

②入地電流很小，從而使引燃瓦斯、煤塵的可能性大大減少。

③不影響線電壓（可運行2個小時）。

以上三大優(yōu)點就是井下變壓器禁止中性點接地的原因。

然而，也存在一些缺點：

A、當電網(wǎng)一相接地時，往往不易發(fā)覺，易燒電動機（并不影響三相設(shè)備的短時運行）；

B、如果沒有漏電指示，一相接地可能長期存在，再此情況下，如人站在地上又觸及另一相帶電導(dǎo)體，人身跨接電網(wǎng)線電壓，這時通過人身的觸電電流較中性點接地的供電系統(tǒng)還要大0.73倍(660mA)，這是非常危險的。

C、其他兩相電壓將升高√3倍，容易使絕緣差的地方被擊穿。

為克服以上缺點，井下電網(wǎng)必須裝設(shè)漏電保護裝置。

五、漏電保護裝置:

（一）對漏電保護裝置的要求：

1、保護全面：是指保護范圍應(yīng)覆蓋整個供電單元，沒有死角，什么類型的漏電，保護都應(yīng)動作。另外，有條件的話，無論電氣設(shè)備處在什么狀態(tài)，都應(yīng)起到保護作用（漏電閉鎖）。

2、安全性：從人員觸電的角度考慮，要滿足30mA·S的要求，動作要速度快（不光跳閘，還要能減小人身觸電電流的作用時間）。

3、可靠性：一是自身的可靠性（元件質(zhì)量、制造工藝），二是保護性能的可靠性（該動就動、不該動就不動），不能誤動和拒動。

4、靈敏性：是指保護裝置對故障的反應(yīng)能力，要求最輕的漏電，保護也能可靠動作（使用整定值的調(diào)節(jié)，不受電網(wǎng)電壓波動的影響）。

5、選擇性：要求只切除故障線路而不切除非故障線路，目的是為了停電范圍盡可能減小。

（二）漏電保護原理:

          漏電保護有很多方法來實現(xiàn)。目前用的最多的有以下三種：附加直流電源檢測方式、三相半波整流式、零序參數(shù)式等。

  1、附加直流電源檢測方式：

  ①保護原理：

           如圖6所示 。電網(wǎng)如果發(fā)生漏電，就意味著電網(wǎng)對地絕緣電阻的下降。怎樣檢測這個電阻呢？可以設(shè)想在三相電網(wǎng)中加上一個獨立的直流電源，作用于電網(wǎng)三相和大地之間，這樣在電網(wǎng)的絕緣電阻上將有一直流電流流過，該電流的大小變化直接反映了電網(wǎng)對地絕緣電阻的變化，有效地檢測和利用這一電流，就構(gòu)成附加電源直流檢測式地漏電保護。

圖6

   ②電容電流補償： （如圖6所示）

    前面是以Im＝30mA為前提得到的，那么怎樣使Im＜30mA呢？

          由于電網(wǎng)對地電容越大（長度），人身觸電電流越大。因此，只有把電容的影響基本消除，前面的整定值才能合理（前面忽略的內(nèi)容）。為了解決這個問題，在電網(wǎng)與大地之間加上一個感性元件，用它產(chǎn)生的電感電流與電容產(chǎn)生的電容電流相抵消（因相位相反），就能解決這個問題。

   ③優(yōu)、缺點（附加電流直流檢測方式）：

   優(yōu)點：a保護全面 b觸電電流小 c整定簡單 d可靠性高

   缺點：a無選擇性 b屬靜態(tài)補償 c動作時間長＞50ms            d無漏電閉鎖

   2、三相半波整流式：

          這種漏電保護原理很簡單，這里只作簡單的介紹。如圖7所示，U1～U3接于三相電網(wǎng)構(gòu)成三相半波整流，其負載電阻就只有Rlo+ r∑,由于Rlo的電阻很小，所以回路的直流同樣取決于r∑的大小，這表明這種方法的原理與前面講的直流檢測式是完全一樣的，只是無直流附加電源。但動作值受電網(wǎng)電壓波動的影響較大，對整流管的反向電壓要求較高，故只用在電壓低的地方,如127v煤電鉆綜合保護中。

圖7

  3、選擇性漏電保護裝置（零序參數(shù)式）：

      如圖8所示

     六、接地與接零:

                前面我們分析可知，電網(wǎng)對地如果有分布電容存在，人體觸電的觸電電流遠大于30mA（154mA）,而電容補償也是有限的，為了人身的安全，采用保護接地可進一步減小人體觸電電流，將其限制在安全值以內(nèi)。

        (一) 分類:

                在供電系統(tǒng)中，各種電氣設(shè)備的接地按照其作用的不同可以分為：工作接地、保護接地、保護接零三大類。工作接地是指變壓器或互感器等根據(jù)工作的需要而采用的繞組或中性點接地；保護接地是指三相三線制的電網(wǎng)，將設(shè)備正常時不帶電的金屬外殼與接地裝置相連接。保護接零是指三相四線制電網(wǎng)，將設(shè)備外殼好與零線相連接。它們是防止人身觸電的重要措施?！栋踩?guī)程》第431條規(guī)定：36V以上由于絕緣損壞可能帶有危險電壓的電氣設(shè)備金屬外殼和構(gòu)架，都必須設(shè)保護接地。

    (二)接地有關(guān)參數(shù):

       1 、對地電壓Vtg:

                如下圖9所示.

       2、接地電阻Rgr:

                井上<4Ω（工作、保護、防雷）、

                井下<2Ω（任何一點）。

       3、接觸電壓Vco

                接觸電壓是指人體觸電部分與站立點之間的電位差Vco。由圖可見Vco= Vtg – Vsp ,可見離接地極越遠觸電電壓越高，這就是接地極不能設(shè)在離設(shè)備太遠的道理。

   4 、跨步電壓Vss

                 跨步電壓是指在入地電流的流動范圍內(nèi)，人兩腳間的電位差。由圖可見Vss=V1-V2,離接地極越近跨步電壓越高。

   圖9

(三)接地保護原理:(如圖10所示)

1.無保護接地時：電流經(jīng)人體入地，再經(jīng)其他兩項的絕緣阻抗回到電源，這里的關(guān)鍵是電流全部流經(jīng)人體。

2.有保護接地時：電流將通過人體電阻和接地電阻所組成的并聯(lián)支路入地，再經(jīng)過其他的兩相絕緣阻抗回到電源。這就很大程度的減小了通過人身的電流。

3、不足：①沒有斷電功能。②電網(wǎng)發(fā)生單相直接接地時，無分流作用。③人接觸單相電網(wǎng)，無分流作用。所以漏電保護和保護接地二者缺一不可。

圖10

（四）保護接零：

          如圖11所示,保護接零主要用于中性點直接接地的供電系統(tǒng)中，一般為低壓三相四線制系統(tǒng)，由中性點引出的線叫零線，也就是第四根線。

          將電氣設(shè)備外殼與零線連接后，當設(shè)備發(fā)生單相碰殼故障時，便形成單相短路，而保護裝置很快動作，切斷電源，縮短故障存在的時間，減少觸電的機率，這就是保護接零。

  圖11

    保護接零分析:

         1. 無保護接零時（如圖11所示） ，如果發(fā)生單相碰殼而人又觸及該設(shè)備外殼，則觸電電流經(jīng)人體電阻（1000Ω）、大地、工作接地極電阻（5Ω）構(gòu)成回路，由于人體電阻遠大于工作接地極電阻，故接觸電壓近似等于相電壓，對人是非常危險的。

          2.有保護接零時，情況就不一樣了。它為電流回路提供了一條更為順利的路徑，外殼→零線→電源中性點。實際上此漏電故障被變成了單相短路故障，過流保護會很快動作，切斷電源。又因為零線短接了人體電阻和接地電阻，使接觸電壓大大減小，對人相對安全。其作用如下：①變漏電為單相短路；②降低人觸電的機率。

3.有保護接零和保護接地共存,以免零線斷開,形成無保護狀態(tài).

          當發(fā)生零線斷開時,保護接零就轉(zhuǎn)變成了保護接地,避免了無保護狀態(tài)的發(fā)生.

4.總零線上不許加裝任何開關(guān)和熔斷器,以免人為斷開零線 , 造成某一相用電設(shè)備的損壞.

一、煤礦供電系統(tǒng)簡介

二、礦用電氣設(shè)備

三、漏電與觸電分析

四、井下變壓器中性點禁止接地的分析

五、漏電保護裝置

六、接地與接零保護

  

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