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1、煤 矿 电 网 运 行 与 保 护,中 国 矿 业 大 学 电气安全与智能电器研究所 二OO八年四月 山西 阳泉,主 讲,王崇林,教授,博士,博士生导师,中国矿业大学信电学院院长,电气工程学科带头人,煤炭系统拔尖人才,国家653工程机电领域专家。 曾获国家科技进步三等奖1项、教育部科技进步三等奖1项、煤炭部科技进步二等奖2项、煤炭工业科技进步二等奖2项,发表论文30余篇,出版专著2部。 电话:0516-83590888 83885453 E-mail: ,李国欣,博士,主要研究方向为矿山供电安全,曾参与国家自然科学基金两项,煤炭系统横向项目多项。 13305207810 lee_,供电可靠性要
2、求高 井下人员 瓦斯 涌水 生产 损失惨重,教训深刻 同一电压等级的供电级数多 地面变电所、井下中央变电所、采区变电所、移动变电站 负荷集中 大功率设备多 大功率设备多且相对集中,负荷变化对供电系统影响大 运行环境恶劣 事故频繁 环境潮湿,粉尘多,移动型设备多,挤压碰撞多 电缆供电为主 高压电缆一般有几十公里,单相接地电流大,易拉起电弧,不易自恢复 新型电力电子设备逐渐增多 谐波含量超标 自然功率因数低 供电设备 技术水平参差不齐 设备多且难以统一,配合复杂,管理维护困难,矿 井 供 电 的 特 点,煤矿电网的安全运行分析与评价,煤矿高压电网的中性点运行方式及漏电保护,专题一:,专题二:,1
3、中性点运行方式 2 单相接地的危害 3 电容电流的治理 4 消弧线圈的调节原理 5 高压漏电保护,1 煤矿供电系统的特点 2 煤矿井下保护 3 井下配电自动化 4 煤矿电网安全分析,煤矿高压电网的中性点运行方式及选择性漏电保护,一 电网中性点运行方式,中性点的运行方式指的是中性点与大地之间的连接关系。 中性点运行方式的选择主要取决于单相接地时电气设备的绝缘要求及供电可靠性。 中性点运行方式的不同,直接影响到安全和经济问题,需要进行综合比较分析。,1 中性点运行方式的种类,大接地电流系统 1)直接接地,又称为有效接地 2)经低阻接地 小接地电流系统 1)不接地,又称为中性点绝缘 2)经消弧线圈接
4、地 3)经高阻接地,中性点运行方式的种类,关于煤矿电网中性点运行方式的规定,煤矿安全规程第443条规定: 严禁井下配电变压器中性点直接接地。严禁由地面中性点直接接地的变压器或发电机直接向井下供电。,我国、苏联、西德等国井下采用中性点不接地系统;其它国家,如英国采用中性点经高电阻接地的系统或其它类型的接地系统。,我国煤矿地面变电所一般采用中性点不接地系统或中性点经消弧线圈接地的系统。,2 中性点不接地方式,主要特点:单相接地电流小 适用范围:3-10kV电网。因为在这类电网中,发生单相接地故障的比例很大。采用中性点不接地方式可以减少单相接地电流,从而减轻其危害。 分 析:单相接地电流,单相接地时
5、的各相对地电压,中性点不接地方式-正常运行,三相对称,没有电流在地中流过。 中性点对地电位为0 各相对地电压等于相电压。 其中C为电网对地电容(高压电网忽略电网对地绝缘电阻R),中性点不接地方式单相接地,当发生金属性接地时,接地故障相对地电压为零。 中性点对地的电压上升到相电压,且与接地相的电源电压相位相反。 非故障相对地电压由相电压升高为线电压。 三相的线电压仍保持对称且大小不变,对电力用户接于线电压的设备的工作并无影响,无须立即中断对用户供电。 单相接地电流,等于正常运行时一相对地电容电流的三倍,为容性电流。,中性点不接地方式-单相接地电流,电网模型:假设电网三相对称,忽略电网对地绝缘电阻
6、,只考虑电网对地电容。 电网正常时:三相电压对称,三相经对地电容流入大地的电流相量和为零,即没有电流在地中流动。各相对地电压等于相电压。 发生单相接地时,接地相对地电压为零,而非故障相对地电压变为线电压。因而容易造成两相短路。 单相接地电流,单相接地故障对电网的影响,单相接地时,由于线电压保持不变,使负荷电流不变,电力用户能继续工作,提高了供电可靠性。 由于接地点的电弧或者由此产生的过电压可能引起故障扩大,发展成为多相接地故障。 非故障相电压升高到线电压,所以在这种系统中,电气设备和线路的对地绝缘应按能承受线电压考虑设计,从而相应地增加了投资。 在中性点不接地系统中,应装设交流绝缘监察装置,当
7、发生单相接地故障时,立即发出信号。规程规定:系统发生单相接地时,继续运行的时间不得超过2h,并要加强监视。,由于煤矿井下巷道狭窄,空气潮湿,电气设备和电缆的绝缘容易受潮,电缆也可能遭受脱落的岩石和煤块砸坏,甚至被移动的机器设备等挤压。从而造成漏电和接地事故。据有关的统计资料记载,在此情况下,80%以上的电气短路故障都属于单相漏电和接地事故。 单相漏电和接地故障,有可能带来巨大的危害,如引起人身触电,瓦斯煤尘爆炸和电气雷管先期爆发事故,对通讯、控制线路产生电磁干扰。此外,单相间歇性电弧接地还有可能产生过电压。线路对地电容与电感元件之间也有可能引起铁磁谐振过电压,使那些绝缘薄弱环节相继击穿。同时,
8、单相接地电弧又可能进一步烧坏相间绝缘。所有这些都有可能造成相间短路,引起电缆放炮或电气设备烧毁等严重事故。,单相接地对煤矿的危害,适用范围,单相接地电流与电网电压和电网对地电容有关。 对于短距离、电压较低的输电线路,因对地电容小,接地电流小,瞬时性故障往往能自动消除,故对电网的危害小,对通讯线路的干扰小。对于高压、长距离输电线路,单相接地电流一般较大,在接地处容易发生电弧周期性的熄灭与重燃,出现间歇电弧,引起电网产生高频振荡,形成过电压,可能击穿设备绝缘,造成短路故障。为了避免发生间歇电弧,要求6-10kV电网单相接地电流小于20A。 因此,中性点不接地方式电缆供电距离比较长的煤矿不适宜。,煤
9、矿安全规程第457条规定: 矿井高压电网,必须采取措施限制单相接地电容电流不超过20A。 地面变电所和井下中央变电所的高压馈电线上,必须装设有选择性的单相接地保护装置;供移动变电站的高压馈电线上,必须装设有选择性的动作于跳闸的单相接地保护装置。,中性点不接地的高压电网,接地电流主要成分为电容电流,而矿井电网供电主要采用电缆线路,其对地电容大,造成单相接地电流大。 单相接地电流过大可能引起电气火灾和电雷管超前引爆等事故; 规程规定接地网上任一保护接地点的接地电阻值不得超过2欧姆,为保证在发生单相接地故障时产生的接地电压不超过安全电压系列的最高值42V,则单相接地电流应限制在21A以下,故规程规定
10、高压电网的单相接地电容电流不超过20A;,457条规定的含义,2005版、2003版、2001版等的煤矿安全规程第457条规定:“矿井高压电网,必须采取措施限制单相接地电容电流不超过20A。”。 而以前版本的煤矿安全规程是这样描述的:“矿井高压电网的单相接地电容电流不得超过20 A。否则,必须采取限制措施。”。 从上述的文字描述也可以看出,对煤矿电网的电容电流的治理越来越受到关注。,457条规定的演化,电网对地电容电流的测量,直接接地测量很危险,对电网有冲击和损坏。 经电容接地测量也较危险,电容需要最后放电。测量方法:停电后在某一相并入电容并接地,送电后测量电容电压U2,已知电网相电压U1和并
11、联电容C1,电网电容C=C1*(U1-U2)/U2 。 经电阻接地比较安全,测量也很准确。方法是首先使一出线停电,然后将某一相经电阻接地,最后送电。测量电网中性点对地电压和流过电阻的电流,根据公式算出电网对地电容电流。 测量仪器,3 单相接地电容电流的治理,限制单相接地电容电流的方法主要有:,改变系统运行方式 缩小系统规模 改变中性点接地方式 采用接地分流装置,改变系统运行方式:该方法一般将系统运行方式由并列运行改为分列运行,相当于将6kV大系统分为2个或多个小系统,一般适用于电网规模不大,且从经济上考虑具备分列运行条件的系统。,缩小系统规模:该方法采用6kV隔离变压器,将6kV大系统从根本上
12、分隔为多个接地小系统,该方法因为采用6kV隔离变压器,造价较高,损耗加大,且系统的运行方式不灵活,同时会造成系统构造复杂化。,治理方法综述,采用接地分流装置:接地分流装置从严格意义上讲并非一种完善的治理方案,它的主要作用仅是在发生单相电弧接地时,利用并联分流原理,将不可控的接地点变为实接地点,使故障接地点的电弧熄灭,但系统单相接地电容电流值并未减小;分流装置对系统发生金属性接地不起作用,对电容电流危害的治理仅起到部分作用;因此该方法不符合煤矿安全规程要求,同时该方法安全性较差,不建议采用。,治理方法综述,(介绍一篇文章),治理方法综述,不符合煤炭安全规程的要求;,接地点的电流很难控制在治理要求
13、达到的残流5A以下 ;,选线困难;,对抑制间歇性电弧接地过电压效果差,会使非故障相电压无论在发生何种接地故障时都上升为线电压,对电缆绝缘构成威胁 ;,接地分流装置鉴相错误时,容易造成事故扩大 。,治理方法综述,改变中性点接地方式:即将中性点不接地系统改造为中性点经消弧线圈接地系统,利用消弧线圈产生的电感电流抵消系统的单相接地电容电流,从根本上使接地故障点的接地电流减小。随着技术的发展,目前自动跟踪补偿消弧线圈技术已经成熟,将中性点接地方式由中性点不接地改造为中性点经消弧线圈接地是治理电容电流超标的最有效解决方法。,4 中性点经消弧线圈接地,原理:单相接地电流主要是电容电流。如果能够在发生单相接
14、地时部分或全部抵消掉电容电流,则单相接地电流将大减小。方法就是在中性点处加入消弧线圈。 消弧线圈的工作原理:消弧线圈是一个具有铁芯的可调电感线圈,线圈的电阻很小(消耗功率小),电抗很大(保证对地绝缘水平),电抗值可用改变线圈的匝数来调节。 发生单相接地故障时,通过消弧线圈使接地处流过一个与容性接地电流相反的感性电流,从而减小、甚至抵消接地电流,消除接地电弧引发的问题,提高供电可靠性。,中性点经消弧线圈接地情况,中性点经消弧线圈接地时电流向量图,电容接地电流 消弧线圈流过的电流 完全补偿的条件 即有:,消弧线圈的补偿方式,完全补偿 消弧线圈提供的电感电流等于接地电容电流,接地处电流为0。 易满足
15、谐振条件,形成串联谐振,产生过电压。 欠补偿 电感电流小于接地电容电流,单相接地时接地电流为容性。 因线路停电或系统频率降低等原因使接地电流减少,可能出现完全补偿。故一般也不采用。 过补偿 电感电流大于接地电流,单相接地电流为感性。 过补偿方式在电网中得到广泛使用。但过补偿程度要合适. 自动跟踪补偿 单片机或微机控制,中性点经消弧线圈接地系统的适用范围,中性点经消弧线圈接地系统与不接地系统同样有着在发生单相接地故障时,可继续供电2小时,提高供电可靠性. 电气设备和线路的对地绝缘应按线电压考虑. 中性点经消弧线圈接地后,能有效地减少单相接地故障时接地处的电流,迅速熄灭接地处电弧,防止间歇性电弧接
16、地时所产生的过电压,故广泛应用在不适合采用中性点不接地的3-35kV系统。,自动跟踪补偿的消弧线圈可以实时跟踪电网系统单相接地电容电流变化情况,调节出不同的感性电流进行补偿,高压电网单相接地电流主要是电容电流,因此可使故障点的单相接地电流减小到最小。,自动跟踪补偿消弧线圈原理,自动跟踪补偿消弧线圈分类 按调节原理: 预调式:是指电网无接地故障情况下,消弧线圈预先自动调谐到合理补偿位置。一般需加装阻尼电阻,以保证中性点位移电压不大于额定相电压的15。 随调式:是指电网无接地故障情况下,消弧线圈处于欠补偿状态,在电网发生单相接地故障时,消弧线圈自动调谐到合理补偿位置。不需阻尼电阻,但接地瞬间无法达
17、到全补偿。 按调节方法: 有档调节:调节精度低,残流大,一般有调匝式、调容式。 无级调节:调节精度高,残流小,一般有调感式、偏磁式。,常用的自动跟踪补偿消弧线圈形式: 调匝式 调气隙式(动铁式) 偏磁式(直流助磁式) 磁阀式 调容式 调感式,XBSG系列自动跟踪补偿消弧线圈介绍,XBSG系列自动跟踪补偿消弧线圈是中国矿业大学电气安全与智能电气研究所在国家“七五”攻关项目研究基础上自主开发的产品,申请了三相五柱式消弧线圈专利,并获得煤炭部二等奖、教育部三等奖等荣誉,由徐州和纬信电科技有限公司独家生产,现已得到广泛应用。 该系列消弧线圈采用预调式调节原理,调感式无级调节方法,干式H级绝缘结构,单柜
18、室内安装。,构成:三相五柱干式消弧线圈1台、低压电抗器2台、阻尼电阻箱1台、控制器1台、控制器附件1套、高压开关柜壳体及附件1套。,型号含义,工作原理,XBSG系列消弧线圈工作原理图 L:三相五柱消弧线圈;L1、L2:低压电抗器;RL:阻尼电阻 SCR1SCR4: 可控硅;KM:低压交流接触器主触点,KYN28柜型,定制柜型,GG1A柜型,KGN 柜型,JYN2 柜型,二 选择性漏电保护,1、问题的提出 目前610kV电网的接地保护多采用零序电流、零序无功功率方向等的保护原理。 其中零序电流原理是基于故障线路零序电流大于非故障线路零序电流的特点,区分出故障和非故障元件,从而构成接地保护。 零序
19、无功功率方向原理是利用故障线路零序电流(线路流向母线)滞后零序电压90 、非故障线路零序电流(母线流向线路)超前零序电压90 的特点来实现。由于这一原理对零序电流的大小要求降低,使之在实际电网中得到广泛应用,但其对零序电流互感器的角特性要求较高。,0,0,当电网中性点由不接地变为经消弧线圈接地后,电网的零序电流方向发生了根本性变化,原有中性点不接地系统的无功功率方向型选线装置失效;目前尽管个别单位已研制出了基于高次谐波的选择性漏电保护装置(仅可用于矿井地面变电所),但由于其原理的局限性,在使用中往往出现灵敏度低、拒动、误动现象,严重影响了矿井供电的可靠性、安全性。 采用适合于我国矿井6kV电网
20、消弧线圈接地系统的选择性漏电保护新原理,并据此对现有的各种漏电保护装置进行全面的技术改造,构成完善的三级漏电保护系统,确保矿井电网安全、可靠运行,是非常必要的。,煤矿安全规程第457条规定: 矿井高压电网,必须采取措施限制单相接地电容电流不超过20A。 地面变电所和井下中央变电所的高压馈电线上,必须装设有选择性的单相接地保护装置;供移动变电站的高压馈电线上,必须装设有选择性的动作于跳闸的单相接地保护装置。,2、单相接地分析 首先分析一下电网发生单相接地(包括直接接地和经一过渡电阻接地)故障时,电网零序电压及零序电流的分布情况。,中性点不接地电网发生单相经电阻接地等效电路如上页图所示,由于A相对
21、地经电阻RE接地( RE=0为直接接地),破坏了原电网对地阻抗的对称性,使电源的中性点对地电压不再为零,假设中性点对地电压为UN,并忽略线路的阻抗,则电网每相对地电压为: 通过每相对地电容C和接地电阻RE的电流之和为零,即: 根据对称分量法的原理,实际上UN就是零序电压U0 ,则:,由于只有零序电流可以流入大地,和接地故障点构成回路,总的零序电流之和就等于流过接地电阻的电流IE,方向相反。上页图是将电网所有支路的对地电容用集中的电容表示,而我们更关心的是每条支路零序电流及其方向,下图为电网发生单相接地故障时的零序等效电路。,从图中可以看出,流过故障支路零序电流互感器(LH1)的零序电流是所有非
22、故障支路零序电流之和,方向是由支路指向母线,流过非故障支路零序电流互感器(LH2、LH3)的零序电流就是本支路的零序电流,方向是由母线指向支路。故障支路零序电压、零序电流的矢量如下页图所示。,单相接地故障时的零序等效网络及其相量图 a)零序等效网络 b)相量图,对中性点不接地电网的,显然,通过零序电流的大小和方向是很容易区分故障支路和非故障支路的,即流过故障支路零序电流互感器的零序电流大于流过非故障支路零序电流互感器的零序电流,方向正好相反。 中性点经消弧线圈接地的电网发生单相接地故障,就相当于流过故障支路零序电流互感器的零序电流中增加了一电感性电流,方向由支路指向母线,其矢量关系(过补偿)如
23、下图所示。,从矢量图可看出,由于消弧线圈电感电流的加入,使流过故障支路零序电流互感器的电流性质变得不确定。即此时流过故障支路零序电流互感器的电流由原来的电容性电流变成:电感性电流(过补偿)或者电容性电流但幅值减小(欠补偿)或者电阻性电流(即非故障支路对地绝缘电阻电流之和也非常小:全补偿)。 显然,用前面的零序电流原理、零序电流功率方向原理来区别故障支路与非故障支路是不行的,给接地保护带来困难。,3、其他类型的接地保护原理 (1)首半波保护原理 解决中性点经消弧线圈接地电网的接地保护问题,可利用接地故障发生瞬间的暂态电流来实现接地保护,即首半波原理。该原理是基于接地故障发生在相电压接近最大值瞬间
24、这一假设而提出的。当相电压接近最大值时,若发生接地故障,则故障相电容通过故障线路向故障点放电,故障线路电感和分布电容使电流具有衰减振荡性。对于中性点经消弧线圈接地系统,由于暂态电感电流的最大值应出现在接地故障发生在相电压经过零值的瞬间,而接地故障发生在相电压接近最大值瞬间时,消弧线圈中的暂态电感电流接近于零,其过渡过程与中性点不接地系统的近似相同,故可利用故障线路中故障后暂态零序电流第一个周期的首半波与非故障线路相反的特点实现选择性保护。,从上述此原理的工作特点可知,根据首半波保护原理工作的接地选线装置,显然不能反映相电压较低(非峰值)时的接地故障,且受接地故障点过渡电阻影响较大,同时也存在工
25、作死区。加上不同的电网结构,时间常数各不相同,接地暂态过程的振荡频率等特性也必然不同,从而使首半波的时间宽度各不相同。因此,利用此原理构成的保护装置,其适用范围受到限制。此类装置的现场运行也证明,其选择性能较差,目前已经很少使用。,(2)谐波电流方向保护原理 解决中性点经消弧线圈接地电网的接地保护问题,另一种方法是采用高次谐波零序电流方向的保护原理。因为电网电源电压中不仅有基波,而且存在一定的高次谐波,对高次谐波来讲,消弧线圈的感抗将增加,电网对地电容的容抗将减小,如5次谐波的感抗将增加5倍,容抗将降低5倍,所以,高次谐波的零序电流中电容电流远大于电感电流,其电感电流可以忽略,也就是说,对高次
26、谐波来将,电网相当于未接入消弧线圈一样,就可用高次谐波零序电流的大小和方向来区分故障支路与非故障支路,实现选择性接地保护。但是,这种保护原理也有一定的不足。,由于5次或7次谐波的含量相对基波而言要小得多,且各电网的谐波含量大小不一(如对某矿6 kV电网零序电流谐波成分的实测,其5次与7次谐波成分相近,为1.121.78,故以此原理构成的保护其零序电压动作值往往很高,灵敏度较低,在接地点存在一定过渡电阻值时将出现拒动现象。,(3)注入法原理,通过运行中的电压互感器向接地线注入信号,利用信号寻踪原理,实现接地选线。 适用于各种接地系统,但需在电网中注入信号且受电网出线均匀程度和谐波含量影响 。,中
27、性点经消弧线圈并(串)电阻接地的电网发生单相接地故障,就相当于流过故障支路零序电流互感器的零序电流中增加了一电感性电流和一电阻性电流,方向由支路指向母线,其矢量关系如右图所示。,(4)零序电流有功分量原理,由于电阻电流的加入,使流过故障支路零序电流互感器的电流同流过非故障支路零序电流互感器的电流拉开一定的角度,特别需要注意的是在忽略了各支路对地绝缘电阻的影响时,流过非故障支路零序电流互感器的电流在零序电压上的投影等于零,而流过故障支路零序电流互感器的电流在零序电压上的投影等于与消弧线圈并联的电阻中的电流,但是,方向是零序电压的负方向。这样就可以方便地计算出这一电阻电流: 上式中为零序电流超前零
28、序电压的角度。这样根据IRL就可很方便地区分故障支路与非故障支路,实现选择性接地保护。此即零序电流有功分量原理。该原理可以较好地适用于不同中性点接地方式电网的接地选线保护。,WLD系列小电流接地系统微机选线,WLD系列小电流接地系统微机选线装置采用基波选线原理,在中性点不接地系统采用无功功率方向型原理,群体比幅选线方案;在中性点经消弧线圈并或串电阻接地系统,选用有功功率方向型原理,群体比幅选线方案。 为保证选线的准确率,该装置配套使用了专利产品FLH0-2型零序电流互感器,从信号取样来保证原理实现的准确性,由于基波信号强,其选线的灵敏度也较高。,煤矿高压电网的中性点运行方式及漏电保护,中性点运
29、行方式 单相接地的危害 电容电流的治理 消弧线圈的调节原理 高压漏电保护,总 结,专题二,煤矿电网的安全运行,煤矿供电系统的特点 煤矿供电系统存在的问题 继电保护 井下配电自动化 煤矿电网安全分析,一、煤矿高压供电系统,1矿井对供电的要求,煤矿企业为电能的重要用户。由于煤矿生产的特殊性,在供电上要求更为严格。其主要要求如下:,1)供电可靠,2)供电安全,3)保证充足的供电量,4)技术经济合理,2矿井电压等级,3 矿井供电系统的结构,矿井供电方式的决定因素 矿区范围 采用机械化方式 矿层结构 采煤方法 矿层埋藏深浅 井下涌水量大小 典型供电方式:深井、浅井、平硐三种,电力网,深井供电,中央变电所
30、,4 矿井变电所及工作面配电点,地面变电所 井下中央变电所 采区变电所 工作面配电点,供电可靠性要求高 井下人员 瓦斯 涌水 生产 损失惨重,教训深刻 同一电压等级的供电级数多 地面变电所、井下中央变电所、采区变电所、移动变电站 负荷集中 大功率设备多 大功率设备多且相对集中,负荷变化对供电系统影响大 运行环境恶劣 事故频繁 环境潮湿,粉尘多,移动型设备多,挤压碰撞多 电缆供电为主 高压电缆一般有几十公里,单相接地电流大,易拉起电弧,不易自恢复 新型电力电子设备逐渐增多 谐波含量超标 自然功率因数低 供电设备技术水平参差不齐 设备多且难以统一,配合复杂,管理维护困难,5 矿 井 供 电 的 特
31、 点,二、煤矿电网存在的问题,设计生产能力小,经过多次扩容改造,使得电网结构复杂; 对供电系统缺乏整体性的规划,使得运行管理混乱; 保护的越级和无选择性跳闸; 单相接地电容电流的治理; 电能质量的改善; 其它安全隐患。,三 继 电 保 护,现有线路保护现状与存在的问题 线路保护整定计算存在的问题 煤矿高压线路越级跳闸原因分析 高压线路保护的整定计算,现有线路保护现状与存在的问题,保护配置(三段式保护) 6kv线路相间短路电流电压保护通常是三段式保护,第I段为无延时电流速断保护;第II段为带时限电流速断;第III段为过流保护。井下现在大都为两段式保护。 电流I段为本段线路的主保护,II段为本段线
32、路的后备保护,III为下级线路或设备的后备保护。,煤矿三段式保护存在的问题,从供电结构上来看上下级之间的线路(井下线路)很多不足1km有的甚至只有四五百米,又因为是电缆供电这样上下级之间的短路电流相差很小,这样电流速断保护无最小保护范围。 假如按照保证最小灵敏1.5来整定,得到的电流比按线路末端短路电流计算得到的整定值要小,这样在某些段线路上发生严重的短路事故时,就不可避免地引起越级跳闸。 系统运行方式 差异较大导致灵敏度校验困难。,保护装置现状,供电系统内同时存在电磁式、模拟式、微机式保护。混合使用所带来的问题是保护的动作时间的不确定性,目前煤矿线路速断保护使用的整定计算方法:,1、按照电力
33、系统保护规则整定:, 最大方式下线路末端三相短路超瞬变电流,灵敏度校验:, 最小运行方式下线路始端两相短路超瞬变电流。,2、类似与负荷统计的方法:,灵敏度校验:, 被保护电缆干线距变压器二次侧出口 最远点两相短路电流(线路的末端),整定方法为煤炭工业部制定的煤矿井下供电的三大保护细则(煤炭工业出版社)中第6条中用于1200V及以下低压电缆线路的速断保护的整定计算。,某矿6kv线路越级跳闸原因分析,1.整定方法不合理(人为) 2.运行方式差异较大(系统决定) 3.保护装置问题 4.线路较短,采用方法2整定带来的影响,系统运行方式差异较大对整定的影响,某矿系统运行方式: 1. 35kv系统参数:
34、最大短路容量:449.03MVA 最小短路容量:152.49MVA 2. 定义的运行方式: 最大运行方式:一路35kv进线最大运行方式下,两台6000KW 发电机组投入运行。 最小运行方式:一路35kv进线在最小运行方式下。,由于某些下井线路未加限流电抗器,母线的短路电流较大,如636线路550强力皮带机的母线最小三相短路电流为3.15kA(最小两相短路电流2.7KA),而它的下一级出线保护的电流互感器的变比为200/5,而目前井下保护装置的可选的最大短路电流为10倍电流互感器的额定电流,即2KA。,保护装置对整定计算的影响:,线路较短对保护的影响:,当线路较长时,其始端和末端的短路电流差别较
35、大,因而短路电流的变化趋势比较陡,保护范围较大。 当线路较短的时候,线路的短路电流变化平缓,速断保护的整定值考虑了可靠系数后,其保护范围将很小甚至等于零。 如在井下有的电缆线路大约只有500米,上下级的短路电流很难区分,保护范围为零,此时的瞬时速断形同虚设。在灵敏度不满足要求的情况下,应采用同一灵敏系数法,保证最小保护范围 。,线路较短对保护的影响:,此时不可避免的发生越级跳闸,较合理的线路保护的整定:,过流保护 按躲过线路的可能流过的最大负荷电流整定: 最大负荷电流 负荷自启动系数,取25(根据实际情况取) 返回系数,取0.95 (根据实际情况取) 可靠系数取 1.2,过流保护灵敏度:,作近
36、后备时 : 系统最小运行方式下,在被保护线路末端两相短路时,流过本线路的最小短路电流。,作远后备时 : 相邻线路末端两相短路时,流过本线路的最小短路电流,电流速断保护,按躲过线路末端的故障整定 : 可靠系数1.21.3 最大方式下线路末端三相短路超瞬变电流,电流速断保护,当线路末端为变压器时,可以采用与变压器保护配合的方式整定以扩大保护的范围。 变压器低压侧母线短路时,流过本线路的最大短路电流。 可靠系数1.31.4。,电流速断保护,当保护的灵敏度达不到要求时,根据相关的规程规定要保证最小灵敏度: 最小方式下线路始端两相短路电流,四 井下供配电自动化监控系统,高压开关保护器全部采用数字化综合保
37、护,以提高保护的可靠性,并在地面建立调度监控系统,对井下变电所进行远程监控,构成全矿井下供配电系统的自动化监控系统。 实现视频、音频及系统监测监控三网合一,全面完善煤矿井下供电系统的远程监控、调度指挥的功能。,功 能,在地面进行井下供配电系统的电气量监测、信号量监视、开关分合控制操作; 通过地面调度监控工作站或在井下通过遥控器在线调整保护定值,设定保护投退; 保护装置数字化,保护动作精度高、速度快,可靠性高; 事件顺序记录和故障录波功能; 报表打印。,为进一步提高煤矿的供电质量、供电可靠性,有必要针对煤矿电网特点,通过测试、仿真等手段对供电系统的现状进行分析研究,找出问题,提出整改方案,提高供
38、电系统可靠性。,五、煤矿电网安全评价与分析,通过对煤矿供电系统进行仿真建模,可实现从系统整体角度对煤矿供电系统供电质量及可靠性进行安全分析与评价,对接地系统现状、无功补偿现状、继电保护设置及整定、谐波水平等几个方面进行专题分析与综合评价。在分析基础上找出系统存在的问题,为进一步改造或扩容提供建议与方案。同时利用分析结果确定紧急预案,进一步提高供电系统可靠性,确保煤矿安全生产、增产增效。,电网相关参数测试、收集,谐波测试 单相接地电容电流测试 系统参数的收集、整理和分析,供电系统建模仿真与计算 高压供电安全可靠性分析 供电能力评估 供电经济性评估 继电保护的配置和整定 电能质量分析 中性点接地方
39、式及接地保护 系统疑难故障分析,根据煤矿高压电网的特点和存在的问题,主要有以下几项工作:,系统建模仿真与计算,1 系统参数 系统接线图;进线在各运行方式下的相关参数;各个设备的参数及运行情况(发电机、变压器、线路、电动机、无功补偿、电容或电抗器、CT、PT)。 2 负荷情况 各条供电线路一段时间的负荷数据或正常负荷情况并附相关系统运行情况。 3 保护配置 二次接线图和各个保护的配置情况,现有的继电保护整定计算书,现在采用的整定值,各个保护装置的说明书等。 4 存在问题 已经发现的问题及故障时的相关材料。,1 煤矿电网基础参数的收集,系统建模仿真与计算,由于供电系统规模庞大、结构复杂,难以用手工
40、计算进行细致分析; 系统设备参数繁多,不可能完全收集,影响模型真实性;,问 题,解决办法,利用已知参数推导未知参数; 根据国家标准、相关规程和系统特征确定参数; 利用局部手工计算验证模型准确性、真实性。,2 系统建模,3 潮流计算,对规划中的供电系统,通过潮流计算可以检验所提出的电力系统规划方案能否满足各种运行方式的要求; 对运行中的供电系统,通过潮流计算可以预知各种负荷变化和网络结构的改变会不会危及系统的安全; 可以对煤矿电网进行全系统各种运行方式下的潮流计算与分析,给出运行分析评价报告,提出整改建议。,系统建模仿真与计算,4 短路计算,利用建立的电网仿真模型,采用电力系统专用仿真计算软件,
41、可以对煤矿电网进行任意短路故障情况下,各种运行方式的全系统短路计算与分析、残压计算与分析,给出运行分析评价报告,提出整改建议。,系统建模仿真与计算,供电安全可靠性评估,随着煤矿矿井向深部开采,产量不断提高,井下供电线路在逐渐延伸,供电设备逐渐增多,井下供电的可靠性已经成为制约安全生产的主要因素之一。 在出现电气故障后,要尽量减小停电范围,尤其要保证保安负荷的正常运转。 针对现有网络系统各种运行方式下,对系统稳定性、可靠性进行分析,对指导电网安全运行具有重要意义。,供电可靠性就是供电的连续性和不间断性。随着煤矿矿井向深部开采,产量不断提高,井下供电线路在逐渐延伸,供电设备逐渐增多,井下供电的可靠
42、性已经成为制约安全生产的主要因素之一。 研究、改造供电方式,健全管理制度,对预防电气事故,减小停电范围,提高井下供电的可靠性,具有十分重要的意义。,供电安全可靠性评估,供电安全可靠性评估,供电安全可靠性评估主要考虑以下三个方面:,1)、从电网结构、系统各种运行方式角度分析电网抗故障 能力。,2)、在供电系统出现故障后,仿真评价系统能否迅速恢复供 电能力,确保正常生产;若不能确保生产负荷,是否能 保证保安负荷正常运转,确保安全。,3)、分析评价在短路故障情况下,各种设备的安全可靠性。,在各种运行方式下供电能力是否能够满足安全生产要求及必要的裕量 ? 评估供电能力涉及到电网的基本情况、运行指标,考
43、虑不同负荷运行水平,不同的运行方式下的需要,在本项评估内容中主要包括: 供电能力是否满足现有负荷的需要; 供电能力是否适应负荷增长的程度; 正常运行时各节点的电压水平及线路的电压损失; 系统的网络损耗; 线路和变压器的过负荷情况; 自备电厂,供电能力评估,作为企业,在保证供电安全的前提下也要考虑供电的经济性。 在符合安全规程及安全生产前提下,对各种运行方式下的网损、网络结构、无功进行评估,最终得出供电成本结论及推荐最经济运行方式 。,供电经济性评估,高压供电系统继电保护分析与评价,1 高压供电系统保护装置配置分析,根据煤矿高压供电系统保护装置的现状,结合对网络结构的分析,分别从功能和设置上对地
44、面高压供电系统保护配置和井下高压供电系统保护装置进行分析和评价,针对现存的问题进行优化设计,提出整改措施。,2 高压供电系统保护整定仿真校核,针对现在煤矿供电系统各保护装置的定值,利用建立的仿真模型进行仿真校核,分析各个定值设置的合理性,给出继电保护整定评价报告。,3 高压供电系统保护整定计算,分析煤矿高压供电系统保护配置情况,根据保护整定规程确定整定规则,计算各常用运行方式下的保护定值,给出整定值建议修改意见和整定计算书。,电能质量分析,电能质量测试主要内容包括: 因雷电或断路器操作造成的瞬态过电压(脉冲);因大负荷启动造成的瞬间性电压下降;因雷电或供电线路开闭造成的电压浪涌;因供电质量或雷
45、电造成的供电瞬间中断;因供电质量或电力电子设备造成的谐波;因供电或负载不平衡造成的电压/电流相位畸变等不平衡因素等。,电能质量分析,1 供电电压的稳定性 GB12325-2003 电能质量 供电电压允许偏差 2 电压的跳变和闪变 GB12326-2000 电能质量 电压允许波动和闪变 3 谐波水平 GB/T14549-93 电能质量 公用电网谐波 4 三相电压不平衡度 GB/T15543-1995 电能质量 三相电压允许不平衡度 5 过电压 GB/T18481-2001电能质量 暂时过电压和瞬态过电压 6 无功损耗 功率因数水平,谐波事故实例,中性点接地方式及接地保护,煤矿高压供电系统中,高压
46、供电系统中性点接地方式主要取决于系统单相接地电容电流值的大小,根据测试的系统单相接地电容电流值大小,选择合适的中性点接地方式对电网的安全运行至关重要。,煤矿电网故障中,单相接地故障比例最高,针对现在煤矿接地保护的配置情况,根据中性点接地方式的规划,分析评价接地保护的选择性能否满足要求,并制定相应整改方案,,2005版、2003版、2001版等的煤矿安全规程 第 457条规定:“矿井高压电网,必须采取措施限 制单相接地电容电流不超过20A。”。 而以前版本的煤矿安全规程是这样描述的: “矿井高压电网的单相接地电容电流不得超过20 A。否则,必须采取限制措施。”。 从上述的文字描述也可以看出,对煤
47、矿电网的电 容电流的治理越来越受到关注。,中性点接地方式及接地保护,治理方法综述,限制单相接地电容电流的方法主要有:,改变系统运行方式,改变中性点接地方式,缩小系统规模,采用接地分流装置,高压供电系统疑难故障分析,针对煤矿提出的的典型故障进行特定分析,找出故障原因,提出整改方案。 例如:PT经常烧毁故障 短路引起大面积失压 继电保护误动故障,煤矿电网的安全评价与分析,建模仿真与计算 基础参数收集 系统建模 潮流计算 短路计算 供电安全可靠性评估 供电能力评估 供电经济性评估 疑难故障分析,继电保护的配置和整定 保护装置配置分析 保护整定仿真校核 保护整定计算 电能质量分析 电能质量测试 分析与评价 中性点接地方式及接地保护 单相接地电流测试 治理措施 改造方案,发现电网存在的问题和安全的隐患,指出电网需要更新或改造的薄弱环节,为更新改造和进一步规划发展,提供了科学的参考依据。,某矿地面供电系统(部分),某矿地面供电系统(部分),某矿井下供电系统(部分),随着煤矿生产自动化程度的提高,对煤矿供电系统安全稳定运行要求也越来越高。 我们煤矿机电人员应该熟悉并掌握煤矿供电系统的结构和特点,了解目前煤矿供电技术的发展,防患于未然,力争确保我们供电系统的可靠运行。,谢 谢 !,中 国 矿 业 大 学 电气安全与智能电器研究所 二OO八年四月 山西 阳泉,
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