煤矿电气安全李国欣.ppt

煤矿电气安全与保护,中国矿业大学电气安全与智能电器研究所二OO九年十一月,2,煤矿电网的保护与监控电气防爆技术事故案例分析,3,供电可靠性要求高井下人员瓦斯涌水生产损失惨重，教训深刻同一电压等级的供电级数多地面变电所、井下中央变电所、采区变电所、移动变电站负荷集中大功率设备多大功率设备多且相对集中，负荷变化对供电系统影响大运行环境恶劣事故频繁环境潮湿，粉尘多，移动型设备多，挤压碰撞多电缆供电为主高压电缆一般有几十公里，单相接地电流大，易拉起电弧，不易自恢复新型电力电子设备逐渐增多谐波含量超标自然功率因数低供电设备技术水平参差不齐设备多且难以统一，配合复杂，管理维护困难,矿井供电的特点,4,1煤矿电网供电结构2保护整定原则及配置3存在问题及解决思路4井下配电自动化监控系统,煤矿电网继电保护,5,一煤矿电网供电结构,6,1煤矿电网供电结构在正常运行方式下为辐射状类似于配电网，但传输线路上并无T型分支线路，同时也不存在像10kV配网中的线路分段开关，其又具有输电网的特点。2地面的各高压配电点基本上是由35kV或110kV变电所6kV母线直接供电，而下井线路供电级数较多，其中央变电所以下部分每一级之间供电距离大都很短，有的线路长度不足500m。3煤矿电网中的所有高压开关设备都安装在变电所内，如高压断路器都位于选煤厂等变电所中，高压防爆开关都位于中央变电所、各采区变电所或配电硐室中。,几个特点,7,二保护整定原则及配置,3110kV电网继电保护装置运行整定规程（1996年6月1实施）煤矿安全生产规程（2005年1月1日起实行）煤矿井下供电三大保护整定细则煤炭工业出版社矿井漏电保护煤炭工业出版社,8,煤矿电网电气设备保护配置表,9,煤矿电网电气设备保护配置表（续）,10,对矿井电气保护装置的基本要求,1选择性当供电系统发生故障时，电气保护装置应能有选择地将故障段切除，即断开距离事故点最近的开关设备，从而保证供电系统的其他部分能正常运行。为了保证电气保护装置的动作有选择性，上级开关保护动作值应比下级开关保护的动作值大1.1倍以上，而且要求上级开关的动作时间比下级开关的动作时间长0.5s0.7s。,11,对矿井电气保护装置的基本要求,2快速性一般要求电气保护装置能快速切除故障。但有些情况下快速动作与选择性相矛盾。例如，选择性漏电保护，在线路出现漏电后，经一定选择时限，再通过开关的动作，这就影响了故障的快速切断。在不能同时满足以上两个要求时，一般应首先满足选择性的要求。对用来监视电力系统不正常工作状态的保护装置，如过负荷保护，就不需快速动作，应有一定的延时。,12,对矿井电气保护装置的基本要求,3灵敏性电气保护装置对其保护范围内的故障和不正常运行状态的反应能力称为灵敏性。不同的保护装置和被保护设备对灵敏系数的要求也不相同。井下被保护的变压器、线路等所有电气设备，其过流保护的最低灵敏系数为1.5，后备保护灵敏系数为1.2。,13,灵敏度校验,满足灵敏性的要求保护装置保护范围应该在事先规定好的范围内，不论短路点位置，短路类型如何，都能正确反应。保护装置的灵敏性，通常用灵敏系数来衡量，它主要决定于被保护的元件和电力系统的参数和运行方式。,14,对矿井电气保护装置的基本要求,4动作可靠性动作可靠性是指在线路和电气设备发生故障时，保护装置应能可靠动作，不会出现拒绝动作，也不会出现误动作。例如，鼠笼异步电动机正常启动电流为额定电流的57倍，这时若保护装置动作，电动机就会停止运转，此动作为误动作；若电动机出现短路故障，线路流过短路电流，此时装置不动作，称为拒动。这都是不可靠动作，因此必须进行正确整定和定期校验。,15,可靠系数,由于理论计算和实际情况之间存在一定的差别，即必须考虑各种因素的影响，如:（1）实际的短路电流大于计算值；（2）对瞬时动作的保护还应考虑到非周期分量使总电流增大的影响；（3）保护装置中继电器实际启动电流可能小于整定值；（4）考虑必要的裕度。从最不利的情况出发，即使同时出现以上几个因素的影响，也能保证在预定的保护范围以外发生故障时，保护装置不误动作，因而必须乘以大于1的可靠系数。过流保护考虑到设备的过负荷一般取1.2，井下的保护为电脑程控综合保护器，速断的保护的可靠系数取1.1。,16,高压线路越级跳闸原因分析,1.整定方法2.运行方式差异3.保护装置问题4.线路较短,17,整定方法不合理,线路的速断保护有如下整定方法：,灵敏度校验：,被保护电缆干线距变压器二次侧出口最远点两相短路电流（线路的末端）,整定方法为煤炭工业部制定的煤矿井下供电的三大保护细则（煤炭工业出版社）中第6条中用于1200V及以下低压电缆线路的速断保护的整定计算。,18,采用该方法整定带来的影响：,19,系统运行方式差异较大对整定的影响,某矿系统运行方式：1.系统参数：最大短路容量：449.03MVA最小短路容量：152.49MVA,20,21,由于某些下井线路未加限流电抗器，母线的短路电流较大，如某条线路的母线最小三相短路电流为3.15kA（最小两相短路电流2.7KA），且它的下一级出线保护的电流互感器的变比为200/5，而目前井下保护装置的可选的最大短路电流为10倍电流互感器的额定电流，即2KA。,保护装置对整定计算的影响：,22,线路较短对保护的影响：,当线路较长时，其始端和末端的短路电流差别较大，因而短路电流的变化趋势比较陡，保护范围较大。当线路较短的时候，线路的短路电流变化平缓，速断保护的整定值考虑了可靠系数后，其保护范围将很小甚至等于零。如在井下有的电缆线路大约只有500米，上下级的短路电流很难区分，保护范围为零，此时的瞬时速断形同虚设。在灵敏度不满足要求的情况下，应采用同一灵敏系数法，保证最小保护范围。,23,线路较短对保护的影响：,此时不可避免的发生越级跳闸,24,煤矿生产的工作条件是具有十分特殊性的，其电网的安全、稳定运行是煤矿企业安全生产的重要保障。要保障煤矿企业主设备安全可靠运行，正确、合理的保护定值整定是必不可少的措施之一。目前煤炭系统内，继电保护整定管理水平总体上比较低，至今没有形成统一的，被系统内认可的整定计算规范，目前各单位还处于手动计算，各自为营的状态。,25,解决思路,制定更加完善的井下保护整定规程井下配电自动化系统,26,井下配电自动化监控系统,高压开关保护器全部采用数字化综合保护，以提高保护的可靠性，并在地面建立调度监控系统，对井下变电所进行远程监控，构成全矿井下供配电系统的自动化监控系统。实现视频、音频及系统监测监控三网合一，全面完善煤矿井下供电系统的远程监控、调度指挥的功能。,27,28,功能,在地面进行井下供配电系统的电气量监测、信号量监视、开关分合控制操作；通过地面调度监控工作站或在井下通过遥控器在线调整保护定值，设定保护投退；保护装置数字化，保护动作精度高、速度快，可靠性高；事件顺序记录和故障录波功能；报表打印。,提高供电系统保护可靠性，缩小事故影响范围，缩短事故影响时间，为井下变电所无人值守创造条件。,29,井下配电自动化系统的几个问题,底层单元设计：本安模块化通信方式选择：总线+以太网井下网络结构设计：自愈型环网数据库设计和其它自动化系统的联系,30,网络结构,31,煤矿电网电气防爆技术,32,33,电火灾引起瓦斯/煤尘爆炸的条件防爆电气设备的种类矿用防爆设备的应用与分析存在问题及解决思路,煤矿电网电气防爆技术,34,电火花引起瓦斯/煤尘爆炸的条件及其预防方法,瓦斯、煤尘爆炸是井下危险性最大的事故爆炸时，气体急剧膨胀，产生很大压力和大量的一氧化碳，对爆炸地点的生产设施及人的生命均有强烈的破坏性必须采取有力的预防措施，杜绝其发生,35,瓦斯、煤尘爆炸的条件,瓦斯，通常指甲烷（CH4），又名沼气瓦斯爆炸的条件在空气中的含量（浓度）达到516%的范围8.5%的浓度最易引起爆炸9.5%的浓度爆炸压力最大遇到温度超过650750以上的电火花或灼热的导体,36,煤尘爆炸的条件当煤尘尺寸在1m1mm的范围内，挥发分指数超过10%飞扬在空气中的含量为303000g/m3其中以112gm3爆炸最猛700800的点燃温度,37,爆炸必须具备两个条件,一定的气体浓度足够的火花能量,38,瓦斯、煤尘爆炸的预防方法,将瓦斯和煤尘的含量严格控制在非爆炸的范围内瓦斯：主要是加强通风使总回风巷中的瓦斯浓度小于0.75%工作面的瓦斯浓度达到12%时，就应当停止机电设备运行，撤离人员，进行处理煤尘：可用洒水或撒岩粉的方法来迫使煤尘降落，使飞扬的煤尘减少使煤尘在空气中的含量在20g/m3以下,39,对电气设备采取严格的防爆措施，使之不会引起瓦斯、煤尘完善井下供电系统的保护装置，预防电气设备及电缆线路产生短路故障建立健全各种有效的安全制度及操作制度，保证井下电气设备及系统正常运行,40,防爆电气设备的种类,防爆电气设备适用于有爆炸危险场所内的电气设备正常运行或事故状态下产生的能量，不足以或无法接触点燃易燃气体，使之爆炸电气设备的防爆型式隔爆型本质安全型增安型正压型充油型特殊型充砂型、无火花型、浇封型、气密型,41,隔爆型指将所有能产生火花、电弧和危险温度的零部件都放到具有足够强度的壳体之内，当壳体内部发生爆炸时，不致引起外部爆炸性混合物爆炸的电气设备符号为“d”本质安全型指电路系统中，在正常状态和故障状态下，产生的电火花和温度，都不能引起爆炸性混合物爆炸的电气设备符号为“i”,42,增安型在零部件上采取适当的措施，使其在正常运行时不产生火花、电弧和危险温度的电气设备符号为“e”正压型通过保持内部保护气体的压力高于周围爆炸性环境压力的措施来达到安全的电气设备符号为“p”充油型将可能产生火花、电弧和危险温度的带电零部件浸在油中，使其不引起油面上爆炸性混合物爆炸的电气设备符号为“o”,43,充砂型在外壳内充填砂粒或其它规定特性的粉末材料，使之在规定的使用条件下，壳内产生的电弧或高温不能点燃周围爆炸性气体环境的电气设备符号为“q”无火花型在正常运行条件下不产生电弧或火花，也不产生能够点燃周围爆炸性混合物的高温表面或灼热点，且一般不会发生有点燃作用的故障的电气设备浇封型将能产生点燃爆炸性混合物的电弧，火花或高温的部分浇封，使它不能点燃周围的爆炸性混合物的电气设备符号为“m”,44,气密型用熔化、挤压或胶粘的方法进行外壳的密封，这种外壳能防止壳外气体进入壳内的电气设备符号为“h”特殊型结构上不属于上述各类型，而采用其它防爆措施的电气设备符号为“s”,45,防爆电气设备的类别,防爆电气设备因使用地点不同，根据GB38362000分为两类I类煤矿用防爆电气设备II类除煤矿外的其他爆炸性气体环境用防爆电气设备,46,电气设备中应用广泛的是隔爆型设备ExdI隔爆型设备要求隔爆外壳要有耐爆性和隔爆性能，有足够的机械强度，能耐受内部爆炸性混合物可能产生的最大压力，并严格控制结合面的间隙、宽度及加工光洁度，使电气设备外壳内部发生的电火花及爆炸不致引燃外部爆炸性混合物。,47,48,小设备关系大安全我国矿井供电设备安全现状,在我国瓦斯矿井中，有多达20余万台的供电设备。任何一台设备存在安全隐患，都会给矿井安全带来难以预测的后果。近年来发生的数起特别重大瓦斯爆炸事故，都因井下电气产生的火花所致。煤矿安全技术专家对45户重点监测煤炭企业调查后指出，矿井电气安全状况差，供电系统稳定性、可靠性差。因此，打造本质安全型井下供电电路和设备，成为实现煤矿安全的迫切要求。,49,小设备关系大安全我国矿井供电设备安全现状,国有重点煤矿矿井防爆电器在用数量统计：数量巨大,50,小设备关系大安全我国矿井供电设备安全现状,目前许多煤矿在用产品安全性能不符合国家和行业安全标准。随着矿井逐渐老化，许多国有重点煤矿通风线路延长，设备老化，风机带病运行，原有的通风系统、设备难以满足安全生产的要求；瓦斯监测系统老化，可靠性差；大部分矿井提升系统设备老化，安全仪器仪表配备不足，井下电器设备失爆等现象普遍存在。,51,我国煤矿为确保矿山安全生产，避免因电器开关工作时产生的电火花引燃、引爆瓦斯，普遍使用矿用隔爆真空电磁起动器来控制井下电气设备。目前，我国各个煤矿井下很少装备井下电网监控系统，不能实时监测矿井电网的运行参数，不能及时根据井下监测系统监测到的瓦斯情况，发现事故征兆，及时调整和控制参数，必要时切断电源，保证井下安全生产。,小设备关系大安全我国矿井供电设备安全现状,52,我国煤矿隔爆电器产品的防护措施,上盖上设“开盖前断电”警示牌接线腔电源接线端与负载接线端加挡板并加“危险”警示牌主腔加机械连锁结构，只有将隔离开关和执行机构断开的情况下才能打开主腔,53,关于连锁装置,从实践知道，即使简单的重复操作，都有出现误操作的概率。在紧急处理一些意外情况时，误操作则是屡见不鲜的。正因为如此，在误操作设备时会造成事故的设备中，规程规定这些设备必须具备电气机械连锁结构。从结构上，保证操作顺序，防止误操作。连锁装置应设计成用一般工具不能解除其连锁功能的机构。一台设备，增加一套机构，总要增加加工工时，提高成本的。然而，这种“增加”对安全是非常必要的，设计者应该用最简单的机构达到连锁要求。,54,关于连锁装置,连锁机构具备，而要实现连锁功能，还需要设备的运行部门大力合作，按操作规程办事，不能图方便忽视安全。在有些设备上，安全连锁装置存在一定困难，在征得国家防爆检验机关同意后，可设警告牌，代替连锁结构。一般，警告语为“开盖停电！”在使用警告牌的设备上，运行人员更应按章办事。带电开盖，一旦出现事故，后果不堪设想。运行人员一定要特别注意。,55,煤矿安全规程的相关条款,煤矿安全规程第445条明确规定“井下不得带电检修、搬迁电气设备”，即不允许带电打开电器设备隔爆外壳。如果完全按照煤矿安全规程操作，就能有效杜绝电火花引燃引爆瓦斯问题。实际情况是有些矿井，规程并不能得到有效执行。,56,防爆电器产品在使用中的实际问题,上盖上设“开盖前断电”警示牌在工人存在侥幸心理情况下断电存在困难情况下为加快送电速度情况下主腔内加“危险”警示牌如果不断上级开关则但断路器或接触器的电源侧仍然带电主腔加机械连锁结构，只有将隔离开关和执行机构断开的情况下才能打开主腔连锁结构的接除需要专用工具，实际上作用不大，普通螺丝刀就能解除,57,工人带电违章作业造成的事故,2003年5月13日，安徽省淮北矿业集团芦岭煤矿井下二水平发生的瓦斯爆炸事故，就是因为工人带电打开起动器接线腔作业，产生电火花引爆瓦斯，造成86人死亡。2004年2月23日，鸡西成子河特大瓦斯爆炸事故，同样是工人违章操作插销开关造成电火，点燃周围瓦斯造成的，事故处理专家组意见是不是天灾，而是人祸。2005年2月14日，阜新孙家湾立井发生的重大瓦斯爆炸事故，调查分析原因同样是工人带电打开照明信号综合保护装置接线腔作业，产生电火花引爆瓦斯，造成214人死亡。,孙家湾事故分析报告,58,工人带电违章作业的原因,侥幸心理断电困难技术原因：产品设计存在着不完善性，防爆外壳的结构具有一定的局限性，存在着极大的安全隐患。,59,我国煤矿防爆电器产品的不完善性和局限性,矿用隔爆型低压防爆电器需要经常进行检查、维修以及更换所控制的负荷。目前，我国防爆电器的防爆结构型式一直延续六七十年代原苏联的技术，即接线腔和主腔两腔隔爆型式，主腔具有机械闭锁结构，接线腔无任何机械电气闭锁结构。,60,我国煤矿防爆电器产品的不完善性和局限性,现有的防爆电器的结构型式是：主腔设有机械联锁机构，即只有将隔离开关和执行机构断开的情况下才能打开，但断路器或接触器的电源侧仍然带电，为了防止人身触电，设计时在主腔内加装一个“危险”警示牌，警示操作人员注意触电危险，没有从技术上彻底解决主腔没有带电体这一根本问题。接线腔无任何闭锁机构，只有在上盖设有“开盖前断电”警示牌，对操作者无任何技术限制措施，操作者可按自己主观愿望任意操作，在没有停掉上级电源的情况下打开接线腔作业，极易造成人身触电，且当瓦斯浓度达到爆炸范围时，产生的电火花引起瓦斯爆炸事故，近两年来，几起重大瓦斯爆炸事故为这不安全隐患提供了佐证。,61,原因分析,深刻分析电火花引起瓦斯爆炸及人身触电伤亡事故的原因，主要存在三方面的问题：1）我国煤矿井下工人安全意识不强，普遍存在误操作或违章作业的现象；2）我国煤矿井下在用的矿用隔爆型防爆电器防爆安全性能存在着严重缺陷，接线腔没有机械-电气闭锁功能，给工人违章提供了可能；3）我国煤矿井下防爆电器设备的运行状态和电网故障信息不能及时上传，缺乏有效的监测手段。,62,问题的提出和解决,违章带电作业开盖低压防爆电器产生电火花引爆瓦斯爆炸恶性事故。,分级闭锁专利技术和选择性断电技术,从根本上解决工人违章带电开盖低压防爆电器问题,保证只要带电开盖就断电并闭锁,63,方案一：矿用隔爆型低压电器独立隔爆技术方案,除主腔外，将接线腔分为电源接线腔和负载接线腔。每腔都满足防爆要求，也就是独立隔爆。,64,方案二：矿用隔爆型低压电器分级闭锁技术,各独立防爆腔均需安装开盖闭锁装置，实现分级闭锁；且保证接线腔开盖作业时，上级开关实现电气闭锁而人为送电合不上闸，只有本级合上盖闭锁解除后，上级开关方能送电合闸。闭锁装置：压缩盖板和闭锁杆,压缩盖板及闭锁杆示意图,65,矿用隔爆型低压电器分级闭锁技术,当操作人员欲打开主隔爆腔时，首先必须将隔离开关手柄搬到分的位置，此时方能操作机械闭锁杆，使其退到机械闭锁限位槽内，机械闭锁压板解锁，此时主隔爆腔内电源侧仍然带电。这时工人如违章打开主隔爆腔，主隔爆腔内电气闭锁机构的电气闭锁压板移动，压缩行程开关的行程，行程开关接点闭合，使上级开关断电，从而实现了主隔爆腔机械电气闭锁。,主腔机械电气闭锁装置机械结构原理,66,矿用隔爆型低压电器分级闭锁技术方案,主腔与接线腔开盖电气闭锁原理图,当工人违章作业打开输出接线腔压缩盖板时，闭锁杆弹起，使闭锁行程开关XWK2断开，造成控制变压器二次侧断电，保证了该接线腔接线柱无电，从而实现了接线腔开盖闭锁功能。正常操作程序是：先操作本级开关的停止按钮，使本级开关处于分闸状态，然后操作隔离开关使隔离开关处于“分”的状态，此时负载接线腔内的接线柱无电。接线腔分为电源接线腔和负载接线腔两个独立的隔爆腔的目的是，保证负载接线腔开盖作业时，不用停掉上级馈电开关而只停掉本级开关即可实现无电作业，降低了工人的劳动负荷，从而缩短了工人的作业时间。,67,方案三：矿用隔爆型低压电器选择性断电技术方案,在整个低压供电系统中，违章作业打开接线腔时，必须实现选择性断电功能，缩小停电范围，保证其他用电设备的正常运转。选择性漏电采用附加直流和零序电流方向原理。前者确定动作值，后者选择故障支路。,68,方案四：矿用隔爆型低压电器与监测系统联网技术方案,监控系统的通信接口和通信分站防爆低压电器的通信接口：智能型的预留通信接口；普通型需加通信转接口,69,煤矿井下高可靠性低压供电系统构建,低压防爆电器四大功能的具备：独立隔爆；分级闭锁；选择断电；监测联网馈电开关/磁力启动器/煤电钻/照明信号综保,70,系统结构1140/660V,KJZ