煤礦井下用電安全及保護

煤礦井下用電安全及保護

河南理工大學電氣學院

易曉鄭

13017507669

YXZ1114@hpu.edu.cn

一、煤礦供電係統簡介

二、礦用電氣設備

三、漏電與觸電分析

四、井下變壓器中性點禁止接地的分析

五、漏電保護裝置

六、接地與接零保護

一、礦山供電係統簡介

（一）對礦山供電係統的要求:

可靠性：保證不間斷供電；

安全性：不發生觸電、引爆瓦斯煤塵等事故；

優質性：電壓、頻率穩定，諧波含量不超過允許值

經濟性：在保證前三項的前提下力求低成本。

（二）電力負荷及對供電的要求

1、什麼是電力負荷？

電力負荷是指設備或線路中正常運行時消耗的功率與損耗的功率之和。是供電係統規化、設計、設備選型以及發電、輸電、變電布局的主要依據。

2、電力負荷的分級

根據對供電可靠性要求的不同，也就是根據停電造成的損失或影響程度，礦山將電力負荷可分成以下三級：

一級負荷：當中斷供電後，將造成人身傷亡者，或在政治、經濟上造成重大損失者，為一級負荷。

二級負荷：當中斷供電後，將在政治、經濟上造成較大損失者，為二級負荷。

三級負荷：除一、二級負荷外，均為三級負荷。

3、對電力負荷的供電要求

一級負荷：雙電源雙回路

由於一級負荷屬重要負荷，中斷供電後會造成十分嚴重的後果，因此要求應有兩個獨立電源供電，任何一個電源發生故障，不會影響另一個電源的供電。

二級負荷：雙回路或專用線。

三級負荷：無要求。

（三）礦山供電係統的結線方式

1、供電係統的結線方式:

放射式:(單源單放、單源雙回、雙源雙回)

幹線式:(直聯、貫穿)

環狀式:

2 、變電所常用的結線方式:

母線式:(單母不分段、單母分段、雙母)

橋式:(內橋、外僑、全橋)

線路-變壓器組式:

（四）煤礦典型供電係統分析(深井為例）

A 、典型煤礦地麵供電係統（圖1）

B、 典型煤礦井下供電係統（圖2）

圖1

圖2

（五）對電源與供電係統的規定: （煤礦安全規程09年版）

① 雙回路供電，不得分接負荷， 不得共杆架設，不準裝負荷定量器。

② 兩路電源線若一用一備則必須帶電備用。

③ 井下供電嚴禁中性點接地。

④ 高壓電網單相接地電流應＜20A。

⑤ 高壓下井電纜嚴禁裝設自動重合閘。

⑥ 井上下必須裝設防雷電裝置。

⑦電氣操作實行工作票製度, 包括工作票的內容、簽發與執行.

⑧高壓停、送電製度,要遵守：停電→驗電→放電→裝設接地線→設置遮欄警示等程序，嚴禁帶電作業。

任何供電係統都除技術和功能上滿足要求外，還要確保其使用和運行的安全，這裏的安全指的是①人身安全；②設備安全；③煤礦井下由於電氣事故引起的瓦斯爆炸。所有我們學習的重點是井下電氣上的防爆原理和三大保護(漏電保護、保護接地、過流保護)。

二、礦用電氣設備:

(一)礦用電氣設備的要求:

1、井下巷道硐室和采掘工作麵的空間狹窄。要 求電氣設備體積小、重量輕。

2、由於頂板壓力及放炮的影響，電氣設備及電纜易受損傷，要求電氣設備有堅固的外殼、內部之件有較強的抗震能力。

3、井下空氣潮濕，有滴水，電氣設備易受潮，要求電氣設備防潮性能和絕緣水平要高。

4、井下有瓦斯、煤塵，在一定條件下可以點燃和爆炸，要求電氣設備具有防爆性能。

5、井下電氣設備啟動頻繁，負荷變化較大，容易過載。要求電氣設備有較強的過負荷能力和起動力矩。

(二)電氣設備的防爆原理:

1、隔爆性和耐爆性：

隔爆性：外殼內爆炸後，高溫和火焰通過接合麵噴出 時，受到足夠的冷卻（防爆麵）。

耐爆性：外殼內爆炸後，外殼不至於破壞（外殼的機械強度）。

2、隔爆麵的三要素：間隙、寬度、光潔度 (見下圖)

(三)常見礦用防爆電氣設備:(六種)

增安型：采用適當措施，工作時不產生電弧、火花、高溫的部件，ExeⅠ

隔爆型：外殼具有耐爆性和隔爆性能，ExdⅠ

充油型：將可能產生火花、電弧、高溫的部件浸在油中，ExoⅠ

本質安全型：工作時所產生的電火花和熱均不能點燃瓦斯和煤塵，ExibⅠ

正壓型：利用新鮮空氣、惰性氣體，在外殼內保持一定的正壓，ExpⅠ

特殊型：除以上外，均屬這一種（國家確認）ExsⅠ

防爆電氣設備（Ex—防爆總標誌）

(四)防爆電氣設備的選擇與管理:

1、類型選擇:

戶用、戶外型；普通型、礦用一般型、隔爆型；總開關、分開關等。

2、管理製度:

執行驗證采購製度，要求“兩證一標齊全”，

安全標誌準用證（MA），生產許可證，產品合格證。

3、按技術參數選擇:

① 額定電壓應等於接入電網的額定電壓；

② 額定電流應大於其長時最大工作電流；

③ 按最大三相短路電流校驗其動、熱穩定。

三、 漏電與觸電分析

（一）漏電：

1、什麼是漏電：廣義上講，漏電是一種電網對地發生電能泄漏的現象，特征是電網對大地的絕緣阻抗降低，流入大地的電流增大，該現象稱為漏電。(該電流為漏電電流)

2、分類：

集中性漏電:（某一處或某一點）機械、某點老化、處界；

分散性漏電：（老化）（整條線路或整個電網）；

3、漏點電流回路：如圖3所示

圖3

4、漏電的危害：

①人身觸電（外殼帶電）

②引起爆炸（煤塵、沼氣）

③電雷管無準備引爆

④燒損電氣設備（發熱）

⑤引起短路（更大的事故）

⑥影響產生（停電處理）

（二）觸電：

1、什麼是觸電：人身接觸帶電體或接近高壓帶電體時，使人身成為電流通路的一部分，叫做觸電。觸電是前麵講過的漏電的一種特殊情況，隻是過渡電阻變成了人身電阻。

觸電對人體組織的破壞大體可分為兩種：電擊和電傷。

電擊：是指觸電後電流通過人體，使人體主要器官（如心髒）受到損傷，有生命危險，這是最危險的觸電。

電傷：是指電弧或強電流瞬時通過人體某一局部，造成人體外表器官的破壞（燒傷），一般不至於有生命危險。

2、影響觸電危害程度的有關因素：

①通過人身的電流大小：根據實驗得， 交流在15－20mA以下，直流在50mA以下，一般對人體傷害較輕，如果長期通過工頻交流30－50mA就有生命危險，超過50mA對人的生命是絕對有危險的。

②觸電時間：根據實驗測定的數據，觸電時間在0.2s以下和0.2s以上，電流對人體的危害程度是有較大差別的。如0.2s以下 ，400mA能使心髒損傷，0.2s以上，25mA能使心髒損傷。

③電流性質：直流和交流對人體的危害程度是不同的，而以50－100Hz的交流電流對人體的危害最為嚴重。

④電流路徑：主要取決於心髒受損的程度，電流從手到腳特別是通過心髒對人最為危險。

⑤體重和健康狀況：健康和有病不同，情緒好和不好不同，胖和搜 。

⑥人身電阻：主要是人體表麵皮膚層和體內的電阻，它隨人的皮膚狀況（損傷、潮濕）、觸電時間、觸電電壓高低等因素而變動，當皮膚完整幹燥時，人身電阻可達10－100千歐觸電時相對安全；當皮膚潮濕或有損傷，人身電阻降低到1000歐左右，觸電時相對危險（以後人身電阻取最小值1000歐）。

⑦觸電電壓：作用於人身的電壓越高，則通過人體的電流越大，也就越危險。

3、安全電流、安全電壓及安全值：

①安全電流：也就是人體觸電後不會使人致死、致傷的最大電流，稱為安全電流。根據上述的因素分析，觸電危險性取決於通過人體的電流與作用時間的乘積。通過對動物的實驗，我國提出發生心室顫動的電流50mA與時間乘積的安全值為50mA·S，取1.67倍安全係數，規定為30mA、美國為10 mA、英國為50mA等。

②安全電壓：安全電流和人身電阻的乘積，稱為安全電壓。經常接觸的電氣設備，在沒有高度危險的條件下，采用65v電壓，有高度危險的條件，采用36v，在特別危險的條件下，采用12v。

③安全值：安全電流與觸電時間的乘積，稱安全值。我國為30 mA·S。

4、井下預防觸電主要辦法：

由於礦井的情況特殊，觸電的可能性較大。因此，必須采取有效措施，防止觸電事故發生。我國從實踐中總結出來預防觸電的方法主要有以下三點：

①變壓器中性點禁止接地（後麵分析）

②井下電氣設備采用保護接地（後麵分析）

③井下電網采用漏電保護裝置（後麵分析）

四、 井下供電的變壓器中性點禁止接地的分析:

（一）中性點接地方式分類及要求:

前麵在介紹漏電和觸電時，常提到中性點接地或不接地的問題，因此，這裏對中性點問題進行分析。

1、分類：一般分為以下四類：

①不接地方式：又稱中性點絕緣係統

②直接接地方式：中性點直接與接地裝置連接

③阻抗接地方式：中性點經過不同數值的電阻與接地裝置連接，電阻在數十歐姆時，為低阻接地（100 Ω以下）；電阻在數百歐姆時，為高阻接地方式（100 Ω以上）

④消弧線圈接地方式：中性點經電抗線圈與接地裝置連接。

後兩種是為了減小接地點的電流，使電弧的能量減弱。

2、要求：

在供電係統中，什麼情況（條件）下采用何種接地方式呢？我國有以下要求：

* 3－63kv係統，采用中性點不接地方式；

* 110kv及以上和220∕380v的低壓係統，采用中性點直接接地方式；

* 3-10KV電網當接地電容電流大於30A或20KV以上電網當接地電容電流大於10A時，采用中性點經阻抗或消弧線圈接地方式。

(二)中性點接地方式分析:

1 、中性點接地係統：

如圖4所示，這時人體承受電網相電壓，通過人體

的電流可根據歐姆定律求出：

當取Rma=1000Ώ，線電壓為660V時，通過人體的電

流為：

可見，無論是線電壓是660v供電係統，當中性點接地時，通過人體的電流都遠遠超過30mA，所以是絕對危險的。

圖4

2、中性點不接地係統：

如圖5所示，

根據基爾霍夫第一定律得：

a、當電容忽略時，Rma=1000 Ώ，r=35000 Ώ，Ux=660V，

可見是安全的。

b、當電容不忽略時，Rma=1000 Ώ，r=35000 Ώ，Ux=660V，C=0.5μf

可見當電容不忽略時，同樣不安全，但比中性點接地係統通過人體的電流要小的多，故相對安全。

3、結論：

①中性點絕緣比中點接地的人身觸電電流要小得多，比較安全。

②入地電流很小，從而使引燃瓦斯、煤塵的可能性大大減少。

③不影響線電壓（可運行2個小時）。

以上三大優點就是井下變壓器禁止中性點接地的原因。

然而，也存在一些缺點：

A、當電網一相接地時，往往不易發覺，易燒電動機（並不影響三相設備的短時運行）；

B、如果沒有漏電指示，一相接地可能長期存在，再此情況下，如人站在地上又觸及另一相帶電導體，人身跨接電網線電壓，這時通過人身的觸電電流較中性點接地的供電係統還要大0.73倍(660mA)，這是非常危險的。

C、其他兩相電壓將升高√3倍，容易使絕緣差的地方被擊穿。

為克服以上缺點，井下電網必須裝設漏電保護裝置。

五、漏電保護裝置:

（一）對漏電保護裝置的要求：

1、保護全麵：是指保護範圍應覆蓋整個供電單元，沒有死角，什麼類型的漏電，保護都應動作。另外，有條件的話，無論電氣設備處在什麼狀態，都應起到保護作用（漏電閉鎖）。

2、安全性：從人員觸電的角度考慮，要滿足30mA·S的要求，動作要速度快（不光跳閘，還要能減小人身觸電電流的作用時間）。

3、可靠性：一是自身的可靠性（元件質量、製造工藝），二是保護性能的可靠性（該動就動、不該動就不動），不能誤動和拒動。

4、靈敏性：是指保護裝置對故障的反應能力，要求最輕的漏電，保護也能可靠動作（使用整定值的調節，不受電網電壓波動的影響）。

5、選擇性：要求隻切除故障線路而不切除非故障線路，目的是為了停電範圍盡可能減小。

（二）漏電保護原理:

漏電保護有很多方法來實現。目前用的最多的有以下三種：附加直流電源檢測方式、三相半波整流式、零序參數式等。

1、附加直流電源檢測方式：

①保護原理：

如圖6所示 。電網如果發生漏電，就意味著電網對地絕緣電阻的下降。怎樣檢測這個電阻呢？可以設想在三相電網中加上一個獨立的直流電源，作用於電網三相和大地之間，這樣在電網的絕緣電阻上將有一直流電流流過，該電流的大小變化直接反映了電網對地絕緣電阻的變化，有效地檢測和利用這一電流，就構成附加電源直流檢測式地漏電保護。

圖6

②電容電流補償： （如圖6所示）

前麵是以Im＝30mA為前提得到的，那麼怎樣使Im＜30mA呢？

由於電網對地電容越大（長度），人身觸電電流越大。因此，隻有把電容的影響基本消除，前麵的整定值才能合理（前麵忽略的內容）。為了解決這個問題，在電網與大地之間加上一個感性元件，用它產生的電感電流與電容產生的電容電流相抵消（因相位相反），就能解決這個問題。

③優、缺點（附加電流直流檢測方式）：

優點：a保護全麵 b觸電電流小 c整定簡單 d可靠性高

缺點：a無選擇性 b屬靜態補償 c動作時間長＞50ms d無漏電閉鎖

2、三相半波整流式：

這種漏電保護原理很簡單，這裏隻作簡單的介紹。如圖7所示，U1～U3接於三相電網構成三相半波整流，其負載電阻就隻有Rlo+ r∑,由於Rlo的電阻很小，所以回路的直流同樣取決於r∑的大小，這表明這種方法的原理與前麵講的直流檢測式是完全一樣的，隻是無直流附加電源。但動作值受電網電壓波動的影響較大，對整流管的反向電壓要求較高，故隻用在電壓低的地方,如127v煤電鑽綜合保護中。

圖7

3、選擇性漏電保護裝置（零序參數式）：

如圖8所示

六、接地與接零:

前麵我們分析可知，電網對地如果有分布電容存在，人體觸電的觸電電流遠大於30mA（154mA）,而電容補償也是有限的，為了人身的安全，采用保護接地可進一步減小人體觸電電流，將其限製在安全值以內。

(一) 分類:

在供電係統中，各種電氣設備的接地按照其作用的不同可以分為：工作接地、保護接地、保護接零三大類。工作接地是指變壓器或互感器等根據工作的需要而采用的繞組或中性點接地；保護接地是指三相三線製的電網，將設備正常時不帶電的金屬外殼與接地裝置相連接。保護接零是指三相四線製電網，將設備外殼好與零線相連接。它們是防止人身觸電的重要措施。《安全規程》第431條規定：36V以上由於絕緣損壞可能帶有危險電壓的電氣設備金屬外殼和構架，都必須設保護接地。

(二)接地有關參數:

1 、對地電壓Vtg:

如下圖9所示.

2、接地電阻Rgr:

井上<4Ω（工作、保護、防雷）、

井下<2Ω（任何一點）。

3、接觸電壓Vco

接觸電壓是指人體觸電部分與站立點之間的電位差Vco。由圖可見Vco= Vtg – Vsp ,可見離接地極越遠觸電電壓越高，這就是接地極不能設在離設備太遠的道理。

4 、跨步電壓Vss

跨步電壓是指在入地電流的流動範圍內，人兩腳間的電位差。由圖可見Vss=V1-V2,離接地極越近跨步電壓越高。

圖9

(三)接地保護原理:(如圖10所示)

1.無保護接地時：電流經人體入地，再經其他兩項的絕緣阻抗回到電源，這裏的關鍵是電流全部流經人體。

2.有保護接地時：電流將通過人體電阻和接地電阻所組成的並聯支路入地，再經過其他的兩相絕緣阻抗回到電源。這就很大程度的減小了通過人身的電流。

3、不足：①沒有斷電功能。②電網發生單相直接接地時，無分流作用。③人接觸單相電網，無分流作用。所以漏電保護和保護接地二者缺一不可。

圖10

（四）保護接零：

如圖11所示,保護接零主要用於中性點直接接地的供電係統中，一般為低壓三相四線製係統，由中性點引出的線叫零線，也就是第四根線。

將電氣設備外殼與零線連接後，當設備發生單相碰殼故障時，便形成單相短路，而保護裝置很快動作，切斷電源，縮短故障存在的時間，減少觸電的機率，這就是保護接零。

圖11

保護接零分析:

1. 無保護接零時（如圖11所示） ，如果發生單相碰殼而人又觸及該設備外殼，則觸電電流經人體電阻（1000Ω）、大地、工作接地極電阻（5Ω）構成回路，由於人體電阻遠大於工作接地極電阻，故接觸電壓近似等於相電壓，對人是非常危險的。

2.有保護接零時，情況就不一樣了。它為電流回路提供了一條更為順利的路徑，外殼→零線→電源中性點。實際上此漏電故障被變成了單相短路故障，過流保護會很快動作，切斷電源。又因為零線短接了人體電阻和接地電阻，使接觸電壓大大減小，對人相對安全。其作用如下：①變漏電為單相短路；②降低人觸電的機率。

3.有保護接零和保護接地共存,以免零線斷開,形成無保護狀態.

當發生零線斷開時,保護接零就轉變成了保護接地,避免了無保護狀態的發生.

4.總零線上不許加裝任何開關和熔斷器,以免人為斷開零線 , 造成某一相用電設備的損壞.

一、煤礦供電係統簡介

二、礦用電氣設備

三、漏電與觸電分析

四、井下變壓器中性點禁止接地的分析

五、漏電保護裝置

六、接地與接零保護

謝謝大家