矿山电工课件第二章

目录,第一章,1,2,第二章矿山供电系统故障分析,3,第三章,4,第四章,5,第五章,第二章矿山供电系统故障分析,分析两个常见故障：漏电故障和短路故障。回答一个重要问题：为什么“向井下供电的电网不允许直接接地”。重点介绍两种故障计算：人身触电电流（包括单相接地电流）和短路电流。分析了矿井电网发生单相漏电和单相接地故障时电网中零序电流的分布。,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。,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）我国煤矿井下工人素质低下，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。,第一节漏电流及其危害,漏电流：泛指用电负荷工作电流以外的电流。漏电故障电流：一般指的是流经漏电故障点的电流。漏电故障：一般指的是电网某相或两相的绝缘损坏、破裂或人身触电等。（电网对地绝缘对称下降时，虽然电网仍然对称的，并正常运行，但实际上电网已处于亚健康状态，尤其对煤矿井下电网，它将增加人身触电电流和单相接地电流，对供电安全极为不利，因此，这种电网绝缘对称下降也算为漏电故障，并称它为对称性漏电故障。）,第一节漏电流及其危害,电网漏电故障等值示意电路图中：Ua、Ub和Uc是三相电源电压，ZL为负荷阻抗，Ca、Cb、Cc和ra、rb、rc分别是a、b和c相导线对地电容和绝缘电阻（见图2-1，b），ZN为变压器中性点接地元件（若中性点不接地，ZN=，若中性点经电抗接地，则ZN为接地电抗的阻抗），Rr是漏电故障电阻（若单相直接接地，则Rr=0）。,第一节漏电流及其危害,漏电流大可能带来以下危险：(1)增加人身触电伤亡的可能。(2)引燃或引炸瓦斯和煤尘。(3)烧损电气设备。(4)引起电气雷管的先期爆炸。,第一节漏电流及其危害,造成人体触电危害的最主要因素有：通过人体的触电电流的大小。电流越大越危险。人身触电的持续时间。时间越长越危险。,第一节漏电流及其危害,通过人体的触电电流大小影响：1、感知电流指：当人的手握住带电导体时，在直流情况下能感知手心轻微发热；交流情况下则因神经受到刺激而感知轻微刺捅。其平均值为1.1mA。2、反应电流指：能引起预料不到的不自主反应，并有可能造成事故。3、摆脱电流指：人体能忍受的最大电流，在这一电流作用下，人体受刺激的肌肉能摆脱带电体。反复经受不会对人体有不良后果；不用借助于他人的帮助而自主脱离危险。是一个人身触电的绝对安全的极限电流。正常男性为9mA。4、心室颤动电流。心室颤动除电流大小因素外，触电时间的影响也很大。,第一节漏电流及其危害,人体的电气安全参量9mA摆脱电流是绝对安全电流，是最为保险的。我国一直延用的30mA极限安全电流。30mAS是人体触电的极限电气安全参量，是国标。取l000为计算参考值。,第一节漏电流及其危害,人身触电的预防人身接触到正常情况下不带电，由于绝缘损坏可能带电的各种电气设备的金属外壳。采用保护接地解决。人身接触到正常带电的导体。有6条预防措施：(1)将带电导体、电器元件和电缆的接插头等，都封闭在坚固的外壳内。并在电气设备的外壳与盖之间设置可靠的机械闭锁装置。从而保证末合上外盖时，不能送上电；当给上电源时，便不能打开外盖，暴露带电体。(2)对于那些不能被封闭在外壳内的裸露带电导体，如电机车用的架空线，应将其悬挂在一定高度，勿使人身触电。按照煤矿安全规程规定，在一般的行人巷道内，高度不得低于2m；在井底车场，从井底到乘车场的巷道内，不得低于22m。,第一节漏电流及其危害,(3)加强手持式电动工具（如煤电钻等)手柄的绝缘，以免带电时引起触电事故。(4)对于人身触电机会较多的电气设备，应采用较低的供电电压，以减少触电的危险。例如，控制电源等的额定电压为36V。(5)按照煤矿安全规程规定：向井下供电的变压器的中性点禁止直接接地，以减小人身触电电流。同时，也禁止使用地面上中性点直接接地的变压器或发电机直接向井下供电。(6)装设灵敏可靠的漏电保护装置，一旦发生漏电或人身触电事故，立即切除故障线路电源，以保证人身的安全。,第二节井下供电的变压器中性点禁止直接接地分析,向井下供电的变压器中性点接地方式是影响人身触电电流、漏电故障电流和单相接地故障电流大小的最重要因素之一，进而也是影响人身触电危险程度和井下电火灾与瓦斯、煤尘爆炸危险程度的最重要因素之一，因此，很有必要对向井下供电的变压器中性点接地方式作一分析。,变压线中性点直接接地的供电系统,人触及一相带电导体时,电网单相接地故障,变压器中性点绝缘的供电系统,忽略电网对地电容,考虑电网对地分布电容,变压器中性点采用电感接地,全补偿,电网单相接地故障,不考虑电网分布电容，取Rr=1全补偿，取Rr=1,考虑电网分布电容，取Rr=1,分析结论,1、变压器中性点直接接地方式与变压器中性点不接地和电感接地方式相比较，不管是人身触电电流还是单相接地故障电流都要大得多，人身触电电流大会增大人的生命安全的威胁，漏电流和单相接地故障电流大会增大点燃瓦斯、煤尘的可能。并且，煤矿井下空气湿度大，巷道狭窄，大的人身触电电流和单相接地故障电流对人身和设备的安全是极为不利的，因此，煤矿安全规程443条明文规定：“严禁井下配电变压器中性点直接接地”。2、由于电网接地电容的影响，人身触电电流有较大的增长，并且，这时人身触电电流中主要是电容电流分量，因此，提高电网的绝缘水平对减小人身触电电流没有太大帮助。,分析结论,3、当电网供电距离比较长，供电容量比较大，即电缆比较长、截面积比较大时，人身触电电流比较大时，可采用变压器中性点电感接地方式，只要补偿电感值选择得当，它对减小人身触电电流是有利的。4、比较例2-6中后2例可见，电感接地对减小单相接地故障电流效果明显。对于煤矿井下高压（6kV或10kV）电网，大的接地电流对井下安全供电威胁极大，因此，对单相接地故障电流比较大的井下高压电网，应该采用电感（消弧线圈）接地方式，以限制煤矿井下高压电网的单相接地故障电流。煤矿安全规程457条规定：“矿井高压电网，必须采取措施限制单相接地电容电流不超过20A。”,第三节单相漏电或接地故障时电网中零序电流的分布,基于稳态分析的选择性漏电保护原理都是依据零序电流的大小或是依据零序电流和零序电压的相位关系来选择故障线路的，因此，要理解选择性漏电保护的工作原理，首先必须清楚发生单相漏电故障和单相接地故障时，电网中的零序电流是如何分布的。本节讨论单相漏电故障或单相接地故障时，电网中零序电流的分布。,对称分量法简介,对称分量法相量图,对称分量法简介,不对称电网,对称分量法在单相漏电和接地故障分析中的应用,单相漏电故障电网,故障点的边界条件为：,对称分量法在单相漏电和接地故障分析中的应用,不对称的电流相量分解为正序、负序和零序三组对称电势源和相应的对称电流相量,对称分量法在单相漏电和接地故障分析中的应用,根据线性电路的叠加原理分解为正序、负序和零序路。,对称分量法在单相漏电和接地故障分析中的应用,正序电路、负序电路和零序电路的单相分析电路只有零序电流流过故障点,对称分量法在单相漏电和接地故障分析中的应用,分析结论：1、在变压器中性点不接地或经电感接地的电网中（更一般地说，所有“非有效接地”电网中，只要满足Z0RW和Z0XW条件），分析单相接地故障或是单相漏电故障时，可以将单相故障的不对称电路利用对称分量法分解为三个对称电路来分析。由于正序和负序电路的对称性，正序和负序电流对单相接地故障或是单相漏电故障电流没有贡献，因此，只要单纯地分析零序电路就可准确地分析单相接地故障或是单相漏电故障电路。,对称分量法在单相漏电和接地故障分析中的应用,2、零序相量是3个大小相等方向相同的分量，依据结论1，下图可准确描述变压器中性点不接地或经电感接地的电网中单相接地故障或是单相漏电故障电路。图中，ZN为变压器中性点接地元件，r是电网对地每相总的分布绝缘电阻，C是电网对地每相总的分布电容，ZN、r和C准确地描述了电网的零序元件；U0是不对称故障点的等效电势源，是由单相接地故障或是单相漏电故障产生的。,对称分量法在单相漏电和接地故障分析中的应用,3、由故障点的边界条件得：单相漏电故障点等值电路,单相漏电故障等值计算电路,单相漏电或接地故障时电网中零序电流的分布,借助于以上分析结论-单纯零序电路就可准确地描述和分析单相接地故障或是单相漏电故障电路，零序电压U0是不对称故障点的等效电势源，复杂电网中单相接地故障或是单相漏电故障时的零序电流便可得到清楚的描述,变压器中性点不接地电网,变压器中性点不接地电网,变压器中性点不接地电网,所有非故障馈出线的零序电流故障馈出线的零序电流,变压器中性点不接地电网,1、所有非故障馈出线的零序电流的大小与该馈出线的每相对地（零序）导纳成正比，方向为由母线流向馈出线（即与零序电压同方向）。2、故障馈出线的零序电流的大小是所有非故障馈出线的零序电流大小的总和，方向为由该故障馈出线流向母线（即与零序电压同方向相反）。这2条结论是变压器中性点不接地电网设计选择性漏电保护的依据。,变压器中性点经电感接地电网,变压器中性点不接地电网,变压器中性点经电感接地电网,所有非故障馈出线的零序电流故障馈出线的零序电流,变压器中性点经电感接地电网,1、所有非故障馈出线的零序电流的大小仍然与该馈出线的每相对地（零序）导纳成正比，方向为由母线流向馈出线（即与零序电压同方向）。2、故障馈出线的零序电流的大小和方向不仅与所有非故障馈出线的每相对地（零序）导纳大小有关，而且还与变压器中性点补偿电感的补偿度有关（见图2-22相量图），因此，一般用于变压器中性点不接地电网的选择性漏电保护原理对变压器中性点经补偿电感接地的电网是不适用的。,变压器中性点经电感接地电网,3、故障馈出线的零序电流有功分量的大小为所有非故障馈出线和变压器中性点补偿电流有功分量的总和，并其方向与所有非故障馈出线零序电流有功分量反方向。这是变压器中性点经补偿电感接地电网采用的“零序电流有功分量选择性漏电保护原理”的保护依据。,第四节：短路的原因、危害和物理过程,在供电系统中，短路时最严重的故障之一，煤矿井下电网若发生短路故障，更是危害极大。掌握电网发生短路时短路电流的变化规律、稳态短路参数的计算及短路电流的破坏效应等知识，有助于电气设备的正确选择和过流保护装置的设置与整定，在矿井电网的故障分析中有重要作用。,短路的原因、种类及危害,短路是指供电系统中不等电位的导体在电气上被短接，如相与相之间的短接、相与地之间的短接等。产生短路的主要原因是由于电气设备载流部分绝缘损坏。绝缘损坏是由于绝缘老化、过电压、机械损伤等造成。三相电网中，可能发生的主要短路类型有三相短路、两相短路。第一种短路称为对称短路，后三种通称为不对称短路。,短路的原因、种类及危害,在供电系统中，发生单相短路的可能性最大，但一般三相短路的短路电流值最大。为了使电气设备在最严重的短路情况下不致损坏，常用三相短路电流来校验电气设备承受短路的能力。两相短路电流数值最小，常用来校验短路保护装置的灵敏度，使保护装置对最轻的短路故障也有较强的反应能力。,短路的原因、种类及危害,短路产生的危害：（1）短路电流比正常电流一般要大几十倍甚至几百倍，这样大的短路电流对供电系统及电气设备要造成很大的危害。例如，强大的短路电流所产生的热和电动力效应会使电气设备受到破坏；短路点的电弧可能烧毁电气设备；短路点附近的电压显著降低，使供电受到严重影响或被迫中断；若在发电厂附近发生短路，还可能影响电力系统运行的稳定性，使并列运行的发电机组失去同步，造成系统解列。,短路的原因、种类及危害,2）不对称接地短路所造成的零序电流，会在附近的通讯线路内产生感应电动势，干扰通讯；3）在井下，短路也是引起沼气煤尘爆炸和电气火灾的主要原因之一。因此，在供电系统中必须设置短路保护，一旦发生短路，应尽快切断故障部分的电源。,无限大电源容量系统短路电流暂态过程及参数,无限大电源容量是一个相对的概念，它是指电源距短路点的“电气距离”较远、电源额定容量远大于系统供给短路点的短路容量的电源，常用S=表示。“电气距离”较远，实际上是指电源阻抗小于短路回路总阻抗10%的情况。对于无限大电源容量系统，在分析短路暂态过程中，可以不考虑电源内部的参数，可以认为电源电压维持不变。,三相短路电流暂态过程分析,供电系统发生三相短路的电路如图所示，RWL、LWL为线路的电阻和电感，RL和LL为负载的电阻和电感。由于电路对称，可取一相来分析。,三相短路电流暂态过程分析,短路前电路中的电压和电流为,三相短路电流暂态过程分析,在k处发生三相短路时，负载回路被短接，失去电源。k点处的电位为零，电源电压全部加在短路回路上。在电源至短路点的回路内，电流将由原来的负载电流增大为短路电流，其瞬时值可由短路回路的微分方程来确定。,三相短路电流暂态过程分析,可得一相的回路方程式为解一阶常系数非齐次微分方程，可得短路全电流表达式为,三相短路电流暂态过程分析,式中:Ipe短路后的稳态电流值，称周期分量；Iap短路电流非周期分量；Ipe.m短路电流周期分量幅值；短路回路的阻抗角，Tk短路回路的时间常数，,三相短路电流暂态过程分析,对应的短路电流波形如图所示。图中iap为非周期分量，ipe为周期分量。,三相短路电流暂态过程分析,短路电流暂态过程特点：产生非周期分量电流产生原因：回路中存在电感。在发生突然短路的瞬间（即t=0时），短路前的电流与短路后的周期分量电流一般不相等。由楞次定律，为维持电流的连续性（即电感回路中电流不能突变），将在电感回路中产生一自感电流来阻止电流的突变，该电流就是非周期分量电流。它的初始值iap.0的大小与短路故障发生的时刻有关，即与电压V的初相角有关。,三相短路电流暂态过程分析,短路电流非周期分量按指数规律衰减。由于它是由电流突变感生而来，没有外加电压的维持，也就没有能量的补充；而短路回路为R-L电路，不断的消耗能量，所以iap按指数规律单调衰减。衰减的速度决定于回路时间常数Tk，一般非周期分量衰减很快，在0.2s（10个周期）后即衰减到初始值的2%，在工程上即可以认为已衰减结束。这也说明电力系统的暂态过程非常短暂。,有关短路计算的物理量,稳态短路电流Ik当非周期分量衰减到零后，短路故障的暂态过程即告结束，此时进入短路的稳定状态，这使得电流成为稳态短路电流，其有效值用Iss表示。当系统容量为无限大时，稳态短路电流就等于短路电流周期分量有效值Ipe，也等于需计算的短路电流有效值Ik。Ik是短路保护装置整定和校验的依据，也是选择、校验电气设备的依据。,有关短路计算的物理量,短路电流冲击值ish：短路电流可能的最大瞬时值用来校验电气设备和母线动稳定的重要数据。,有关短路计算的物理量,冲击系数Kim：表示冲击电流比周期分量幅值大的倍数，取决于系统时间常数的大小。实际计算中，对电阻较大回路,当R(X/3）,如长距离电缆网络，可取Kim=1.3；iim=1.84Ipe对单机容量为12MW及以上发电机母线上短路，可取Kim=1.9，iim=2.55Ipe,有关短路计算的物理量,短路电流的最大有效值、短路容量：最不利条件下发生的短路在第一个周期内短路电流有效值为最大，即短路最大有效值Iim。常用于校验电气设备的电动力稳定性。无限大容量电网短路全电流的最大有效值：当Kim=1.8（高压电网）时，Iim=1.52Ipe当Kim=1.3（低压电网）时，Iim=1.09Ipe,有关短路计算的物理量,短路容量：表示短路处的平均额定电压Var和短路电流周期分量Is(3)所构成的三相功率。即短路容量常用来选择和校验电气设备的开断能力（如断路器）。,矿井高压电网短路计算,欧姆法：根据电源电压和回路阻抗按欧姆定律计算。主要任务：求出短路稳态电流、冲击电流、冲击电流有效值、短路容量。对无限大容量高压电网的短路计算，一般假设：1）忽略短路点的过渡电阻，按金属性短路计算；2）发生短路时电源电压保持不变；3）短路前电网参数三相对称；4)忽略短路回路中各元件的电阻。,矿井高压电网短路计算,为简化计算，计算公式中的电源电压通常采用各级线路始末两端额定电压的平均值，其数据如表2-21所示。（Var1.05*VN）标准电压VN(kV)0.1270.220.380.66平均电压Var(kV)0.1330.230.40.69标准电压VN(kV)1.1461035平均电压Var(kV)1.26.310.537,矿井高压电网短路计算,稳态三相短路电流:短路电流冲击值为：冲击电流有效值：两相短路电流:短路容量：,短路计算的基本步骤,绘制计算电路图，选定短路计算点1）绘出计算电路图。将各元件的额定参数标识出，并将各元件依次编号。2）选定并标出短路计算点。短路计算点要选择使需进行短路校验的电气设备有最大可能的短路电流通过。,短路计算的基本步骤,2.绘制计算用的等效电路图按照所选择的短路计算点，用电抗符号表示电路中的各电气设备。在等效电路图上，只将被计算的短路电流所经过的元件绘出，并标明编号和电抗值，其中分数的分子标编号，分母标计算出的元件电抗值。根据等效电路就可以计算短路回路的总电抗和各短路参数。,等效电路图,短路计算的基本步骤,3.元件电抗的计算1）系统电抗若已知电源母线上的短路容量Ss，则系统电抗：2)电力线路电抗XwXw=x0Lx0导线或电缆单位长度的电抗；6kV及以上高压架空线x0=0.4/km；610kV电缆线x0=0.08/km,短路计算的基本步骤,3）电力变压器的电抗由变压器的短路电压百分数（短路电压与额定电压之比，即阻抗电压）uk%来近似计算。由于式中ZT变压器等效电抗，；ST变压器额定容量，MV.A；UN.T变压器额定电压，kV；IN.T变压器额定电流，kA。,短路计算的基本步骤,大容量变压器RTXT，故变压器电抗XTZT，可得Uar短路点所在线路的平均电压，kV。,短路计算的基本步骤,4)电抗器的电抗XL式中：-电抗器的电抗百分值；-电抗器的额定电压，V；-电抗器的额定电流，A。,短路计算的基本步骤,4)元件电抗的折算假如回路中含有变压器，回路各元件的电抗都应统一折算到短路点所在线路的平均电压上去。折算前后元件的功率损耗不变，由无功功率损耗公式Q=U2/X可知，元件的电抗是与电压的平方成正比。折算公式：,短路计算的基本步骤,只有电力线路的电抗有时需要折算。系统电抗和电力变压器电抗，由于它们的计算公式中均含有Uar2，在实际计算时只需代入短路点所在线路的平均电压。4.按串、并联法计算各短路点短路回路总电抗，并代入公式计算各短路参数。,例2-1某供电系统接线图如图所示，各元件参数如图所示，求在S1、S2点发生三相短路时的各短路参数.,解：1.求S1点的短路参数1）绘制等效计算图如图所示。,2）元件电抗的计算系统电抗架空线电抗3）k1点短路回路总电抗,S1点的短路参数,Ish.1,2.求k2点的短路参数1)绘制等效计算图如图所示。2)元件电抗的计算系统折算电抗架空线折算电抗变压器电抗电缆线电抗,3)k2点短路回路总电流=0.0662+0.116+0.8682+0.08=1.13044)k2点的回路参数,井下低压电网短路计算,井下低压电网的短路计算与高压电网的短路计算的不同点：1.元件电阻不能忽略。煤矿井下供电电网为电缆线路，其电阻比电抗大。所以在计算井下电网的短路电流时，必须考虑电阻。（1）据电缆截面查有关电工手册得出其单位长度电阻r0，再乘以电缆的长度即得电缆电阻。R=r0.L（2）电缆电阻也可以按下式计算：式中：l-线路长度，m；A导线截面积，mm2；,电缆电导率表（按最高工作温度计算）,（2）井下低压电缆的平均电抗（3）考虑电弧电阻（4）井下变压器阻抗的计算。井下变压器因容量小，故每相绕组的电阻也大于电抗，故不能利用计算其阻抗的公式来计算电抗。其完整的公式如下：,（5）需计算的短路参数与短路点。井下低压电网采用中性点不直接接地的运行方式，短路故障只有三相短路和两相短路两种类型。在短路回路电压与每相阻抗相同的情况下，三相短路电流大于两相短路电流。由于线路始端的三相短路电流值最大，末端的两相短路电流值最小，故短路计算点通常选择在各段电缆线路的始、末端。距离很近的放射式馈出线始端可只选一个短路计算点。井下低压电网需计算的短路参数只有Is(3)和Is(2)两个。其中，最大三相短路电流主要用来校验设备即电缆的分断能力及热稳定性；最小两相短路电流主要用来校验保护装置的灵敏度。,井下低压电网短路电流可以用解析法或表格法求出1.解析法计算三相短路电流的公式为计算同一短路点两相短路电流的公式为式中短路回路的每相阻抗短路回路每相总电阻短路回路每相总电抗。,例2-2某井下低压供电系