煤矿电气安全 王崇林

1、煤矿电气安全与保护煤矿电气安全与保护 中中 国国 矿矿 业业 大大 学学 电气安全与智能电器研究所电气安全与智能电器研究所 二二OO九年十一月九年十一月 2 主要内容主要内容 煤矿供电系统煤矿供电系统 中性点运行方式中性点运行方式 选择性漏电保护选择性漏电保护 3 一、煤矿供电系统及特点一、煤矿供电系统及特点 二、煤矿电网运行中存在的问题二、煤矿电网运行中存在的问题 三、煤矿电网的研究方向三、煤矿电网的研究方向 煤矿供电系统煤矿供电系统 4 一、煤矿高压供电系统一、煤矿高压供电系统 1矿井对供电的要求矿井对供电的要求 煤矿企业为电能的重要用户。由于煤矿生产的特殊性，煤矿企业为电能的重要用户。由

2、于煤矿生产的特殊性， 在供电上要求更为严格。其主要要求如下：在供电上要求更为严格。其主要要求如下： 1）供电可靠）供电可靠 2）供电安全）供电安全 3）保证充足的供电量）保证充足的供电量 4）技术经济合理）技术经济合理 5 2矿井电压等级矿井电压等级 电压等级电压等级用途用途 交交 流流 电电 36V36V 127V127V 220V220V 380V380V 660V660V 1140V1140V 3 3、6 6、10kV10kV 3535、60kV60kV 110110、220220、330kV330kV以以 上上 矿用低压隔爆磁力起动器的控矿用低压隔爆磁力起动器的控 制回路及信号回路制回

3、路及信号回路 井下照明、信号、煤电钻井下照明、信号、煤电钻 地面照明、低压动力地面照明、低压动力 地面或井下低压动力地面或井下低压动力 井下低压动力井下低压动力 采区大型采煤机组等采区大型采煤机组等 大型机械的电动机或输电大型机械的电动机或输电 高压输电高压输电 超高压输电超高压输电 直直 流流 电电 110110、220220、440V440V 250250、550V550V 4040、8080、110110、120V120V 2.52.5、4V4V 一般动力一般动力 架线式电机车架线式电机车 蓄电池电机车蓄电池电机车 矿灯矿灯 6 3 3 矿井供电系统的结构矿井供电系统的结构 v矿井供电方

4、式的决定因素矿井供电方式的决定因素 v矿区范围矿区范围 v采用机械化方式采用机械化方式 v矿层结构矿层结构 v采煤方法采煤方法 v矿层埋藏深浅矿层埋藏深浅 v井下涌水量大小井下涌水量大小 v典型供电方式：典型供电方式：深井、浅井、平硐深井、浅井、平硐三种三种 7 电力网电力网 深井供电深井供电 8 中央变电所中央变电所 9 4 4 矿井变电所及工作面配电点矿井变电所及工作面配电点 v地面变电所地面变电所 v井下中央变电所井下中央变电所 v采区变电所采区变电所 v工作面配电点工作面配电点 10 某矿地面供电系统（部分） 11 某矿井下供电系统（部分） 12 v供电可靠性要求高供电可靠性要求高 井

5、下人员井下人员 瓦斯瓦斯 涌水涌水 生产生产 损失惨重，教训深刻损失惨重，教训深刻 v同一电压等级的供电级数多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、移动变电站地面变电所、井下中央变电所、采区变电所、移动变电站 v负荷集中负荷集中 大功率设备多大功率设备多 大功率设备多且相对集中，负荷变化对供电系统影响大大功率设备多且相对集中，负荷变化对供电系统影响大 v运行环境恶劣运行环境恶劣 事故频繁事故频繁 环境潮湿，粉尘多，移动型设备多，挤压碰撞多环境潮湿，粉尘多，移动型设备多，挤压碰撞多 v电缆供电为主电缆供电为主 高压电缆一般有几十公里，单相接地电流大，易拉起电弧，高压电

6、缆一般有几十公里，单相接地电流大，易拉起电弧， 不易自恢复不易自恢复 v新型电力电子设备逐渐增多新型电力电子设备逐渐增多 谐波含量超标谐波含量超标 自然功率因数低自然功率因数低 v供电设备技术水平参差不齐供电设备技术水平参差不齐 设备多且难以统一，配合复杂，管理维护困难设备多且难以统一，配合复杂，管理维护困难 5 矿矿 井井 供供 电电 的的 特特 点点 13 二、煤矿电网可能存在的问题二、煤矿电网可能存在的问题 v设计生产能力小，经过多次扩容改造，使得设计生产能力小，经过多次扩容改造，使得 电网结构复杂；电网结构复杂； v对供电系统缺乏整体性的规划，使得运行管对供电系统缺乏整体性的规划，使得

7、运行管 理混乱；理混乱； v保护的越级和无选择性跳闸；保护的越级和无选择性跳闸； v单相接地电容电流的治理；单相接地电容电流的治理； v电能质量的改善；电能质量的改善； v其它安全隐患。其它安全隐患。 14 三 煤矿电网的研究方向煤矿电网的研究方向 v 供电系统优化设计供电系统优化设计 v 供电设备安全可靠性供电设备安全可靠性 v 保护整定的规范问题保护整定的规范问题 v 无功优化补偿问题无功优化补偿问题 v 选择性漏电保护问题选择性漏电保护问题 v 电容电流治理电容电流治理 v 电能质量问题电能质量问题 v 防爆问题防爆问题 v 15 煤矿高压电网的中性点运行方式煤矿高压电网的中性点运行方式

8、 及选择性漏电保护及选择性漏电保护 中性点运行方式中性点运行方式 单相接地的危害单相接地的危害 电容电流的治理电容电流的治理 选择性漏电保护选择性漏电保护 16 一一 电网中性点运行方式电网中性点运行方式 v中性点的运行方式指的是中性点与大地之中性点的运行方式指的是中性点与大地之 间的连接关系。间的连接关系。 v中性点运行方式的选择主要取决于单相接中性点运行方式的选择主要取决于单相接 地时电气设备的绝缘要求及供电可靠性。地时电气设备的绝缘要求及供电可靠性。 v中性点运行方式的不同，直接影响到安全中性点运行方式的不同，直接影响到安全 和经济问题，需要进行综合比较分析。和经济问题，需要进行综合比较

9、分析。 17 1 中性点运行方式的种类 大接地电流系统大接地电流系统 1）直接接地，又称为有效接地）直接接地，又称为有效接地 2）经低阻接地）经低阻接地 小接地电流系统小接地电流系统 1）不接地，又称为中性点绝缘）不接地，又称为中性点绝缘 2）经消弧线圈接地）经消弧线圈接地 3）经高阻接地）经高阻接地 18 中性点运行方式的种类中性点运行方式的种类 19 关于煤矿电网中性点运行方式的规定关于煤矿电网中性点运行方式的规定 煤矿安全规程煤矿安全规程第第443条规定：条规定： 严禁严禁井下配电变压器中性点直接接地。井下配电变压器中性点直接接地。严严 禁禁由地面中性点直接接地的变压器或发电机直由地面中

10、性点直接接地的变压器或发电机直 接向井下供电。接向井下供电。 我国、苏联、西德等国井下采用中性点不我国、苏联、西德等国井下采用中性点不 接地系统；其它国家，如英国采用中性点经高接地系统；其它国家，如英国采用中性点经高 电阻接地的系统或其它类型的接地系统。电阻接地的系统或其它类型的接地系统。 我国煤矿地面变电所一般采用我国煤矿地面变电所一般采用中性点不接中性点不接 地系统地系统或或中性点经消弧线圈接地的系统中性点经消弧线圈接地的系统。 20 2 中性点不接地方式中性点不接地方式 v主要特点主要特点：单相接地电流小：单相接地电流小 v适用范围适用范围：3-10kV电网。因为在这类电网中，电网。因为

11、在这类电网中， 发生单相接地故障的比例很大。采用中性点发生单相接地故障的比例很大。采用中性点 不接地方式可以减少单相接地电流，从而减不接地方式可以减少单相接地电流，从而减 轻其危害。轻其危害。 v分分 析析：单相接地电流，单相接地时的各相：单相接地电流，单相接地时的各相 对地电压对地电压 21 中性点不接地方式-正常运行 1.三相对称，没有电三相对称，没有电 流在地中流过。流在地中流过。 2.中性点对地电位为中性点对地电位为0 3.各相对地电压等于各相对地电压等于 相电压。相电压。 4.其中其中C为电网对地电为电网对地电 容（高压电网忽略容（高压电网忽略 电网对地绝缘电阻电网对地绝缘电阻R）

12、22 中性点不接地方式单相接地 当发生金属性接地时，接地当发生金属性接地时，接地 故障相对地电压为零。故障相对地电压为零。 中性点对地的电压上升到相中性点对地的电压上升到相 电压，且与接地相的电源电电压，且与接地相的电源电 压相位相反。压相位相反。 非故障相对地电压由相电压非故障相对地电压由相电压 升高为线电压。升高为线电压。 三相的线电压仍保持对称且三相的线电压仍保持对称且 大小不变，对电力用户接于大小不变，对电力用户接于 线电压的设备的工作并无影线电压的设备的工作并无影 响，无须立即中断对用户供响，无须立即中断对用户供 电。电。 单相接地电流，等于正常运单相接地电流，等于正常运 行时一相对

13、地电容电流的三行时一相对地电容电流的三 倍，为容性电流。倍，为容性电流。 23 中性点不接地方式-单相接地电流 电网模型：假设电网三相对称，忽略电网对地绝缘电网模型：假设电网三相对称，忽略电网对地绝缘 电阻，只考虑电网对地电容。电阻，只考虑电网对地电容。 电网正常时：三相电压对称，三相经对地电容流入电网正常时：三相电压对称，三相经对地电容流入 大地的电流相量和为零大地的电流相量和为零，即没有电流在地中流动。即没有电流在地中流动。 各相对地电压等于相电压。各相对地电压等于相电压。 发生单相接地时，接地相对地电压为零，而非故障发生单相接地时，接地相对地电压为零，而非故障 相对地电压变为线电压。因而

14、容易造成两相短路。相对地电压变为线电压。因而容易造成两相短路。 单相接地电流单相接地电流 CBCACBCACE UCjCUjCUjIII 3)()( . CUI E 3 24 单相接地故障对电网的影响 n 单相接地时，由于线电压保持不变，使负荷电流不单相接地时，由于线电压保持不变，使负荷电流不 变，电力用户能继续工作，提高了供电可靠性。变，电力用户能继续工作，提高了供电可靠性。 n 由于接地点的电弧或者由此产生的过电压可能引起由于接地点的电弧或者由此产生的过电压可能引起 故障扩大，发展成为多相接地故障。故障扩大，发展成为多相接地故障。 n 非故障相电压升高到线电压，所以在这种系统中，非故障相电

15、压升高到线电压，所以在这种系统中， 电气设备和线路的对地绝缘应按能承受线电压考虑电气设备和线路的对地绝缘应按能承受线电压考虑 设计，从而相应地增加了投资。设计，从而相应地增加了投资。 n 在中性点不接地系统中，应装设交流绝缘监察装置，在中性点不接地系统中，应装设交流绝缘监察装置， 当发生单相接地故障时，立即发出信号。规程规定：当发生单相接地故障时，立即发出信号。规程规定： 系统发生单相接地时，继续运行的时间不得超过系统发生单相接地时，继续运行的时间不得超过2h， 并要加强监视。并要加强监视。 25 v由于煤矿井下巷道狭窄，空气潮湿，电气设备和电由于煤矿井下巷道狭窄，空气潮湿，电气设备和电 缆的

16、绝缘容易受潮，电缆也可能遭受脱落的岩石和缆的绝缘容易受潮，电缆也可能遭受脱落的岩石和 煤块砸坏，甚至被移动的机器设备等挤压。从而造煤块砸坏，甚至被移动的机器设备等挤压。从而造 成漏电和接地事故。据有关的统计资料记载，在此成漏电和接地事故。据有关的统计资料记载，在此 情况下，情况下，80%以上的电气短路故障都属于单相漏电以上的电气短路故障都属于单相漏电 和接地事故。和接地事故。 v单相漏电和接地故障，有可能带来巨大的危害，如单相漏电和接地故障，有可能带来巨大的危害，如 引起人身触电，瓦斯煤尘爆炸和电气雷管先期爆发引起人身触电，瓦斯煤尘爆炸和电气雷管先期爆发 事故，对通讯、控制线路产生电磁干扰。此

17、外，单事故，对通讯、控制线路产生电磁干扰。此外，单 相间歇性电弧接地还有可能产生过电压。线路对地相间歇性电弧接地还有可能产生过电压。线路对地 电容与电感元件之间也有可能引起铁磁谐振过电压，电容与电感元件之间也有可能引起铁磁谐振过电压， 使那些绝缘薄弱环节相继击穿。同时，单相接地电使那些绝缘薄弱环节相继击穿。同时，单相接地电 弧又可能进一步烧坏相间绝缘。所有这些都有可能弧又可能进一步烧坏相间绝缘。所有这些都有可能 造成相间短路，引起电缆放炮或电气设备烧毁等严造成相间短路，引起电缆放炮或电气设备烧毁等严 重事故。重事故。 单相接地对煤矿的危害单相接地对煤矿的危害 26 适用范围 v单相接地电流与电

18、网电压和电网对地电容有关。单相接地电流与电网电压和电网对地电容有关。 v对于短距离、电压较低的输电线路，因对地电容小，对于短距离、电压较低的输电线路，因对地电容小， 接地电流小，瞬时性故障往往能自动消除，故对电网接地电流小，瞬时性故障往往能自动消除，故对电网 的危害小，对通讯线路的干扰小。对于高压、长距离的危害小，对通讯线路的干扰小。对于高压、长距离 输电线路，单相接地电流一般较大，在接地处容易发输电线路，单相接地电流一般较大，在接地处容易发 生电弧周期性的熄灭与重燃，出现间歇电弧，引起电生电弧周期性的熄灭与重燃，出现间歇电弧，引起电 网产生高频振荡，形成过电压，可能击穿设备绝缘，网产生高频振

19、荡，形成过电压，可能击穿设备绝缘， 造成短路故障。为了避免发生间歇电弧，要求造成短路故障。为了避免发生间歇电弧，要求6-10kV 电网单相接地电流小于电网单相接地电流小于20A。 v因此，中性点不接地方式电缆供电距离比较长的煤矿因此，中性点不接地方式电缆供电距离比较长的煤矿 不适宜。不适宜。 27 v煤矿安全规程煤矿安全规程第第457条规定：条规定： 矿井高压电网，必须采取措施限制单相接矿井高压电网，必须采取措施限制单相接 地电容电流不超过地电容电流不超过20A。 地面变电所和井下中央变电所的高压馈电地面变电所和井下中央变电所的高压馈电 线上，必须装设有选择性的单相接地保护装线上，必须装设有选

20、择性的单相接地保护装 置；供移动变电站的高压馈电线上，必须装置；供移动变电站的高压馈电线上，必须装 设有选择性的动作于跳闸的单相接地保护装设有选择性的动作于跳闸的单相接地保护装 置。置。 28 v中性点不接地的高压电网，接地电流主要成中性点不接地的高压电网，接地电流主要成 分为电容电流，而矿井电网供电主要采用电分为电容电流，而矿井电网供电主要采用电 缆线路，其对地电容大，造成单相接地电流缆线路，其对地电容大，造成单相接地电流 大。大。 v单相接地电流过大可能引起电气火灾和电雷单相接地电流过大可能引起电气火灾和电雷 管超前引爆等事故；管超前引爆等事故； v规程规定接地网上任一保护接地点的接地电规

21、程规定接地网上任一保护接地点的接地电 阻值不得超过阻值不得超过2欧姆，为保证在发生单相接欧姆，为保证在发生单相接 地故障时产生的接地电压不超过安全电压系地故障时产生的接地电压不超过安全电压系 列的最高值列的最高值42V，则单相接地电流应限制在，则单相接地电流应限制在 21A以下，故规程规定高压电网的单相接地以下，故规程规定高压电网的单相接地 电容电流不超过电容电流不超过20A； 29 电网对地电容电流的测量电网对地电容电流的测量 v直接接地测量很危险，对电网有冲击和损坏。直接接地测量很危险，对电网有冲击和损坏。 v经电容接地测量也较危险，电容需要最后放经电容接地测量也较危险，电容需要最后放 电

22、。测量方法：停电后在某一相并入电容并电。测量方法：停电后在某一相并入电容并 接地，送电后测量电容电压接地，送电后测量电容电压U2，已知电网相已知电网相 电压电压U1和并联电容和并联电容C1，电网电容电网电容C=C1*(U1- U2)/U2 。 v经电阻接地比较安全，测量也很准确。方法经电阻接地比较安全，测量也很准确。方法 是首先使一出线停电，然后将某一相经电阻是首先使一出线停电，然后将某一相经电阻 接地，最后送电。测量电网中性点对地电压接地，最后送电。测量电网中性点对地电压 和流过电阻的电流，根据公式算出电网对地和流过电阻的电流，根据公式算出电网对地 电容电流。电容电流。 30 3 单相接地电

23、容电流的治理单相接地电容电流的治理 限制单相接地电容电流的方法主要有：限制单相接地电容电流的方法主要有： 改变系统运行方式改变系统运行方式 缩小系统规模缩小系统规模 改变中性点接地方式改变中性点接地方式 采用接地分流装置采用接地分流装置 31 改变系统运行方式：改变系统运行方式：该方法一般将系统运行方式该方法一般将系统运行方式 由并列运行改为分列运行，相当于将由并列运行改为分列运行，相当于将6kV大系统分为大系统分为 2个或多个小系统，一般适用于电网规模不大，且从个或多个小系统，一般适用于电网规模不大，且从 经济上考虑具备分列运行条件的系统。经济上考虑具备分列运行条件的系统。 缩小系统规模：缩

24、小系统规模：该方法采用该方法采用6kV隔离变压器，隔离变压器， 将将6kV大系统从根本上分隔为多个接地小系统，该大系统从根本上分隔为多个接地小系统，该 方法因为采用方法因为采用6kV隔离变压器，造价较高，损耗加隔离变压器，造价较高，损耗加 大，且系统的运行方式不灵活，同时会造成系统构大，且系统的运行方式不灵活，同时会造成系统构 造复杂化。造复杂化。 治理方法综述 32 采用接地分流装置：采用接地分流装置：接地分流装置从严格接地分流装置从严格 意义上讲并非一种完善的治理方案，它的主要意义上讲并非一种完善的治理方案，它的主要 作用仅是在发生单相电弧接地时，利用并联分作用仅是在发生单相电弧接地时，利

25、用并联分 流原理，将不可控的接地点变为实接地点，使流原理，将不可控的接地点变为实接地点，使 故障接地点的电弧熄灭，但系统单相接地电容故障接地点的电弧熄灭，但系统单相接地电容 电流值并未减小；分流装置对系统发生金属性电流值并未减小；分流装置对系统发生金属性 接地不起作用，对电容电流危害的治理仅起到接地不起作用，对电容电流危害的治理仅起到 部分作用；因此该方法不符合部分作用；因此该方法不符合煤矿安全规程煤矿安全规程 要求，同时该方法安全性较差，不建议采用要求，同时该方法安全性较差，不建议采用 。 治理方法综述 33 治理方法综述 不符合不符合煤炭安全规程煤炭安全规程的要求；的要求； 接地点的电流很

26、难控制在治理接地点的电流很难控制在治理 要求达到的残流要求达到的残流5A以下以下 ； 选线困难；选线困难； 对抑制间歇性电弧接地过电压效果差对抑制间歇性电弧接地过电压效果差 会使非故障相电压无论在发生何种会使非故障相电压无论在发生何种 接地故障时都上升为线电压，对电接地故障时都上升为线电压，对电 缆绝缘构成威胁缆绝缘构成威胁 ； 接地分流装置鉴相错误时，容易造接地分流装置鉴相错误时，容易造 成事故扩大成事故扩大 。 34 治理方法综述 改变中性点接地方式：改变中性点接地方式：即将中性点不接即将中性点不接 地系统改造为中性点经消弧线圈接地系统，地系统改造为中性点经消弧线圈接地系统， 利用消弧线圈

27、产生的电感电流抵消系统的单利用消弧线圈产生的电感电流抵消系统的单 相接地电容电流，从根本上使接地故障点的相接地电容电流，从根本上使接地故障点的 接地电流减小。随着技术的发展，目前自动接地电流减小。随着技术的发展，目前自动 跟踪补偿消弧线圈技术已经成熟，将中性点跟踪补偿消弧线圈技术已经成熟，将中性点 接地方式由中性点不接地改造为中性点经消接地方式由中性点不接地改造为中性点经消 弧线圈接地是治理电容电流超标的最有效解弧线圈接地是治理电容电流超标的最有效解 决方法。决方法。 35 4 中性点经消弧线圈接地中性点经消弧线圈接地 v原理：单相接地电流主要是电容电流。如果能够在原理：单相接地电流主要是电容

28、电流。如果能够在 发生单相接地时部分或全部抵消掉电容电流，则单发生单相接地时部分或全部抵消掉电容电流，则单 相接地电流将大减小。方法就是在中性点处加入消相接地电流将大减小。方法就是在中性点处加入消 弧线圈。弧线圈。 v消弧线圈的工作原理：消弧线圈是一个具有铁芯的消弧线圈的工作原理：消弧线圈是一个具有铁芯的 可调电感线圈，线圈的电阻很小（消耗功率小），可调电感线圈，线圈的电阻很小（消耗功率小）， 电抗很大（保证对地绝缘水平），电抗值可用改变电抗很大（保证对地绝缘水平），电抗值可用改变 线圈的匝数来调节。线圈的匝数来调节。 v发生单相接地故障时，通过消弧线圈使接地处流过发生单相接地故障时，通过消弧

29、线圈使接地处流过 一个与容性接地电流相反的感性电流，从而减小、一个与容性接地电流相反的感性电流，从而减小、 甚至抵消接地电流，消除接地电弧引发的问题，提甚至抵消接地电流，消除接地电弧引发的问题，提 高供电可靠性。高供电可靠性。 36 中性点经消弧线圈接地情况中性点经消弧线圈接地情况 37 中性点经消弧线圈接地时电流向量图中性点经消弧线圈接地时电流向量图 v电容接地电流电容接地电流 v消弧线圈流过的电流消弧线圈流过的电流 v完全补偿的条件完全补偿的条件 v即有：即有： c U BCAC II . CBCACBCACE CUjUUCjIII3)()( . L U j jX U I C L C L

30、0 LE II 2 3 1 C L L I 38 消弧线圈的补偿方式消弧线圈的补偿方式 v完全补偿完全补偿 v消弧线圈提供的电感电流等于接地电容电流，接地处电流为消弧线圈提供的电感电流等于接地电容电流，接地处电流为0。 v易满足谐振条件，形成串联谐振，产生过电压。易满足谐振条件，形成串联谐振，产生过电压。 v欠补偿欠补偿 v电感电流小于接地电容电流，单相接地时接地电流为容性。电感电流小于接地电容电流，单相接地时接地电流为容性。 v因线路停电或系统频率降低等原因使接地电流减少，可能出因线路停电或系统频率降低等原因使接地电流减少，可能出 现完全补偿。故一般也不采用。现完全补偿。故一般也不采用。 v

31、过补偿过补偿 v电感电流大于接地电流，单相接地电流为感性。电感电流大于接地电流，单相接地电流为感性。 v过补偿方式在电网中得到广泛使用。但过补偿程度要合适过补偿方式在电网中得到广泛使用。但过补偿程度要合适. v自动跟踪补偿自动跟踪补偿 v 单片机或微机控制单片机或微机控制 39 中性点经消弧线圈接地系统的适用范围中性点经消弧线圈接地系统的适用范围 中性点经消弧线圈接地系统与不接地系统中性点经消弧线圈接地系统与不接地系统 同样有着在发生单相接地故障时，可继续供同样有着在发生单相接地故障时，可继续供 电电2小时，提高供电可靠性小时，提高供电可靠性. 电气设备和线路的对地绝缘应按线电压考电气设备和线

32、路的对地绝缘应按线电压考 虑虑. 中性点经消弧线圈接地后，能有效地减少中性点经消弧线圈接地后，能有效地减少 单相接地故障时接地处的电流，迅速熄灭接单相接地故障时接地处的电流，迅速熄灭接 地处电弧，防止间歇性电弧接地时所产生的地处电弧，防止间歇性电弧接地时所产生的 过电压，故广泛应用在不适合采用中性点不过电压，故广泛应用在不适合采用中性点不 接地的接地的3-35kV系统系统。 40 自动跟踪补偿的消弧线圈可以实时自动跟踪补偿的消弧线圈可以实时 跟踪电网系统单相接地电容电流变化情跟踪电网系统单相接地电容电流变化情 况，调节出不同的感性电流进行补偿，况，调节出不同的感性电流进行补偿， 高压电网单相接

33、地电流主要是电容电流，高压电网单相接地电流主要是电容电流， 因此可使故障点的单相接地电流减小到因此可使故障点的单相接地电流减小到 最小。最小。 自动跟踪补偿消弧线圈原理自动跟踪补偿消弧线圈原理 41 单相接地电流的计算：单相接地电流的计算： ) 1 3 3 ( 0 Lj Cj r E Z E I A A E ) 11 3 3 ( 0 L A A E RLj Cj r E Z E I 42 中性点经消弧线圈接地系统发生单相接地故障时如上页图中性点经消弧线圈接地系统发生单相接地故障时如上页图 所示所示(A相接地相接地)，图中，图中L为消弧线圈电感，为消弧线圈电感，r1、r2、r3分别表示分别表示

34、各相对地的分布绝缘电阻，各相对地的分布绝缘电阻，C1、C2、C3分别表示各相对地的分别表示各相对地的 分布电容；仍设分布电容；仍设r1r2r3r，C1C2C3C，由前面的分，由前面的分 析可知电网的单相接地电流为：析可知电网的单相接地电流为： LCrAE III Lj Cj r EI ) 1 3 3 ( 从上式中可以看出：当电网中性点经消弧线圈接地后，单相从上式中可以看出：当电网中性点经消弧线圈接地后，单相 接地电流将大大降低，特别是当接地电流将大大降低，特别是当IL=IC时，单相接地电流时，单相接地电流IC仅为很仅为很 小的有功电流小的有功电流Ir。可以看出，消弧线圈仅在电网发生接地故障时起

35、。可以看出，消弧线圈仅在电网发生接地故障时起 作用。因当电网中无接地故障正常运行时，电网中性点对地电位作用。因当电网中无接地故障正常运行时，电网中性点对地电位 接近于零，消弧线圈中自然就不会有电感电流接近于零，消弧线圈中自然就不会有电感电流IL流过。故此时与中流过。故此时与中 性点不接地系统的正常运行情况相似。性点不接地系统的正常运行情况相似。 43 为了讨论问题的方便，引入使用消弧线圈时的为了讨论问题的方便，引入使用消弧线圈时的 两个参数：两个参数： （a）消弧线圈补偿状态的脱谐度）消弧线圈补偿状态的脱谐度，定义为，定义为 LCC LC I II C LC 2 3 1 1 3 /13 rCI

36、 I d C r 1 （b）电网的阻尼率）电网的阻尼率d，定义为电网的单相接地，定义为电网的单相接地 电流有功分量与单相接地电容电流之比，即：电流有功分量与单相接地电容电流之比，即： 可见，在忽略消弧线圈电阻影响的情况下，补可见，在忽略消弧线圈电阻影响的情况下，补 偿电网的阻尼率与中性点不接地系统一样。偿电网的阻尼率与中性点不接地系统一样。 44 v根据前面分析，可知：根据前面分析，可知： v(1)当当0，称消弧线圈处于全补偿状态，此时，称消弧线圈处于全补偿状态，此时Ic=IL；IE最最 小，全部为电阻性电流。小，全部为电阻性电流。 v(2)当当 0，称消弧线圈处于欠补偿状态，此时，称消弧线圈

37、处于欠补偿状态，此时IcIL； IE以以 电容性为主。电容性为主。 v(3)当当 0，称消弧线圈处于过补偿状态，此时，称消弧线圈处于过补偿状态，此时IcIL； IE为为 感性电流。感性电流。 中性点经消弧线圈接地系统的接地电流、电压相量图中性点经消弧线圈接地系统的接地电流、电压相量图 (a)全补偿；全补偿；(b)欠补偿；欠补偿；(c)过补偿；过补偿； 45 自动跟踪补偿消弧线圈分类自动跟踪补偿消弧线圈分类 按调节原理：按调节原理： 预调式：预调式：是指电网无接地故障情况下，消弧线圈预先是指电网无接地故障情况下，消弧线圈预先 自动调谐到合理补偿位置。一般需加装阻尼电阻，以自动调谐到合理补偿位置。

38、一般需加装阻尼电阻，以 保证中性点位移电压不大于额定相电压的保证中性点位移电压不大于额定相电压的15。 随调式：随调式：是指电网无接地故障情况下，消弧线圈处于是指电网无接地故障情况下，消弧线圈处于 欠补偿状态，在电网发生单相接地故障时，消弧线圈欠补偿状态，在电网发生单相接地故障时，消弧线圈 自动调谐到合理补偿位置。不需阻尼电阻，但接地瞬自动调谐到合理补偿位置。不需阻尼电阻，但接地瞬 间无法达到全补偿。间无法达到全补偿。 按调节方法：按调节方法： 有档调节：有档调节：调节精度低，残流大，一般有调匝式、调调节精度低，残流大，一般有调匝式、调 容式。容式。 无级调节：无级调节：调节精度高，残流小，一

39、般有调感式、偏调节精度高，残流小，一般有调感式、偏 磁式。磁式。 46 常用的自动跟踪补偿消弧线圈形式：常用的自动跟踪补偿消弧线圈形式： v调匝式调匝式 v调气隙式（动铁式）调气隙式（动铁式） v偏磁式（直流助磁式）偏磁式（直流助磁式） v磁阀式磁阀式 v调容式调容式 v调感式调感式 47 1、问题的提出、问题的提出 v煤矿安全规程煤矿安全规程第第457条规定：条规定： 地面变电所和井下中央变电所的高压地面变电所和井下中央变电所的高压 馈电线上，必须装设馈电线上，必须装设有选择性的单相接地保有选择性的单相接地保 护装置护装置；供移动变电站的高压馈电线上，必；供移动变电站的高压馈电线上，必 须装

40、设须装设有选择性的动作于跳闸的单相接地保有选择性的动作于跳闸的单相接地保 护装置护装置。 井下低压馈电线必须装设检漏保护装置井下低压馈电线必须装设检漏保护装置 或有选择性的漏电保护装置，保证自动切断或有选择性的漏电保护装置，保证自动切断 漏电的馈电线路。漏电的馈电线路。 二二 选择性漏电保护选择性漏电保护 48 2、单相接地分析、单相接地分析 首先分析一下电网发生单相接地（包括直接接地和经一首先分析一下电网发生单相接地（包括直接接地和经一 过渡电阻接地）故障时，电网零序电压及零序电流的分布情过渡电阻接地）故障时，电网零序电压及零序电流的分布情 况。况。 49 v中性点不接地电网发生单相经电阻接

41、地等效电路如上页图所中性点不接地电网发生单相经电阻接地等效电路如上页图所 示，由于示，由于A相对地经电阻相对地经电阻RE接地（接地（ RE=0为直接接地），破坏为直接接地），破坏 了原电网对地阻抗的对称性，使电源的中性点对地电压不再了原电网对地阻抗的对称性，使电源的中性点对地电压不再 为零，假设中性点对地电压为为零，假设中性点对地电压为UN，并忽略线路的阻抗，则电，并忽略线路的阻抗，则电 网每相对地电压为：网每相对地电压为： v通过每相对地电容通过每相对地电容C和接地电阻和接地电阻RE的电流之和为零，即：的电流之和为零，即： v根据对称分量法的原理，实际上根据对称分量法的原理，实际上UN就是零

42、序电压就是零序电压U0 ，则：，则： NCC NBB NAA UUU UUU UUU 0 )( 3)( E NA N E A CBA R UU UCj R U UUUCj E A CRj U U 31 0 50 由于只有零序电流可以流入大地，和接地故由于只有零序电流可以流入大地，和接地故 障点构成回路，总的零序电流之和就等于流过接地障点构成回路，总的零序电流之和就等于流过接地 电阻的电流电阻的电流IE，方向相反。上页图是将电网所有支，方向相反。上页图是将电网所有支 路的对地电容用集中的电容表示，而我们更关心的路的对地电容用集中的电容表示，而我们更关心的 是每条支路零序电流及其方向，下图为电网发

43、生单是每条支路零序电流及其方向，下图为电网发生单 相接地故障时的零序等效电路。相接地故障时的零序等效电路。 51 单相接地故障时的零序等效网络及其相量图单相接地故障时的零序等效网络及其相量图 a)零序等效网络零序等效网络 b)相量图相量图 52 从图中可以看出，流过故障支路零序从图中可以看出，流过故障支路零序 电流互感器（电流互感器（LH1）的零序电流是所有非）的零序电流是所有非 故障支路零序电流之和，方向是由支路指故障支路零序电流之和，方向是由支路指 向母线，流过非故障支路零序电流互感器向母线，流过非故障支路零序电流互感器 （LH2、LH3）的零序电流就是本支路的）的零序电流就是本支路的 零

44、序电流，方向是由母线指向支路。零序电流，方向是由母线指向支路。 53 目前目前610kV电网的接地保护多采用零电网的接地保护多采用零 序电流、零序无功功率方向等的保护原理。序电流、零序无功功率方向等的保护原理。 其中零序电流原理是基于故障线路零序其中零序电流原理是基于故障线路零序 电流大于非故障线路零序电流的特点，区分电流大于非故障线路零序电流的特点，区分 出故障和非故障元件，从而构成接地保护。出故障和非故障元件，从而构成接地保护。 零序无功功率方向原理是利用故障线路零序无功功率方向原理是利用故障线路 零序电流（线路流向母线）滞后零序电压零序电流（线路流向母线）滞后零序电压90 、 非故障线路

45、零序电流（母线流向线路）超前非故障线路零序电流（母线流向线路）超前 零序电压零序电压90 的特点来实现。由于这一原理的特点来实现。由于这一原理 对零序电流的大小要求降低，使之在实际电对零序电流的大小要求降低，使之在实际电 网中得到广泛应用，但其对零序电流互感器网中得到广泛应用，但其对零序电流互感器 的角特性要求较高。的角特性要求较高。 0 0 54 v对中性点不接地电网的，显然，通过零序电流的大小和方向对中性点不接地电网的，显然，通过零序电流的大小和方向 是很容易区分故障支路和非故障支路的，即流过故障支路零是很容易区分故障支路和非故障支路的，即流过故障支路零 序电流互感器的零序电流大于流过非故

46、障支路零序电流互感序电流互感器的零序电流大于流过非故障支路零序电流互感 器的零序电流，方向正好相反。器的零序电流，方向正好相反。 v中性点经消弧线圈接地的电网发生单相接地故障，就相当于中性点经消弧线圈接地的电网发生单相接地故障，就相当于 流过流过故障支路故障支路零序电流互感器的零序电流中增加了一电感性零序电流互感器的零序电流中增加了一电感性 电流，方向由支路指向母线，其矢量关系（过补偿）如下图电流，方向由支路指向母线，其矢量关系（过补偿）如下图 所示。所示。 55 从矢量图可看出，由于消弧线圈电感电流的从矢量图可看出，由于消弧线圈电感电流的 加入，使流过故障支路零序电流互感器的电流性加入，使流

47、过故障支路零序电流互感器的电流性 质变得不确定。即此时流过故障支路零序电流互质变得不确定。即此时流过故障支路零序电流互 感器的电流由原来的电容性电流变成：电感性电感器的电流由原来的电容性电流变成：电感性电 流（过补偿）或者电容性电流但幅值减小（欠补流（过补偿）或者电容性电流但幅值减小（欠补 偿）或者电阻性电流（即非故障支路对地绝缘电偿）或者电阻性电流（即非故障支路对地绝缘电 阻电流之和，全补偿）。阻电流之和，全补偿）。 显然，用前面的零序电流原理、零序电流功显然，用前面的零序电流原理、零序电流功 率方向原理来区别故障支路与非故障支路是不行率方向原理来区别故障支路与非故障支路是不行 的，给接地保

48、护带来困难。的，给接地保护带来困难。 56 3、其他类型的接地保护原理、其他类型的接地保护原理 （1）首半波保护原理）首半波保护原理 解决中性点经消弧线圈接地电网的接地保护问题，可解决中性点经消弧线圈接地电网的接地保护问题，可 利用接地故障发生瞬间的利用接地故障发生瞬间的暂态电流暂态电流来实现接地保护，即首半来实现接地保护，即首半 波原理。该原理是基于接地故障发生在相电压接近最大值瞬波原理。该原理是基于接地故障发生在相电压接近最大值瞬 间这一间这一假设假设而提出的。当相电压接近最大值时，若发生接地而提出的。当相电压接近最大值时，若发生接地 故障，则故障相电容通过故障线路向故障点放电，故障线路故

49、障，则故障相电容通过故障线路向故障点放电，故障线路 电感和分布电容使电流具有衰减振荡性。对于中性点经消弧电感和分布电容使电流具有衰减振荡性。对于中性点经消弧 线圈接地系统，由于暂态电感电流的最大值应出现在接地故线圈接地系统，由于暂态电感电流的最大值应出现在接地故 障发生在相电压经过零值的瞬间，而接地故障发生在相电压障发生在相电压经过零值的瞬间，而接地故障发生在相电压 接近最大值瞬间时，消弧线圈中的暂态电感电流接近于零，接近最大值瞬间时，消弧线圈中的暂态电感电流接近于零， 其过渡过程与中性点不接地系统的近似相同，故可利用故障其过渡过程与中性点不接地系统的近似相同，故可利用故障 线路中故障后暂态零

50、序电流第一个周期的首半波与非故障线线路中故障后暂态零序电流第一个周期的首半波与非故障线 路相反的特点实现选择性保护。路相反的特点实现选择性保护。 57 从上述此原理的工作特点可知，根据首半波从上述此原理的工作特点可知，根据首半波 保护原理工作的接地选线装置，显然不能反映相保护原理工作的接地选线装置，显然不能反映相 电压较低电压较低(非峰值非峰值)时的接地故障，且受接地故障时的接地故障，且受接地故障 点过渡电阻影响较大，同时也存在工作死区。加点过渡电阻影响较大，同时也存在工作死区。加 上不同的电网结构，时间常数各不相同，接地暂上不同的电网结构，时间常数各不相同，接地暂 态过程的振荡频率等特性也必

51、然不同，从而使首态过程的振荡频率等特性也必然不同，从而使首 半波的时间宽度各不相同。因此，利用此原理构半波的时间宽度各不相同。因此，利用此原理构 成的保护装置，其适用范围受到限制。此类装置成的保护装置，其适用范围受到限制。此类装置 的现场运行也证明，其选择性能较差，目前已经的现场运行也证明，其选择性能较差，目前已经 很少使用。很少使用。 58 （2）谐波电流方向保护原理）谐波电流方向保护原理 解决中性点经消弧线圈接地电网的接地保护问解决中性点经消弧线圈接地电网的接地保护问 题，另一种方法是采用高次谐波零序电流方向的保题，另一种方法是采用高次谐波零序电流方向的保 护原理。因为电网电源电压中不仅有基波，而且存护原理。因为电网电源电压中不仅有基波