煤礦電氣安全技術
大同大學煤炭工程學院 郭 剛
煤礦井下電氣安全技術
第一章 礦井供電概述
一、煤礦企業對供電的要求
安全、可靠、經濟、技術合理。
二、煤礦企業負荷分類
一類負荷：凡因突然停電可能造成人員傷亡和重大經濟損失的負荷。如：主通風機、主提升機、主排水泵等。對供電的要求：必須采用雙回路供電。
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二類負荷：凡因突然停電可能造成較大經濟損失的負荷。如：綜采工作麵設備、綜掘工作麵設備、壓風機等。對供電的要求：一般采用單回路供電。
三類負荷：不屬於一類、二類負荷的所有負荷。對供電的要求：沒有特殊要求。
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一、深井供電係統圖1-1
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二、淺井供電係統 圖1-2
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礦井供電係統由電力係統的區域變電站、礦井地麵變電站、井下中央變電所、采區變電所、工作麵配電點組成。
一、井下中央變電所
井下中央變電所是井下供電中心，擔負整個井下受電、配電、變電的重要任務。
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1、井下中央變電所位置確定
應盡量靠近負荷中心，並根據通風良好、交通方便、進出線易於敷設、頂底板條件及保安煤柱的位置等因素，綜合加以考慮。
一般設在靠近副井的井底車場範圍內。
井下主變電所的位置示意圖。
1－副井井筒；2－主井井筒；
3－井下主（配）變電所；4－主水泵房；
5－井底車場巷道
2、井下中央變電所的結線方式
3、井下中央變電所的硐室及設備布置
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1、采區變電所位置確定
2、采區變電所的結線方式
3、采區變電所的硐室及設備布置
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1、移動變電站 的設置
2、工作麵配電點位置及設備布置
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一、煤礦地麵供電模式
變壓器中性點接地的三相四線製。
用於地麵三相不對稱負載的供電係統。
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二、煤礦井下供電模式
變壓器中性點和地絕緣的三相三線製。
用於井下三相對稱負載的供電係統。
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第二章 礦井供電係統的四大保護
一 、漏電保護
1、漏電：礦井電纜對地泄漏電流大於等於30mA時即是漏電故障。
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（2）引起瓦斯和煤塵爆炸
煤礦井下空氣中瓦斯濃度或煤塵在空氣中懸浮的濃度達到爆炸濃度時，而漏電電流產生的火源能量達到0.28mJ或700~800℃時，即發生瓦斯或煤塵爆炸。瓦斯爆炸往往伴隨著煤塵爆炸，帶來毀滅性的災難。
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（3）使電雷管提前引爆
漏電電流在通過的路經上會產生電位差，漏電電流越大，所產生的電位差越大。如果待引爆的電雷管兩角線不慎與漏電回路上具有一定電位差的兩點相接觸，就可能使電雷管提前引爆，造成人身傷亡事故。
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（4）引起短路事故
長期的漏電電流，使電纜及設備的絕緣進一步損壞，最後造成短路事故。
（5）燒毀電氣設備，引起火災
長期存在的漏電電流，尤其是經過渡電阻接地的漏電電流，在通過設備絕緣損壞處時，發出大量的熱，使絕緣進一步損壞，甚至使可燃性材料，如非阻燃性橡膠電纜著火燃燒。
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3、漏電的原因
1）電氣設備或電纜絕緣損壞引起漏電
2）電纜的接線安裝不當引起漏電
3）管理不完善造成電纜漏電
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4、漏電保護模式
1）附加電源直流檢測式
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表： 漏電保護動作電阻值
注：漏電閉鎖值為漏電動作值的2倍
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直流檢測電流I的通路為：L+→大地→電網對地絕緣電阻r1、r2、r3（三相並聯）→電網→三相電抗器1L→零序電抗器2L→kΩ表→直流繼電器KD線圈→L-。
QS-檢漏繼電器電源開關，QS未合閘，其接點QS1接通了饋電開關中脫扣線圈YA回路，饋電開關不能合閘。
1L-三相電抗器，將直流檢測回路和交流電網連接起來的元件。其中有一相帶有二次繞組，經整流作為直流檢測回路的電源和指示燈電源；該二次繞組帶有抽頭，以便於調整直流電源的電壓。
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2L-零序電抗器，其作用有2個，一是保證三相電抗器中性點對地的絕緣水平（自身的電抗為100kΩ），二是通過它的電感電流來補償分布電容電流。
C2-接地電容，當電網發生漏電時，提供交流通路，從而減小交流電流對直流繼電器KD回路的幹擾。
KD-直流繼電器，額定動作電流為5mA，其接點KD2比KD1先閉合，提高了繼電器動作的可靠性，防止發生間歇性漏電時，繼電器抖動，燒壞接點KD1。
kΩ-電阻表，實為直流mA表，刻度標為電阻值。
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2）零序電流式漏電保護
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電網中發生了非對稱漏電故障時，就會產生零序電壓，此時如果存在零序電流回路，則在該回路中將出現零序電流，該電流用零序電流互感器檢測出來，經過信號處理電路，使繼電器動作，切斷故障線路。
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3）零序功率方向式漏電保護
選擇性漏電保護原理
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利用零序電流或零序電壓的幅值大小來判斷供電線路是否發生了漏電；同時，利用各支路的零序電流與零序電壓的相位關係來判斷故障支路，實現有選擇性的漏電保護。
零序功率方向保護原理如圖所示。當電網中某支路發生漏電故障或人身觸電時，由傳感電路分別從電網中取出零序電壓和各支路的零序電流信號，經放大整形後，由相位比較電路來判別故障支路，最後起動執行電路，切斷故障支路電源，實現保護。
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二、過流保護
過流保護包括短路保護、過載保護、斷相保護。
（一）短路保護
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1、短路：電源經小阻抗直接形成回路即短路。
2、電路發生短路以後的現象
1）短路電流急劇增大，是正常運行電流的幾十倍或更大；
2）短路後，電源所帶的負載性質發生了變化，功率因數變大；
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3、短路的危害
1）引起供電電纜的過熱，使電纜的絕緣性能下降；
2）使供電電纜著火，引起火災，造成更大的損失；
4、短路保護
1）以電流大小為依據實施短路保護的元件或裝置：熔斷器、過流繼電器、JDB綜合保護器。
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（2）過流繼電器
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主回路發生短路時，電流繼電器KA動作，接點6斷開，饋電開關脫扣器脫扣，開關跳閘，實現短路保護。
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當運行中發生短路故障時，I≥8IN（或10IN、12IN）時，電流信號VA足夠大，不經延時環節，直接觸發由場效管VT5和VT6組成的觸發器，使6K繼電器動作，6K為磁持繼電器，不能自動複位，6K1打開了接觸器線圈控製回路，使開關跳閘。
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（三）斷相保護
1、斷相：電動機運行過程中電源線突然斷去一相，剩二相電運行。
2、缺相運行現象：電動機定子產生脈動磁場，導致電動機運行震動並產生很大的噪音。
3、缺相運行危害：電動機三相電流不平衡，導致電流增大，電動機發熱，破壞電動機絕緣結構，燒毀電動機。
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4、斷相保護
利用熱繼電器或電動機綜合保護器進行斷相保護。
三、保護接地
保護接地，就是用導體把電氣設備在正常運行不帶電、當絕緣損壞時可能帶電的外露金屬部分和埋在地下的接地極連接起來，它是防止人身觸電的一項極其重要的措施。
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2、煤礦井下保護接地係統
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保護接地係統：通常利用供電的高低壓鎧裝電纜的鉛包層和金屬鎧裝層，橡膠電纜的接地芯線或屏蔽護套，把分布在井底車場、運輸大巷、采區變電所、工作麵配電點的電氣設備，在正常運行時不帶電的金屬外殼在電氣上連接起來，再與各處埋設的局部接地極、主接地極連接起來，組成保護接地係統，亦稱總接地網。
《煤礦安全規程》 規定接地網上任一保護接地點的接地電阻不得超過2Ω。
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四、 礦井供電係統的電壓保護
（一）、欠電壓保護
1、無壓失放保護：供電係統突然停電，電壓為0時，控製電器使電動機斷電，生產機械設備停止運行；係統突然來電時，控製開關需人為啟動後，生產機械設備才可以啟動運行。
2、電源電壓低於額定電壓的75%時，電動機運行電流會超過其額定電流，電動機長時運行會過熱，導致絕緣結構破壞，燒毀電動機；故電源電壓低於額定電壓的75%時，係統需實施斷電保護，稱為欠電壓保護。
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（二）、過電壓保護
1、大氣過電壓（雷電）保護
雷電的形成：大氣中雲層電荷體和地球之間形成的強電場，導致空氣被擊穿，形成離子導電（電閃），使雲團中的電荷泄入大地，同時釋放的大量熱量使空氣急劇膨脹產生爆裂聲（雷聲）。
雷電的種類：直擊雷、感應雷、球雷。
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雷電的防護：為防止雷電對供電係統及煤礦井下造成破壞，通常采用避雷器進行防護。如避雷針、避雷線、閥型避雷器等。
2、操作過電壓保護
真空開關在斷電時產生的自感電動勢非常大，導致觸頭兩端的電場非常強，形成了很高的電壓，稱為操作過電壓。此電壓若不進行吸收，會給係統和設備造成擊穿破壞，對此的保護稱為操作過電壓保護。
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操作過電壓的吸收：阻容吸收器、壓敏電阻吸收。
阻容吸收： 壓敏電阻吸收：
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二、人身觸電安全電流秒
1. 安全電流： 30mA
2. 允許安秒值： 30mA · S
3. 安全電壓
沒有高度危險的條件下（幹燥潔淨的場所） 65V
有高度危險的條件下（潮濕的場所） 36V
在特別危險的條件下（潮濕酸性場所） 12V
三、人身觸電的預防措施
避免觸電
減少觸電危險
四、觸電的急救
1、快速脫離電源
2、正確實施救護
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第三章：掘進工作麵三專二閉鎖
《煤礦安全規程》規定：礦井中，掘進工作麵的局部通風機應采用三專（專用變壓器、專用開關、專用線路）供電，並設置風電閉鎖、瓦斯電閉鎖，確保掘進工作麵生產安全。
1.三專供電
每個掘進工作麵的局部通風機供電，直接由采區變電所采用專用變壓器、專用開關和專用電纜向局部通風機供電，以防其他電氣設備的用電幹擾，保證局部通風機的連續正常供電，從而保證局部通風機連續運轉，不停地向掘進工作麵供給需要的新鮮風流，以確保掘進工作麵和掘進巷道中良好通風條件。
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2．風-電閉鎖
風-電閉鎖，是指控製通風機的起動器與控製掘進機的起動器進行聯鎖控製，來實現先給通風機供電，然後才能給掘進機供電的方式，風機停轉時，掘進機工作麵的電源同時被切斷。
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3．瓦斯-電閉鎖
瓦斯-電閉鎖，是當掘進巷瓦斯超限時，自動切斷給掘進機供電的高壓電源。
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4．用KSGJY型綜掘專用移動變電站實現三專二閉鎖
第四章：礦用電氣設備及其防爆技術
一、礦用電氣設備符號的含義
KB : 礦用隔爆型電氣設備
KY：礦用一般型電氣設備
Ex：爆炸環境下用的電氣設備
I：礦用設備 Ex e I Ex d ib I Ex S I
d: 隔爆型 p:正壓型
o: 充油型 q : 充砂型
e: 增安型 n :無火花型
ib ： 本質安全型 S: 特殊型
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采用間隙隔爆技術
間隙隔爆技術是把正常運行或故障狀態下可能引爆瓦斯或煤塵的電氣設備置於堅固的具有隔爆結構的外殼內，當隔爆殼內部發生爆炸時，高溫火焰不會引起外部的瓦斯與煤塵爆炸，即為隔爆。用於強電係統。
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采用本質安全技術
本質安全技術的特點是限製熱源的能量，使本質安全設備在正常或事故狀態下所產生的火花均不能點燃瓦斯與煤塵。即采用本質安全電路。這種防爆技術隻適用於弱電係統。
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采用增加安全程度的措施
采用各種方法提高電氣設備的安全程度，使其故障率大大降低，從而防止電弧、火花或危險溫度的產生。這項措施主要用於正常運行時不會產生點燃作用的設備和照明燈具上。 Ex e I
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采用快速斷電技術
快速斷電技術又叫超前切斷技術，其特點是采取可靠的自動快速切斷故障電流的措施，使可能產生電火花或電弧存在的時間小於點燃瓦斯、煤塵所需要的最小時間。
瓦斯、煤塵爆炸之前都存在一個感應期，即從爆炸性混合物接觸引火源起，到轉化為快速燃燒爆炸的時間間隔，感應期的長短與爆炸物的種類、濃度和點火源的溫度等因素有關。瓦斯爆炸的感應期在10ms以上，煤塵爆炸的感應期在40~250ms。所以，隻要在發生電氣故障的5ms之內切斷供電電源，即能可靠地達到防爆的要求。
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二、礦用防爆型電氣設備的種類
1、 Ex d I ：礦用隔爆型電器設備礦用隔爆型礦用電氣設備的防爆性能靠隔爆麵的粗糙度、隔爆麵的長度、隔爆麵的間隙度來保證。
耐爆性：外殼要求能承受0.8Mpa的壓力.
隔爆性:不傳爆性，間隙/冷卻
2、Ex ib I: 礦用本質安全型電器設備
本質安全電路：在規定條件（包括正常工作和規定的故障條件）下產生的任何電火花或任何熱效應的能量小於0.28毫焦耳，均不能點燃規定的爆炸性氣體環境的電路。
本質安全型設備：電路均為本質安全電路的電氣設備稱為本質安全型設備。
Ex dib I: 礦用隔爆兼本質安全型電器設備
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三、礦用電氣設備的防護 IP54
防塵等級
號碼防護程度 定義
0 無防護 無特殊的防護
1 防止大於50mm之物體侵入 ，防止人體因不慎碰到燈具內部零件 防止直徑大於50mm之物體侵入。
2 防止大於12mm之物體侵入， 防止手指碰到燈具內部零件 。
3 防止大於2.5mm之物全侵入， 防止直徑大於2.5mm的工具，電線或物體侵入 。
4 防止大於1.0mm之物體侵入， 防止直徑大於1.0的蚊蠅、昆蟲或物體侵入。
5 防塵 無法完全防止灰塵侵入，但侵入灰塵量不會影響燈具正常運作。
6 防塵 完全防止灰塵侵入。
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防水等級
號碼 防護程度 定義
0 無防護， 無特殊的防護 。
1 防止滴水侵入， 防止垂直滴下之水滴。
2 傾斜15度時仍防止滴水侵入， 當燈具傾斜15度時，仍可防止滴水 。
3 防止噴灑的水侵入， 防止雨水、或垂直入夾角小於50度方向所噴射之水 。
4 防止飛濺的水侵入， 防止各方向飛濺而來的水侵入 。
5 防止大浪的水侵入， 防止大浪的水侵入 。
6 防止噴射的水侵入 ，防止噴水孔急速噴出的水侵入 防止大浪的水侵入。
7 防止侵水的水侵入， 燈具侵入水中在一定時間或水壓的條件下，仍可確保燈具正常運作。
8 防止沉沒的影響 ， 燈具無期限的沉沒水中在一定水壓的條件下，仍可確保燈具
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