煤矿供电系统.docx

1、煤矿供电系统第一章 煤矿供电系统目前，电力已成为煤矿生产的主要甚至是唯一的能源。可靠、安全、高质量和经济地供电，对保证安全生产、提高产品质量及提高经济效益具有十分重要的意义。第一节 概述一、电力系统电力系统是指由发电机、电力网和电力用户组成的统一整体。电力网是由输电线路和升（降）压变电站（所）组成，担负电力输送、分配和变换任务的网络。图1-1是电力系统示意图。问题：为什么要用高压、超高压输送电能？发电机的输出电压较低（3.1520kV），为能够大容量、远距离输电，必须将发电机生产的电能经升压变压器升压后输送到负荷中心。在负荷中心附近需设置降压变电站（所），将电压降低后再输送至用户。电力系统中各

2、发电厂之间以输电线路相连，称为并网发电。并网发电可以提高供电的可靠性，同时还可以提高发电厂和电力网的经济效益。煤矿是电力系统的用户，是电能的消费者，处于电力网的终端。全国电网分布图GIS变电所二、煤矿电源煤矿企业的电源一般来自电力网，只有少数煤矿从自备电厂取得电源。煤矿企业设有企业总变电所来接受电能，其受电电压为6110kV。煤矿企业总变电所必须至少有两个独立电源，通常两个电源来自电网的两个区域变电所或发电厂。煤矿企业从电网取得电源的方式有以下两种：1）双回路放射式如图2-2所示。煤矿1由电网的一个变电站（所）用两条输电线路供电，可靠性较高；煤矿2由电网的两个变电站（所）供电，可靠性更高。双回

3、路放射式的特点是：每个用户由两条专用输电线路供电，每条输电线路都能负担全矿的负荷，输电线路中间没有分支，不易发生故障，供电可靠性高。但建设和运行费用大。2）环式如图2-3所示。环式适用于向两个彼此之间相距较近，而离电源都较远，负荷容量相差不太大的煤矿供电。可以节约线路造价。三、额定电压等级为了便于电网的运行管理和电气设备生产的标准化，国家标准规定了全国统一的额定电压等级，电气设备都是按照额定电压设计和制造的，在额定电压下电气设备可以安全、高效的运行。电力系统额定电压等级见表l-l。表1-1 电力系统额定电压等级（kV）类型电网和用电设备的额定电压用途供电设备的额定电压变压器的额定电压原绕组副绕

4、组交流（0.127）0.220.38（0.66）（1.14）（3.3）61035110井下照明、煤电钻地面小型动力、照明地面中小型动力井下中小型动力综采工作面大型综采工作面短距离配电短距离配电中短距离输电中远距离输电（0.133）0.230.40（0.693）（1.2）（3.45）6.310.5（0.127）0.220.38（0.66）（1.14）（3.3）610，35110（0.133）0.230.4（0.693）（1.2）（3.45）6.3，6.610.5，1138.5121问题：为什么变压器的副边额定电压比电网额定电压高？四、煤矿对供电的基本要求鉴于电力供应在煤矿生产中的重要性，对煤矿供

5、电提出如下要求：1可靠供电可靠供电就是要求不间断供电。在煤矿中，各种电力负荷对供电可靠性的要求是不同的，为了能在技术经济合理的前提下满足不同负荷对供电可靠性的要求，把电力负荷分为三类。1） 一级负荷（一类负荷）凡因突然中断供电，可能造成人身伤亡事故或重大设备损坏，给国民经济造成重大损失或在政治上产生不良影响的负荷，均属一级负荷。如矿井的主通风设备一旦停电，可能导致井下瓦斯爆炸及人身伤亡重大事故；矿井主排水设备停电，会发生淹井事故。对一级负荷必须用两回电源线路供电，两条线路要来自煤矿变电所不同的母线段，互不影响。对有特殊要求的一级负荷，还应设置备用电源自动投切装置，以保证供电的绝对可靠。煤矿的一

6、级负荷有：矿井主通风机、副井提升机、矿井主排水泵、下山采区的主排水泵、高瓦斯矿井、煤（岩）与瓦斯（二氧化碳）突出矿井、低瓦斯矿井中高瓦斯区的煤巷、半煤岩巷和有瓦斯涌出的岩巷掘进工作面的局部通风机、向煤（岩）与瓦斯（二氧化碳）突出矿井自救系统供风的压风机、井下移动瓦斯抽放泵。一级负荷设备的控制电路和辅助设备，必须有与主要设备同等可靠的备用电源。矿井的瓦斯监测与环境监测系统、通信系统也必须有可靠的备用电源。2）二级负荷（二类负荷） 凡因停电，会造成大量减产或生产大量废品的负荷，属于二级负荷。如矿井集中提煤设备、综采工作面等。对中、小型煤矿的二级负荷一般由专用线路供电。为了减少长时间停电的影响，供电

7、设备应有一定数量的库存，以备及时更换，如图1-2中的用户1。对大型煤矿的二级负荷，也应有两个电源，两回路电源应引自变电所不同的母线段，如图1-2中的用户3。3）三级负荷（三类负荷）三级负荷是指除一级、二级负荷外的其它负荷。如煤矿的附属车间及生活设施等，对三级负荷供电一般采用单回路供电方式，多个三级负荷还可共用一条输电线路，如图1-4所示。在供电系统的结线设计、设备选择和运行中，要不惜代价确保一级负荷的供电不间断；而对三级负荷则更多地考虑供电的经济性。当电力系统因故障必须拉闸限电时，首先停三级负荷，必要时再停二级负荷，但必须保证一级负荷的用电。2安全供电安全供电就是在供电过程中，不发生人身触电、

8、电气火灾和由电气设备引发的瓦斯与煤尘爆炸事故。煤矿安全供电的三大任务是：电气防爆、电气防火、防触电。一般工业企业也应特别注意防火和防触电。3高质量供电电压和频率是衡量电能质量的主要指标。我国电网的额定频率为50Hz，其频率偏差不允许超过0.2Hz。电网频率由发电厂控制，用电企业无法改变，但用电企业有义务根据电网调度的指令调整本企业的负荷，配合电力系统调节频率。供电系统在运行中，送到用电设备的实际电压与额定电压总有一些偏差，此偏差值称为电压偏移。如果电压偏移超过允许的范围，电气设备的运行状态将显著恶化，甚至损坏电气设备。例如交流电动机，当电压过低时，电动机转矩急剧下降，起动困难，电流增大，运行温

9、度升高，加速绝缘的老化，甚至烧毁电动机；电压过高时，会造成电动机空载电流和铁损的增大，温度升高，过高的电压甚至会造成绝缘击穿，引起短路。一般电动机和照明灯的允许电压偏移为额定电压的5%。煤矿常见电压问题是靠近变压器的电压过高，可达额定电压的1.1倍以上；离变压器远的电压过低，可低于0.9倍的额定电压。当变压器出口处的电压偏高时，可通过电力变压器的调压分接头来调节，调节原则是当变压器在正常负载下运行时变压器出口处的电压等于或略高于电网额定电压。当输电线路远端的电压偏低时，可以通过增大线路导线截面来解决，详见第七章。4经济供电供电的经济性一般考虑三个方面：在满足技术要求的前提下，尽量降低企业变电所

10、与电网的基本建设投资；尽可能降低设备、材料及有色金属的消耗量；尽量降低供电系统的电能损耗及维护费用。第二节 电网中性点运行在三相供电系统中，发电机和变压器的中性点（N）与大地（E）的连接关系称为中性点的运行方式。中性点运行方式决定着电网发生单相接地故障后的状况与后果，与供电的可靠性、线路的保护方法及人身安全等密切相关。常见的中性点运行方式有中性点不接地和中性点直接接地两种。1中性点不接地电网问题：图中的电容是人为连接的吗？图l-5a所示为正常运行的中性点不接地三相交流电网，其中性点N与大地绝缘。由于电网的三相导线与地之间存在着分布电容、，所以在导线中产生了容性的附加电流、。在三相对地绝缘良好的

11、情况下，中性点电位与大地电位相等，各相的对地电压分别等于各相的相电压，且由于三相导线的对地电容也是对称的，因此各相对地电容电流、对称，且超前对应相电压90o，如图l-5b所示。设如图1-6a所示，电网W相发生金属性接地（即对地阻抗为零），则W相对地电压为零，即大地与W相等电位；其它两个非故障相对地电压变为电网的线电压（、），电压值为正常情况的倍，相位如图1-6b所示。这时两非故障相对地电容电流（、）也随之增大为正常时的倍，其相位超前于相应的线电压（、）90o。以地为节点，根据基尔霍夫电流定律，接地点的接地电流为，其数值为正常情况下相对地电容电流（、）的3倍，相位超前于接地相的相电压（）90o。

12、中性点不接地电网中单相接地电容电流，可按下列经验公式估算： （1-1）式中 IE接地点的接地电容电流，A；UN电网的额定电压，kV；L1同一电压等级电气连接的电缆线路总长度，km；L2同一电压等级电气连接的架空线路总长度，km。煤矿井下的高低压电网采用中性点不接地运行方式，其目的是减小单相接地电流和人体触电电流，有利于防火和防触电。在煤矿井下电网的高低压开关中安装有漏电保护装置，当发生单相接地、人触电或电网绝缘不足时，开关立即跳闸切断电源。中性点不接地电网出现单相接地时，接地点的接地电流通常在几安以下，不会立即损坏设备，系统的线电压仍保持对称，用电设备的运行不受影响。地面3kV63kV高压电网

13、是直接给用户输电的电网，采用中性点不接地的运行方式，可以减少用户因单相接地造成的停电，提高供电的可靠性。中性点不接地电网单相接地时，非接地相对地电压升高到电网的线电压，易使绝缘薄弱处击穿，造成严重的两相接地短路。因此，在地面中性点不接地电网中装有绝缘监视装置或接地保护装置，当发生单相接地故障时及时发出报警信号，值班人员尽快查找并排除故障，如有备用线路，应尽快将负荷转移到备用线路上去。规定单相接地后运行时间不应超过2小时，经2小时仍未消除故障时，应切除故障线路。2.中性点经消弧线圈接地中性点不接地电网，当接地电流超过一定限度（3kV6kV电网约为30A，10kV电网约为20A，35kV电网约为1

14、0A），接地点会产生断续电弧。断续电弧含有丰富的高次谐波，会在电网的电感与电容中产生高次谐波谐振过电压，其电压值可达额定电压的34倍，使绝缘击穿，造成短路故障。因此，接地电流超过一定限度的中性点不接地电网，宜采用中性点经消弧线圈接地的运行方式。中性点经消弧线圈接地电网如图1-7a所示。消弧线圈是一个有铁心的可调电感线圈，其电感量可通过改变线圈匝数或调节铁心空气间隙的大小来调节。在正常情况下，三相系统对称，各相对地电压与相电压相等，此时中性点与大地电位相等，中性点对地电压为零，消弧线圈中无电流。如图1-7b所示，当W相发生接地时，中性点对地电压和大小相等，相位相反。此时在消弧线圈中有电流通过，其

15、相位滞后于约90o，与非接地相对地电容电流的相量和（）反相，可以互相抵消，使接地电流数值减小。若消弧线圈的电感量调节合适，能使接地电流降到不起电弧的程度。中性点不接地运行方式和中性点经消弧线圈接地运行方式的电网接地电流都很小、所以称为小接地电流电网。3中性点直接接地电网我国110kV及以上电压等级的电网采用三相三线制的中性点直接接地电网；煤矿地面380220V低压动力与照明电网采用三相四线制或三相五线制的中性点直接接地电网。图1-8所示为三相四线制的中性点直接接地电网。中性点直接接地电网发生单相接地故障时，其它两相对地电压并不升高，因此电网中电气设备的对地绝缘水平只需按相电压设计。这对110k

16、V及以上的超高压电网具有很高的技术经济价值。地面380220V低压动力与照明电网，也采用中性点直接接地的运行方式。其目的是当高、低压电网间绝缘损坏，高电压窜入低压电网时，降低电网对地电压，是防止触电和保护低压设备的一项安全措施。当中性点直接接地电网发生单相接地时，故障相由接地点通过大地与中性点形成单相接地短路故障，将产生很大的短路电流，故称为大接地电流电网。短路电流会在短时间内损坏电气设备，引发火灾，必须立即切断电源。第三节 工矿企业变电所煤矿变电所担负着从电网接受、分配电能和变换电压的任务，是煤矿供电系统的枢纽。正确选择变电所的结线方式和变电所的位置，对煤矿供电系统的供电可靠性、经济性、供电

17、质量和经济运行至关重要。一、变电所的主结线变电所的主结线是指担负接受、分配电能和变换电压任务的各种电气设备之间的连接方式。主结线与供电的可靠性、操作运行的安全性、灵活性和经济性有着密切的关系。由于电网三相的对称性，主结线采用单线图形式绘制，只在必须表示三相之间的差别时才采用三相图形式。煤矿变电所常用的主结线如下：1线路变压器组结线线路变压器组结线如图1-9所示。根据变压器一次侧使用的开关不同，线路变压器组结线可有三种型式：一是采用跌开式熔断器作为进线开关；投资少，但操作不方便，只能用于室外；二是采用内装隔离开关和断路器的高压开关柜作为进线开关；三是煤矿井下采用矿用防爆高压配电箱作为进线开关。后

18、两者操作方便，安全性好。线路变压器组结线的供电可靠性差。只适用于向三级负荷供电的变电所。2单母线结线单母线结线如图1-10所示。母线是一段用来分支线路的导体，通过母线一个电源可以向多个用户配电。单母线结线简单，但供电可靠性差，一旦母线和电源进线出现故障或需要检修时，用户全部停电。因此，它只适用于对供电可靠性要求不高的变电所。用矿用防爆电气设备组成的单母线结线如图1-11所示。3单母线分段结线单母线分段结线如图l-12所示。电源进线至少有两路，分别接于不同的母线段上。母线的段数与电源进线个数相同，各段母线之间用开关连接，称为母线联络开关，简称母联。变电所的一级负荷，用双回路或环形供电方式，其两条

19、配出线必须分别接在两段母线上，以防因母线故障中断供电。只有一回电源线路的其它负荷，均匀分配在两段母线上。这种结线能保证重要负荷的供电可靠性，但当母线发生故障或检修时，将会有一半的单回路用户停电。适用于出线回路不太多、母线故障较少的变电所。大中型煤矿变电所多采用这种结线方式。用矿用防爆电气设备组成的单母线分段结线如图1-13所示。单母线分段结线有三种运行方式：一是母线联络开关处于断开状态，每个电源各带一半负荷，称为分列运行方式；当一个电源或一段母线发生故障时有一半配出线停电，但双回路供电的用户不会停电；二是将母线联络开关闭合，一个电源工作，另一个电源带电备用（热备用），系统处于单母线运行方式；当

20、工作电源或母线发生故障时会造成全部负荷短时停电；三是两个电源都工作，母线联络开关闭合，称为并列运行方式；并列运行必须有配套的继电保护装置，才能在发生故障时，准确地切除故障，避免全所停电。井下的开关上没有此类保护装置。煤矿变电所正常工作采用分列运行方式，特殊情况下采用单母线运行方式，只有在倒闸操作时短时间采用并列运行方式。4桥式结线桥式结线是单母线分段结线的特例。桥式结线的特殊之处是电源进线为两个或两个以上，而负荷侧的出线数目与进线数目相同，且负荷多为变压器。煤矿广泛采用如图l-14所示两路电源进线和两台主变压器的桥式结线，线路侧、变压器侧和母线联络开关上都装有断路器，操作运行灵活、适应性强，不

21、论是切换变压器还是切换线路都很方便，并易发展成单母线分段结线。上述几种常用结线以可靠性衡量，单母线和线路变压器组结线最差，单母线分段和桥式结线已能满足一般煤矿的要求。6变电所的配出线结线配出线结线是指企业变电所向其负荷供电时，配电线路的设备配置与连接方式。对容量较小、不重要的负荷，为了节省投资，可采用负荷开关配合熔断器进行控制和保护；对容量较大或重要的负荷应采用断路器和隔离开关组合。为了保证检修线路和断路器时的人身安全，在配出线断路器的母线侧必须装设隔离开关。具有双电源的重要负荷的配出线，为了防止在检修时发生负荷侧反送电事故，在断路器的两侧都需装设隔离开关。目前，广泛使用的移开式和手车式高压开

22、关柜以及矿用高压防爆配电箱均采用双隔离插销结构，与双隔离开关有相同作用。在停、送电操作时，必须严格按照顺序操作，即断路器与隔离开关之间：送电时，先合隔离开关，后合断路器；停电时，先分断断路器，后分断隔离开关。否则，会在操作隔离开关时发生弧光短路，危及人身和设备安全。两个隔离开关之间：送电时，先合母线侧隔离开关，后合线路侧隔离开关；停电时，先断开线路侧隔离开关，后断开母线侧隔离开关。防止发生隔离开关与断路器之间的误操作时。人为扩大事故范围。第四节 煤矿供电系统矿井供电系统由矿井地面变电所、井下中央变电所和采区变电所三级变电所构成，地面变电所的受电电压为6110kV，井下输配电高压为6 kV或10

23、 kV，用电设备电压多为660V和1140V，大功率电动机采用6kV或10kV供电。对矿井供电系统的主要要求是：（1）矿井应有两回路电源线路。当任一回路发生故障停止供电时，另一回路应能担负矿井全部负荷。矿井的两回路电源线路上都不得分接任何负荷。矿井电源线路上严禁装有负荷定量器。（2）10kV及其以下架空电源线路不得共杆架设。（3）（2009年新煤矿安全规程）井下各水平中央变(配)电所、采区变(配)电所、主排水泵房和下山开采的采区排水泵房的供电线路，不得少于两回路。当任一回路停止供电时，其余回路应能承担全部负荷的供电。向局部通风机供电的井下变(配)电所应采用分列运行方式。（4）主通风机、提升人员

24、的立井绞车、抽放瓦斯泵房等主要设备机房，应各有两回路直接由变(配)电所馈出的供电线路；受条件限制时，其中的一回路可引自上述同种设备房的配电装置。向煤（岩）与瓦斯（二氧化碳）突出矿井自救系统供风的压风机、井下移动瓦斯抽放泵应各有两回路直接由变（配）电所馈出的供电线路。上述供电线路应来自各自的变压器和母线段，线路上不应分接任何负荷。上述设备的控制回路和辅助设备，必须有与主要设备同等可靠的备用电源。（5）（2009年新煤矿安全规程）高瓦斯矿井、煤（岩）与瓦斯（二氧化碳）突出矿井、低瓦斯矿井中高瓦斯区的煤巷、半煤岩巷和有瓦斯涌出的岩巷掘进工作面正常工作的局部通风机必须配备安装同等能力的备用局部通风机，

25、并能自动切换。正常工作的局部通风机必须采用三专（专用开关、专用电缆、专用变压器）供电，备用局部通风机电源必须取自同时带电的另一电源，当正常工作的局部通风机故障时，备用局部通风机能自动启动。其他掘进工作面和通风地点正常工作的局部通风机可不配备备用局部通风机，但必须采用三专供电。1煤矿地面总变电所主结线与位置确定1）煤矿地面总变电所主结线图l-15 典型小型煤矿地面总变电所主结线图l-15为一典型的小型煤矿地面总变电所的主结线图。为了保证供电可靠性，变电所有两条6kV或10kV电源进线，采用单母线分段结线。一、二级负荷由接在不同母线上的双回路或环形回路供电。变电所内设置两台低压变压器供应地面380

26、/220V电网用电，变压器低压侧也采用单母线分段结线（图中省略）。图l-16 典型大型煤矿地面总变电所主结线图l-16为一典型的大型煤矿地面总变电所的主结线图。为了保证供电可靠性，变电所有两条35kV电源进线，35kV侧采用桥式结线，设置两台主变压器T1、T2，主变压器二次侧电网额定电压为6kV，采用单母线分段结线。一、二级负荷由接在不同母线上的双回路或环形回路供电。变电所内设置两台低压变压器供应地面380/220V电网用电，变压器低压侧也采用单母线分段结线（图中省略）。为了防止雷电入侵对电气设备的危害，架空进出线和各段母线均装有避雷器。为了提高功率因数，在两段6kV母线上分别装有补偿电容器组

27、。为了测量和保护，在两段母线上均装有电压互感器，各进出线均装设电流互感器（图中省略）。煤矿地面总变电所通常采用分列运行方式；也可以采用单母线运行方式，但备用电源线路必须采用带电备用（热备用），主变压器一般采用不带电备用（冷备用）。2）煤矿地面总变电所的位置确定确定煤矿地面总变电所位置时一般遵循以下几项原则：（1）变电所位置应尽量靠近负荷中心，进出线路要方便，大型设备的运输和消防车辆进出要方便；（2）具有适宜的地质条件，有防止地下水、雨水和洪水浸淹措施；应与其它工业建筑物保持足够的防火间距；（3）应考虑与邻近设施的相互影响，远离震动大的设备和易燃易爆的场所，应尽量避开污染源。因此，煤矿地面总变电

28、所一般设置在矿井工业广场边沿，离井口较近，远离储煤场和矸石山的地方。2煤矿井下中央变电所结线与硐室布置1）中央变电所主结线中央变电所是井下供电的枢纽，其主结线如图1-17所示。根据煤矿安全规程的规定，对井下中央变电所、主排水泵房和下山开采的采区排水泵房的供电线路，不得少于两回路；当任一回路停止供电时，其余回路应能担负全部负荷。所以，为了保证井下供电的可靠性，由地面变电所引至中央变电所的电缆数目至少应有两条，并分别引自地面变电所的两段6（10）kV母线。中央变电所的高压母线采用单母线分段结线方式，母线段数与下井电缆根数对应，各段母线通过高压开关联络。正常时联络开关断开，母线采用分列运行方式；当某

29、条下井电缆故障退出运行时，合上母线联络开关，恢复对该段母线负荷的供电。主水泵是井下中央变电所的一级负荷，但由于水泵总数中已包括备用水泵和检修水泵，因此每台水泵可用一条专用电缆供电，但所有水泵必须平均分配在各段母线上。当主水泵为低压时，配电变压器最少应有两台，变压器低压侧亦采用单母线分段结线，每台变压器的容量均应满足最大涌水期时需开动的全部负荷的供电要求。2）井下中央变电所的位置和硐室布置通常井下中央变电所设置在井底车场副井井底附近，与中央水泵房相邻。有条件时还应与电机车用的变流所联合建筑。井下中央变电所应特别注意防水、通风及防火问题。为了防水，变电所地面应比其出口与井底车场或大巷连接处的底板标

30、高高出0.5m。为了使变电所有良好的通风条件，当硐室长度超过6m时，必须在硐室的两端各设一个出口。硐室用砌碹或其他可靠方式支护，硐室必须装设向外开的防火铁门，铁门上应装设便于关严的通风孔，铁门内可加设向外开的铁栅栏门，平时铁栅栏门关闭，防火铁门打开，以利于通风，在发生火灾时，将防火铁门关闭，便于灭火和防止火灾蔓延；从硐室出口防火铁门起5m以内巷道应用砌碹或其他不燃性材料支护；硐室内还必须设置足够数量扑灭电气火灾的灭火器材。应将变压器与配电装置分开布置，高、低压配电装置分开布置。设备与墙壁之间，各设备之间应留有足够的维护与检修通道，完全不需要从两侧或后面维护检修的设备，可互相靠紧或靠墙放置。考虑

31、发展余地，变电所的高压配电设备的备用位置应按设计最大数量的20考虑，且不少于两台。低压设备的备用回路，也按最多馈出回路数的20考虑。3. 采区变电所主结线与硐室布置采区变电所是采区供电的中心，由井下中央变电所送来的高压电力，经采区变电所直接配送或降压后配送至采掘工作面及采区其他用电设备。1）采区变电所的结线根据煤矿安全规程的规定，采区变(配)电所的供电线路，不得少于两回路。当任一回路停止供电时，其余回路应能承担全部负荷的供电。供电线路应来自各自的变压器和母线段，线路上不应分接任何负荷。向局部通风机供电的井下变(配)电所应采用分列运行方式。高瓦斯矿井、煤（岩）与瓦斯（二氧化碳）突出矿井、低瓦斯矿井中高瓦斯区的煤巷、半煤岩巷和有瓦斯涌出的岩巷掘进工作面正常工作的局部通风机必须配备安装同等能力的备用局部通风机，并能自动切换。正常工作的局部通风机必须采用三专（专用开关、专用电缆、专用变压器）供电，备用局部通风机电源必须取自同时带电的另一电源，当正