第二章---矿山供电系统故障分析

主讲：董海波,2,第二章矿山供电系统故障分析,本章重点：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（含单相接地电流）计算和短路电流计算。分析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。,3,第一节漏电电流及其危害,泄漏电流：正常情况下除用电负荷工作电流以外的电流。漏电电流：发生漏电故障流入大地的电流。漏电故障：电网对地绝缘阻抗下降，泄漏电流增加到危及人身和电气设备安全的故障形式。包括单相接地、两相及三相对地绝缘下降、人身触电等。,4,第一节漏电电流及其危害,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，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）。,5,第一节漏电电流及其危害,漏电电流的危险：(1)引起人身触电伤亡。(2)引起瓦斯和煤尘爆炸。(3)不及时切除可能引起短路，烧损电气设备。(4)引起电气雷管的无准备引爆。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。,6,电流对人体的影响,7,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：平均值为1.1mA，女性约为0.7mA。2、反应电流：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：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，女性6mA。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。,8,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。取人体电阻为l000为计算参考值。人身触电伤害视频1、视频2生活中发生触电怎么办？看视频3的启示,9,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。防止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。,10,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。,11,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。,12,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,13,变压器中性点绝缘的供电系统,忽略电网对地电容,14,变压器中性点绝缘的供电系统,考虑电网对地分布电容,15,16,变压器中性点采用电感接地,全补偿,17,变压器中性点采用电感接地,18,电网单相接地故障,不考虑电网分布电容，取Rr=1考虑电网分布电容，取Rr=1全补偿，取Rr=1,19,分析结论,1、变压器中性点直接接地方式比中性点不接地和电感接地方式的人身触电电流或单相接地故障电流要大得多（增大触电危险及引起瓦斯、煤尘爆炸的可能）。因此，煤矿安全规程规定：“严禁井下配电变压器中性点直接接地”。2、人身触电电流中主要是电容电流分量，提高电网的绝缘水平对减小人身触电电流影响不大。,20,分析结论,3、当电网供电距离比较长，供电容量比较大，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。4、电感接地方式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，煤矿安全规程规定：“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。”,21,第三节单相漏电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，必须清楚发生单相漏电故障时，电网中零序电流是如何分布的。本节讨论单相漏电故障时，电网中零序电流的分布。,22,对称分量法简介,对称分量法相量图,23,对称分量法简介,不对称电网,24,对称分量法在单相漏电故障分析中的应用,单相漏电故障电网,25,故障点的边界条件为：,26,对称分量法在单相漏电故障分析中的应用,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,27,对称分量法在单相漏电故障分析中的应用,根据线性电路的叠加原理分解为正序、负序和零序回路。（P62.图2-12-d.e.f）,28,负序回路,29,零序回路,30,对称分量法在单相漏电故障分析中的应用,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,31,1、变压器中性点不接地或经电感接地的电网单相漏电故障时，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漏电故障电流没有影响，因此，只要单纯地分析零序电路就可准确地分析单相漏电故障电路。,分析结论：,32,2、零序相量是3个大小相等方向相同的分量，依据结论1，下图可描述变压器中性点不接地或经电感接地的电网中单相漏电故障电路。图中，ZN为变压器中性点接地元件，r是每相对地绝缘电阻，C是每相对地分布电容；U0是不对称故障点的等效电势源，是由单相漏电故障产生的。,分析结论,33,分析结论,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,34,单相漏电故障时电网中零序电流的分布,总结：单纯零序电路可准确描述和分析单相漏电故障电路，零序电压U0是不对称故障点的等效电势源，利用该等效电势源可清楚描述复杂电网中单相漏电故障时的零序电流分布情况。,35,变压器中性点不接地电网,36,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,37,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。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。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。,38,变压器中性点经电感接地电网,39,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,40,变压器中性点经电感接地电网,1、所有非故障线路的零序电流的大小仍然与该线路的每相对地零序阻抗成反比，方向为由母线流向馈出线。2、故障线路的零序电流的大小和方向与所有非故障线路的每相对地零序阻抗大小有关，还与中性点接地电感的补偿度有关。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。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。,41,第四节短路的原因、危害和物理过程,计算短路电流的目的：选择、校验电气设备：计算三相最大短路电流，对设备进行动稳定性和热稳定性校验。选择、整定、校验继电保护装置：用最小短路电流计算保护的灵敏度。选择限流装置：通过合理选择电抗器以保护线路不会发生过流破坏。选择供电系统的运行方式。,42,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，如相与相间短接、相与地间短接等。短路原因1.电气设备、元件的损坏:设备绝缘自然老化、操作过电压、大气过电压、机械损伤2.自然原因：鸟兽跨接裸导体3.人为事故误操作：带负荷拉、合隔离开关，检修后忘拆除地线合闸煤矿三相电网中，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，其它为不对称短路。,43,爬上电线杆盗割线缆不慎引发短路被烧焦,44,煤矿电网的短路故障形式：,45,短路故障的其他形式,46,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。,47,短路的原因、种类及危害,短路产生的危害：（1）对供电系统及电气设备造成危害。短路电流比正常电流一般大几十至几百倍，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。,48,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。,49,50,巴黎埃菲尔铁塔因电线短路起火,巴黎埃菲尔铁塔因电线短路起火,短路短片1,短路短片2,短路短片3,51,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，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。,52,三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。,53,三相短路电流暂态过程分析,短路前电路中的电压和电流为其中,54,三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。,55,三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，短路电流表达式为,56,三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，,57,三相短路电流波形图,58,三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U的初相角有关。,59,三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。,60,有关短路计算的物理量,1.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。,61,有关短路计算的物理量,2.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。冲击系数Ksh：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。对高压供电系统，可取Ksh=1.8，ish=2.55Ipe对低压供电电网，可取Ksh=1.3；ish=1.84Ipe,62,有关短路计算的物理量,3.短路电流的最大有效值：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Ish。常用于校验电气设备的电动力稳定性。当Ksh=1.8（高压电网）时，Ish=1.51Ipe当Ksh=1.3（低压电网）时，Ish=1.09Ipe,63,有关短路计算的物理量,4.短路容量Sk：表示短路处的平均额定电压Uav和短路电流周期分量Ik(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）。,64,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。,65,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2-4所示。（Uav1.05*UN）,66,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：,67,短路计算的基本步骤,1.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。,68,69,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，其中横线上标编号，横线下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。,70,等效电路图,71,短路计算的基本步骤,3.元件电抗的计算1）系统电抗（等效电源电抗）若已知电源母线上的短路容量Sk或断路器断流容量Sbr，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,72,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。,73,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Uav短路点所在线路的平均电压，kV。,74,短路计算的基本步骤,4）电抗器的电抗XL式中：xL%电抗器的电抗百分值；UN.L电抗器的额定电压，kV；IN.L电抗器的额定电流，kA。,75,短路计算的基本步骤,5）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：,76,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Uav2，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。注意：高压电网短路计算中，上述公式中各参数的单位：S：MVA；Uav：kV；I：kA；线路长度L：km,77,例2-1某供电系统接线及各元件参数如图所示，求在k1、k2点发生三相短路时的各短路参数.,78,解：1.求k1点的短路参数1）绘制等效计算图如图所示。短路点的平均电压为Uav1=37kV,79,2）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,80,S1点的短路参数,81,2.求k2点的短路参数1)绘制等效计算图。短路点Uav2=6.3kV2)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,82,3)k2点短路回路总电流4)k2点的回路参数,83,井下低压电网短路计算,井下低压电网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；,84,电缆电导率表（按最高工作温度计算）,85,（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：,86,（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，短路故障只有三相短路和两相短路。在短路回路电压与每相阻抗相同时，三相短路电流大于两相短路电流。线路始端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。井下低压电网需计算的短路参数只有Ik(3)和Ik(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。,87,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总阻抗短路回路每相总电阻短路回路每相总电抗。,88,例2-2某井下低压供电系统如图所示。其中WL1为6kV铜芯铠装电缆，线路额定电压为660V，线路参数如图注。试计算S点的最小两相短路电流。,WL1:YJV22-335-1800WL2:YJV22-3120-15WL3:MYP-370-600WL4:MCP-335-250,T:KSGB-315,6/0.69kV,uk%=4.5%,pNT=2200W,89,（1）绘等效计算图。,90,(2)各元件阻抗计算系统折算电抗电缆折算电抗,91,变压器阻抗,92,电缆WL2阻抗电缆WL3阻抗电缆W