關(guān)于煤礦供電系統(tǒng)和電氣設(shè)備的保護(hù)研究

李慶明

（淄博礦業(yè)集團(tuán)設(shè)計院有限責(zé)任公司，山東 淄博 255120）

1 概述

我國目前多為井工煤礦，礦井的地下環(huán)境非常特殊，有害氣體和水害是礦井安全的主要威脅，煤礦企業(yè)必須雙回路電源供電。對供電系統(tǒng)及電氣設(shè)備的要求主要體現(xiàn)在以下方面：供電必須可靠，提供連續(xù)不間斷的電源、滿載供電、過載供電；電力安全即要考慮人員安全，也要重視用電設(shè)備的安全。

煤礦井下電氣設(shè)備主要包括以下兩種：礦用一般型電氣設(shè)備，它具有安全保護(hù)功能，不具備防爆功能，被用于煤礦地面或井底車場、井下中央變電所、總進(jìn)風(fēng)巷和主要進(jìn)風(fēng)巷；礦用防爆型電氣設(shè)備，它既具有安全保護(hù)功能又具備防爆功能，主要用于采區(qū)進(jìn)風(fēng)巷、總回風(fēng)巷、主要回風(fēng)巷、采區(qū)回風(fēng)巷、采掘工作面和工作面回風(fēng)巷，是煤礦保證煤礦安全生產(chǎn)的主要電氣設(shè)備。

2 煤礦電氣設(shè)備和供電系統(tǒng)保護(hù)的主要功能

2.1 避免電氣火災(zāi)事故

電源線和電氣設(shè)備之間存在短路，電器設(shè)備長時間過度充電，都會造成電流載體溫升，而引發(fā)火災(zāi)。井下電氣設(shè)備出現(xiàn)電火花和電弧點燃絕緣材料、瓦斯和煤塵，引起火災(zāi)，嚴(yán)重時引起瓦斯、煤塵爆炸事故。如果導(dǎo)體接觸不良并且接入電阻增加，則局部溫度升高，也會導(dǎo)致火災(zāi)的發(fā)生。

為有效防止電氣火災(zāi)，應(yīng)正確選擇電氣設(shè)備和供電線路，加強(qiáng)設(shè)備的維護(hù)和檢查，避免短路或過載情況。另外，設(shè)置短路保護(hù)裝置和繼電保護(hù)裝置并確保其保護(hù)的靈敏度和可靠性，預(yù)防潛在的電氣火災(zāi)發(fā)生。

2.2 避免漏電故障

煤礦井下巷道的相對濕度可達(dá)95%，在這種環(huán)境條件下，使用時間長，電氣設(shè)備和供電系統(tǒng)往往發(fā)生漏電故障。特別是井下電力電纜沿巷道吊掛敷設(shè)時，電纜因巷道變形、巖石或煤塊掉落而損壞電纜。為確保供電安全，井下供電系統(tǒng)須安裝漏電保護(hù)裝置，以實現(xiàn)絕緣監(jiān)測、漏電保護(hù)。漏電保護(hù)裝置分選擇性漏電保護(hù)和非選擇性漏電保護(hù)，其優(yōu)缺點分析如下。

（1）選擇性漏電保護(hù)。選擇性漏電保護(hù)采用零序電流保護(hù)原理，零序電流互感器的零序電流信號。沒有發(fā)生泄漏，三相電流的一側(cè)是對稱的，電流的相位是零，且在二次側(cè)沒有電流輸出。當(dāng)有泄漏時，三相電流的一側(cè)為不對稱，電流相位不為零，二次級側(cè)有電流輸出。此保護(hù)裝置可以減少停電的范圍，容易找到故障線路，應(yīng)用廣泛。

（2）非選擇性漏電保護(hù)。非選擇性漏電保護(hù)采用附加直流電源保護(hù)原理，外接直流電源，絕緣電阻測試回路監(jiān)測直流電流的變化，從而達(dá)到監(jiān)測絕緣電阻的目的。該保護(hù)裝置可與低壓自動饋電開關(guān)組合使用，結(jié)構(gòu)簡單，但其停電的影響范圍大，且難以判斷漏電回路。為防止漏電故障發(fā)生，煤礦供電系統(tǒng)采取了一系列措施，如選擇正確的設(shè)備型號，增加保護(hù)裝置和電氣設(shè)備接地措施，供電系統(tǒng)的中性絕緣，安裝選擇性漏電漏電保護(hù)裝置等。

2.3 避免發(fā)生過流

（1）過載保護(hù)。過載意味著電機(jī)或電氣設(shè)備的工作電流大于電流額定值，但額定電流的倍數(shù)較小，通常小于額定電流的1.5倍。另外，動力設(shè)備過載的原因很多，如負(fù)荷突然增加、故障相操作、電壓降低等。如果電氣設(shè)備和供電系統(tǒng)處于過載狀態(tài)，則溫升繞組或電氣設(shè)備超過允許值，引起絕緣的老化和損壞。一般來說，過載保護(hù)的動作時間與過載電流的大小直接相關(guān)，動作值應(yīng)小于短路保護(hù)動作值。過載程度決定動作延遲長度，過載程度越大，延遲越短；過載越小，延遲越長。這也被稱為反時限特性。加裝電磁繼電器、電子繼電器和熱繼電器都可起到過載保護(hù)作用。

（2）短路保護(hù)。當(dāng)電氣設(shè)備、供電線路受損，電氣設(shè)備或電源線路接線錯誤都會造成短路的現(xiàn)象，短路瞬間的故障電流可達(dá)十幾到幾十倍額定電流，會損壞電氣設(shè)備、配電線路，甚至引起火災(zāi)和井下瓦斯煤塵的爆炸事故。供電設(shè)備應(yīng)加裝短路保護(hù)裝置，保護(hù)裝置的動作時間要短，設(shè)定的動作值要大，可在短時間內(nèi)切斷電源。

2.4 避免電氣設(shè)備故障

在煤礦井下發(fā)生的瓦斯和煤塵爆炸事故中，大部分都是由于電氣設(shè)備故障所引起，因此電氣設(shè)備應(yīng)避免出現(xiàn)火花故障或電弧，有瓦斯、煤塵集中的地點，電氣設(shè)備必須選用礦用防爆型，防爆殼體具有足夠的強(qiáng)度，一旦殼體內(nèi)發(fā)生電氣故障時，這些殼體不會變形，火焰不會溢出，且會得到足夠的殼體冷卻。其次，通過安全電路和設(shè)備繼電保護(hù)，及時斷開電源。

3 煤礦電氣設(shè)備保護(hù)裝置

繼電保護(hù)裝置是一種能夠?qū)ο到y(tǒng)異常狀態(tài)或故障作出反應(yīng)的自動裝置，并能及時向斷路器發(fā)出信號，及時切斷故障電源，起到保護(hù)電氣設(shè)備和預(yù)防發(fā)生煤礦事故的作用。煤礦電氣設(shè)備的主要保護(hù)裝置如下。

3.1 信號

為了將低信號轉(zhuǎn)換為高信號，煤礦信號輸入繼電保護(hù)裝置往往需要采用光電隔離技術(shù)來消除干擾信號。為了將低信號轉(zhuǎn)換為高信號，采用了開關(guān)信號。為了有效檢測物理量，低通波需具有高頻信號。

3.2 測量裝置

測量裝置檢測除了對受保護(hù)物體的各種物理量進(jìn)行實時數(shù)字比較外，還會根據(jù)比較結(jié)果設(shè)置結(jié)果，并做出“是”或“否”的結(jié)果，確定是否啟動保護(hù)。

3.3 執(zhí)行機(jī)構(gòu)

通過邏輯判斷信號，完成保護(hù)裝置的最終任務(wù)，實現(xiàn)保護(hù)裝置與執(zhí)行裝置的連接、電平轉(zhuǎn)換、隔離、返回現(xiàn)場設(shè)備狀態(tài)等以保證繼電保護(hù)裝置的可靠運行。

4 煤礦供電系統(tǒng)保護(hù)

4.1 漏電保護(hù)

如果與電網(wǎng)接觸時發(fā)生觸電危險或因漏電導(dǎo)致設(shè)備損壞引起的短路事故，從而會導(dǎo)致瓦斯爆炸事故發(fā)生時。應(yīng)安裝泄漏監(jiān)測裝置以檢測煤礦設(shè)備、供電系統(tǒng)的漏電和絕緣，保護(hù)裝置可選用選擇性漏電保護(hù)和非選擇性漏電保護(hù)。

（1）非選擇性漏電保護(hù)基于額外直流電原理的保護(hù)，通過增加額外的直流電源監(jiān)測絕緣電阻，并監(jiān)測絕緣電阻檢測電路中直流電流的變化。該裝置通常與自動饋電開關(guān)相結(jié)合，運行可靠，結(jié)構(gòu)簡單，但供電故障范圍不夠大，不易判斷漏電電路。因此應(yīng)用不廣泛。（2）選擇性漏電保護(hù)是基于零序電流保護(hù)原理。如果沒有漏電故障，則一側(cè)的三相電流為對稱，電流矢量和電流為零，二次側(cè)沒有輸出電流。如果發(fā)生漏電故障，則一側(cè)的三相電流不對稱，電流矢量和電流不等于零，二次級側(cè)有輸出電流。該裝置與饋電開關(guān)一起使用。故障線路容易找到，故障影響范圍小，因此得到廣泛應(yīng)用。

4.2 過流保護(hù)

煤礦供電系統(tǒng)中的過流保護(hù)主要包括短路保護(hù)和過載保護(hù)。（1）電源系統(tǒng)的短路保護(hù)，如果電源設(shè)備、線路的絕緣層損壞，以及接線錯誤等可能發(fā)生。當(dāng)發(fā)生短路時，瞬態(tài)故障電流通常為幾倍或甚至數(shù)十倍的額定電流，煤礦供電系統(tǒng)的短路保護(hù)相應(yīng)時間短、動作值大，可在短時間內(nèi)切斷電源回路。短路保護(hù)通常用電子繼電器和電磁繼電器。（2）過載保護(hù)電源系統(tǒng)負(fù)載是指電氣設(shè)備的工作電流、電機(jī)的工作電流大于其額定電流，一般不超過額定電流的1.5倍。電氣設(shè)備或電機(jī)過載的原因很多。例如，負(fù)載突然增加，電網(wǎng)電壓下降或故障相操作。當(dāng)電氣設(shè)備或電機(jī)長時間運轉(zhuǎn)時，電氣設(shè)備或繞組的溫升大于允許值，導(dǎo)致絕緣老化。過載電流的大小影響過載保護(hù)的持續(xù)時間。過載保護(hù)的動作延遲取決于過載的程度。負(fù)載越小，延遲越長；過載越小，延遲越長。當(dāng)過載發(fā)生時電流繼電器動作，觸點在斷開時間與線圈連接并發(fā)生延遲。通過繼電器觸電動作，執(zhí)行器開始動作。電源電路被過載信號切斷。電子電路，過載保護(hù)用電磁繼電器或熱繼電器。

5 分析改進(jìn)措施

5.1 排除繼電保護(hù)故障的方法

人們傾向于在井下線路上安裝電抗器，而在井下，短路電流與電源方向之間的差異非常大，使得快速斷開保護(hù)工作電流變得容易。在地下變電站和線路微機(jī)保護(hù)變電站的安裝中，應(yīng)設(shè)置三級保護(hù)，饋線還應(yīng)設(shè)置三級保護(hù)。保護(hù)的時間限制和設(shè)定值應(yīng)與相鄰線路匹配。本文設(shè)置了地下變電站的繼電保護(hù)，優(yōu)化了設(shè)定動作電流，以適應(yīng)繼電保護(hù)的一般原理。根據(jù)煤礦井下電網(wǎng)的工況不同，采取相應(yīng)的保護(hù)設(shè)置，滿足垂直選礦的需要。復(fù)位變壓器保護(hù)復(fù)位值，根據(jù)變壓器低壓側(cè)故障判斷電壓元件的靈敏度。此外，電流保護(hù)動作的時限應(yīng)符合井下線路時限要求，考慮到保護(hù)電源的可靠性和靈敏度，建議拆除復(fù)合壓力鎖，并更換原來的過電流，具有切斷速度限制的后備保護(hù)。

5.2 電氣連接加熱問題的解決方案

目前在手持式紅外熱像儀的幫助下，為了解決這類問題，請定期觀察溫度，測試各設(shè)備的溫度，了解其比熱，或使用無線溫度測量和報警系統(tǒng)測量溫度。

6 結(jié)語

煤礦安全基于電力設(shè)備和供電系統(tǒng)的保護(hù)。因此，任何煤礦都應(yīng)該有專門的技術(shù)人員負(fù)責(zé)煤礦電氣安全。為加強(qiáng)煤礦安全管理電氣設(shè)備供電系統(tǒng)，完善責(zé)任制，一方面通過加強(qiáng)煤礦電氣設(shè)備和電力系統(tǒng)檢測技術(shù)，另一方面通過定期、專業(yè)的培訓(xùn)和考核，才能切實履行電氣安全管理責(zé)任，確保煤礦生產(chǎn)的安全。