關于煤礦供電系統和電氣設備的保護研究

李慶明

（淄博礦業集團設計院有限責任公司，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，煤礦企業必須雙回路電源供電。對供電系統及電氣設備的要求主要體現在以下方面：供電必須可靠，提供連續不間斷的電源、滿載供電、過載供電；電力安全即要考慮人員安全，也要重視用電設備的安全。

煤礦井下電氣設備主要包括以下兩種：礦用一般型電氣設備，它具有安全保護功能，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、總進風巷和主要進風巷；礦用防爆型電氣設備，它既具有安全保護功能又具備防爆功能，主要用于采區進風巷、總回風巷、主要回風巷、采區回風巷、采掘工作面和工作面回風巷，是煤礦保證煤礦安全生產的主要電氣設備。

2 煤礦電氣設備和供電系統保護的主要功能

2.1 避免電氣火災事故

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

為有效防止電氣火災，應正確選擇電氣設備和供電線路，加強設備的維護和檢查，避免短路或過載情況。另外，設置短路保護裝置和繼電保護裝置并確保其保護的靈敏度和可靠性，預防潛在的電氣火災發生。

2.2 避免漏電故障

煤礦井下巷道的相對濕度可達95%，在這種環境條件下，使用時間長，電氣設備和供電系統往往發生漏電故障。特別是井下電力電纜沿巷道吊掛敷設時，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，井下供電系統須安裝漏電保護裝置，以實現絕緣監測、漏電保護。漏電保護裝置分選擇性漏電保護和非選擇性漏電保護，其優缺點分析如下。

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

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

2.3 避免發生過流

（1）過載保護。過載意味著電機或電氣設備的工作電流大于電流額定值，但額定電流的倍數較小，通常小于額定電流的1.5倍。另外，動力設備過載的原因很多，如負荷突然增加、故障相操作、電壓降低等。如果電氣設備和供電系統處于過載狀態，則溫升繞組或電氣設備超過允許值，引起絕緣的老化和損壞。一般來說，過載保護的動作時間與過載電流的大小直接相關，動作值應小于短路保護動作值。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作用。

（2）短路保護。當電氣設備、供電線路受損，電氣設備或電源線路接線錯誤都會造成短路的現象，短路瞬間的故障電流可達十幾到幾十倍額定電流，會損壞電氣設備、配電線路，甚至引起火災和井下瓦斯煤塵的爆炸事故。供電設備應加裝短路保護裝置，保護裝置的動作時間要短，設定的動作值要大，可在短時間內切斷電源。

2.4 避免電氣設備故障

在煤礦井下發生的瓦斯和煤塵爆炸事故中，大部分都是由于電氣設備故障所引起，因此電氣設備應避免出現火花故障或電弧，有瓦斯、煤塵集中的地點，電氣設備必須選用礦用防爆型，防爆殼體具有足夠的強度，一旦殼體內發生電氣故障時，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，通過安全電路和設備繼電保護，及時斷開電源。

3 煤礦電氣設備保護裝置

繼電保護裝置是一種能夠對系統異常狀態或故障作出反應的自動裝置，并能及時向斷路器發出信號，及時切斷故障電源，起到保護電氣設備和預防發生煤礦事故的作用。煤礦電氣設備的主要保護裝置如下。

3.1 信號

為了將低信號轉換為高信號，煤礦信號輸入繼電保護裝置往往需要采用光電隔離技術來消除干擾信號。為了將低信號轉換為高信號，采用了開關信號。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物體的各種物理量進行實時數字比較外，還會根據比較結果設置結果，并做出“是”或“否”的結果，確定是否啟動保護。

3.3 執行機構

通過邏輯判斷信號，完成保護裝置的最終任務，實現保護裝置與執行裝置的連接、電平轉換、隔離、返回現場設備狀態等以保證繼電保護裝置的可靠運行。

4 煤礦供電系統保護

4.1 漏電保護

如果與電網接觸時發生觸電危險或因漏電導致設備損壞引起的短路事故，從而會導致瓦斯爆炸事故發生時。應安裝泄漏監測裝置以檢測煤礦設備、供電系統的漏電和絕緣，保護裝置可選用選擇性漏電保護和非選擇性漏電保護。

（1）非選擇性漏電保護基于額外直流電原理的保護，通過增加額外的直流電源監測絕緣電阻，并監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相結合，運行可靠，結構簡單，但供電故障范圍不夠大，不易判斷漏電電路。因此應用不廣泛。（2）選擇性漏電保護是基于零序電流保護原理。如果沒有漏電故障，則一側的三相電流為對稱，電流矢量和電流為零，二次側沒有輸出電流。如果發生漏電故障，則一側的三相電流不對稱，電流矢量和電流不等于零，二次級側有輸出電流。該裝置與饋電開關一起使用。故障線路容易找到，故障影響范圍小，因此得到廣泛應用。

4.2 過流保護

煤礦供電系統中的過流保護主要包括短路保護和過載保護。（1）電源系統的短路保護，如果電源設備、線路的絕緣層損壞，以及接線錯誤等可能發生。當發生短路時，瞬態故障電流通常為幾倍或甚至數十倍的額定電流，煤礦供電系統的短路保護相應時間短、動作值大，可在短時間內切斷電源回路。短路保護通常用電子繼電器和電磁繼電器。（2）過載保護電源系統負載是指電氣設備的工作電流、電機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。電氣設備或電機過載的原因很多。例如，負載突然增加，電網電壓下降或故障相操作。當電氣設備或電機長時間運轉時，電氣設備或繞組的溫升大于允許值，導致絕緣老化。過載電流的大小影響過載保護的持續時間。過載保護的動作延遲取決于過載的程度。負載越小，延遲越長；過載越小，延遲越長。當過載發生時電流繼電器動作，觸點在斷開時間與線圈連接并發生延遲。通過繼電器觸電動作，執行器開始動作。電源電路被過載信號切斷。電子電路，過載保護用電磁繼電器或熱繼電器。

5 分析改進措施

5.1 排除繼電保護故障的方法

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，使得快速斷開保護工作電流變得容易。在地下變電站和線路微機保護變電站的安裝中，應設置三級保護，饋線還應設置三級保護。保護的時間限制和設定值應與相鄰線路匹配。本文設置了地下變電站的繼電保護，優化了設定動作電流，以適應繼電保護的一般原理。根據煤礦井下電網的工況不同，采取相應的保護設置，滿足垂直選礦的需要。復位變壓器保護復位值，根據變壓器低壓側故障判斷電壓元件的靈敏度。此外，電流保護動作的時限應符合井下線路時限要求，考慮到保護電源的可靠性和靈敏度，建議拆除復合壓力鎖，并更換原來的過電流，具有切斷速度限制的后備保護。

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，測試各設備的溫度，了解其比熱，或使用無線溫度測量和報警系統測量溫度。

6 結語

煤礦安全基于電力設備和供電系統的保護。因此，任何煤礦都應該有專門的技術人員負責煤礦電氣安全。為加強煤礦安全管理電氣設備供電系統，完善責任制，一方面通過加強煤礦電氣設備和電力系統檢測技術，另一方面通過定期、專業的培訓和考核，才能切實履行電氣安全管理責任，確保煤礦生產的安全。