关于煤矿供电系统和电气设备的保护研究

2018-01-30李庆明

中国设备工程 2018年14期

李庆明

（淄博矿业集团设计院有限责任公司，山东淄博 255120）

1 概述

我国目前多为井工煤矿，矿井的地下环境非常特殊，有害气体和水害是矿井安全的主要威胁，煤矿企业必须双回路电源供电。对供电系统及电气设备的要求主要体现在以下方面：供电必须可靠，提供连续不间断的电源、满载供电、过载供电；电力安全即要考虑人员安全，也要重视用电设备的安全。

煤矿井下电气设备主要包括以下两种：矿用一般型电气设备，它具有安全保护功能，不具备防爆功能，被用于煤矿地面或井底车场、井下中央变电所、总进风巷和主要进风巷；矿用防爆型电气设备，它既具有安全保护功能又具备防爆功能，主要用于采区进风巷、总回风巷、主要回风巷、采区回风巷、采掘工作面和工作面回风巷，是煤矿保证煤矿安全生产的主要电气设备。

2 煤矿电气设备和供电系统保护的主要功能

2.1 避免电气火灾事故

电源线和电气设备之间存在短路，电器设备长时间过度充电，都会造成电流载体温升，而引发火灾。井下电气设备出现电火花和电弧点燃绝缘材料、瓦斯和煤尘，引起火灾，严重时引起瓦斯、煤尘爆炸事故。如果导体接触不良并且接入电阻增加，则局部温度升高，也会导致火灾的发生。

为有效防止电气火灾，应正确选择电气设备和供电线路，加强设备的维护和检查，避免短路或过载情况。另外，设置短路保护装置和继电保护装置并确保其保护的灵敏度和可靠性，预防潜在的电气火灾发生。

2.2 避免漏电故障

煤矿井下巷道的相对湿度可达95%，在这种环境条件下，使用时间长，电气设备和供电系统往往发生漏电故障。特别是井下电力电缆沿巷道吊挂敷设时，电缆因巷道变形、岩石或煤块掉落而损坏电缆。为确保供电安全，井下供电系统须安装漏电保护装置，以实现绝缘监测、漏电保护。漏电保护装置分选择性漏电保护和非选择性漏电保护，其优缺点分析如下。

（1）选择性漏电保护。选择性漏电保护采用零序电流保护原理，零序电流互感器的零序电流信号。没有发生泄漏，三相电流的一侧是对称的，电流的相位是零，且在二次侧没有电流输出。当有泄漏时，三相电流的一侧为不对称，电流相位不为零，二次级侧有电流输出。此保护装置可以减少停电的范围，容易找到故障线路，应用广泛。

（2）非选择性漏电保护。非选择性漏电保护采用附加直流电源保护原理，外接直流电源，绝缘电阻测试回路监测直流电流的变化，从而达到监测绝缘电阻的目的。该保护装置可与低压自动馈电开关组合使用，结构简单，但其停电的影响范围大，且难以判断漏电回路。为防止漏电故障发生，煤矿供电系统采取了一系列措施，如选择正确的设备型号，增加保护装置和电气设备接地措施，供电系统的中性绝缘，安装选择性漏电漏电保护装置等。

2.3 避免发生过流

（1）过载保护。过载意味着电机或电气设备的工作电流大于电流额定值，但额定电流的倍数较小，通常小于额定电流的1.5倍。另外，动力设备过载的原因很多，如负荷突然增加、故障相操作、电压降低等。如果电气设备和供电系统处于过载状态，则温升绕组或电气设备超过允许值，引起绝缘的老化和损坏。一般来说，过载保护的动作时间与过载电流的大小直接相关，动作值应小于短路保护动作值。过载程度决定动作延迟长度，过载程度越大，延迟越短；过载越小，延迟越长。这也被称为反时限特性。加装电磁继电器、电子继电器和热继电器都可起到过载保护作用。

（2）短路保护。当电气设备、供电线路受损，电气设备或电源线路接线错误都会造成短路的现象，短路瞬间的故障电流可达十几到几十倍额定电流，会损坏电气设备、配电线路，甚至引起火灾和井下瓦斯煤尘的爆炸事故。供电设备应加装短路保护装置，保护装置的动作时间要短，设定的动作值要大，可在短时间内切断电源。

2.4 避免电气设备故障

在煤矿井下发生的瓦斯和煤尘爆炸事故中，大部分都是由于电气设备故障所引起，因此电气设备应避免出现火花故障或电弧，有瓦斯、煤尘集中的地点，电气设备必须选用矿用防爆型，防爆壳体具有足够的强度，一旦壳体内发生电气故障时，这些壳体不会变形，火焰不会溢出，且会得到足够的壳体冷却。其次，通过安全电路和设备继电保护，及时断开电源。

3 煤矿电气设备保护装置

继电保护装置是一种能够对系统异常状态或故障作出反应的自动装置，并能及时向断路器发出信号，及时切断故障电源，起到保护电气设备和预防发生煤矿事故的作用。煤矿电气设备的主要保护装置如下。

3.1 信号

为了将低信号转换为高信号，煤矿信号输入继电保护装置往往需要采用光电隔离技术来消除干扰信号。为了将低信号转换为高信号，采用了开关信号。为了有效检测物理量，低通波需具有高频信号。

3.2 测量装置

测量装置检测除了对受保护物体的各种物理量进行实时数字比较外，还会根据比较结果设置结果，并做出“是”或“否”的结果，确定是否启动保护。

3.3 执行机构

通过逻辑判断信号，完成保护装置的最终任务，实现保护装置与执行装置的连接、电平转换、隔离、返回现场设备状态等以保证继电保护装置的可靠运行。

4 煤矿供电系统保护

4.1 漏电保护

如果与电网接触时发生触电危险或因漏电导致设备损坏引起的短路事故，从而会导致瓦斯爆炸事故发生时。应安装泄漏监测装置以检测煤矿设备、供电系统的漏电和绝缘，保护装置可选用选择性漏电保护和非选择性漏电保护。

（1）非选择性漏电保护基于额外直流电原理的保护，通过增加额外的直流电源监测绝缘电阻，并监测绝缘电阻检测电路中直流电流的变化。该装置通常与自动馈电开关相结合，运行可靠，结构简单，但供电故障范围不够大，不易判断漏电电路。因此应用不广泛。（2）选择性漏电保护是基于零序电流保护原理。如果没有漏电故障，则一侧的三相电流为对称，电流矢量和电流为零，二次侧没有输出电流。如果发生漏电故障，则一侧的三相电流不对称，电流矢量和电流不等于零，二次级侧有输出电流。该装置与馈电开关一起使用。故障线路容易找到，故障影响范围小，因此得到广泛应用。

4.2 过流保护

煤矿供电系统中的过流保护主要包括短路保护和过载保护。（1）电源系统的短路保护，如果电源设备、线路的绝缘层损坏，以及接线错误等可能发生。当发生短路时，瞬态故障电流通常为几倍或甚至数十倍的额定电流，煤矿供电系统的短路保护相应时间短、动作值大，可在短时间内切断电源回路。短路保护通常用电子继电器和电磁继电器。（2）过载保护电源系统负载是指电气设备的工作电流、电机的工作电流大于其额定电流，一般不超过额定电流的1.5倍。电气设备或电机过载的原因很多。例如，负载突然增加，电网电压下降或故障相操作。当电气设备或电机长时间运转时，电气设备或绕组的温升大于允许值，导致绝缘老化。过载电流的大小影响过载保护的持续时间。过载保护的动作延迟取决于过载的程度。负载越小，延迟越长；过载越小，延迟越长。当过载发生时电流继电器动作，触点在断开时间与线圈连接并发生延迟。通过继电器触电动作，执行器开始动作。电源电路被过载信号切断。电子电路，过载保护用电磁继电器或热继电器。

5 分析改进措施

5.1 排除继电保护故障的方法

人们倾向于在井下线路上安装电抗器，而在井下，短路电流与电源方向之间的差异非常大，使得快速断开保护工作电流变得容易。在地下变电站和线路微机保护变电站的安装中，应设置三级保护，馈线还应设置三级保护。保护的时间限制和设定值应与相邻线路匹配。本文设置了地下变电站的继电保护，优化了设定动作电流，以适应继电保护的一般原理。根据煤矿井下电网的工况不同，采取相应的保护设置，满足垂直选矿的需要。复位变压器保护复位值，根据变压器低压侧故障判断电压元件的灵敏度。此外，电流保护动作的时限应符合井下线路时限要求，考虑到保护电源的可靠性和灵敏度，建议拆除复合压力锁，并更换原来的过电流，具有切断速度限制的后备保护。