煤矿1140V及以下电压等级的保护配置及整定计算方法培训教案.docx
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煤矿1140V及以下电压等级的保护配置及整定计算方法培训教案
煤矿1140V及以下电压等级的保护配置及整定计算方法
2013年05月
煤矿1140V及以下电压等级的保护配置及
整定计算方法
一、《煤炭安全规程》中关于电气保护的相关规定
第455条 井下高压电动机、动力变压器的高压控制设备，应具有短路、过负荷、接地和欠压释放保护。
井下由采区变电所、移动变电站或配电点引出的馈电线上，应装设短路、过负荷和漏电保护装置。
低压电动机的控制设备，应具备短路、过负荷、单相断线、漏电闭锁保护装置及远程控制装置。
第456条 井下配电网路（变压器馈出线路、电动机等）均应装设过流、短路保护装置；必须用该配电网路的最大三相短路电流校验开关设备的分断能力和动、热稳定性以及电缆的热稳定性。
必须正确选择熔断器的熔体。
必须用最小两相短路电流校验保护装置的可靠动作系数。
保护装置必须保证配电网路中最大容量的电气设备或同时工作成组的电气设备能够起动。
第457条 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。
井下低压馈电线上，必须装设检漏保护装置或有选择性的漏电保护装置，保证自动切断漏电的馈电线路。
每天必须对低压检漏装置的运行情况进行1次跳闸试验。
二、供电系统继电保护原理
1、继电保护的任务
①、监视电力系统的正常运行，当被保护的电力系统元件发生故障时，应该由该元件的继电保护装置迅速准确地给脱离故障元件最近的断路器发出跳闸命令，使故障元件及时从电力系统中断开，以最大限度地减少对电力系统元件本身的损坏，降低对电力系统安全供电的影响。
当系统和设备发生的故障足以损坏设备或危及电网安全时，继电保护装置能最大限度地减少对电力系统元件本身的损坏，降低对电力系统安全供电的影响。
（如：
单相接地、变压器轻、重瓦斯信号、变压器温升过高等）。
②、反应电气设备的不正常工作情况，并根据不正常工作情况和设备运行维护条件的不同发出信号，提示值班员迅速采取措施，使之尽快恢复正常，或由装置自动地进行调整，或将那些继续运行会引起事故的电气设备予以切除。
反应不正常工作情况的继电保护装置允许带一定的延时动作。
③、实现电力系统的自动化和远程操作，以及工业生产的自动控制。
如：
自动重合闸、备用电源自动投入、遥控、遥测等。
2、继电保护装置的组成
一般而言，整套继电保护装置由测量比较元件、逻辑判断环节和执行输出元件三部分组成。
1）测量比较部分
测量比较部分是测量通过被保护的电气元件的物理参量，并与给定的值进行比较，根据比较的结果，给出“是”、“非”（“0”或“l”）性质的一组逻辑信号，从而判断保护装置是否应该启动。
2）逻辑部分
逻辑部分使保护装置按一定的逻辑关系判定故障的类型和范围，最后确定是应该使断路器跳闸、发出信号或是不动作及是否延时等，并将对应的指令传给执行输出部分。
3）执行输出部分
执行输出部分根据逻辑部分传来的指令，最后完成保护装置所担负的任务。
如在故障时动作于跳闸；不正常运行时发出信号；而在正常运行时不动作等。
3、继电保护装置的基本要求
继电保护装置应满足可靠性、选择性、灵敏性和速动性的要求：
这四“性”之间紧密联系，既矛盾又统一。
A、动作选择性---指首先由故障设备或线路本身的保护切除故障，当故障设备或线路本身的保护或断路器拒动时，才允许由相邻设备保护、线路保护或断路器失灵保护来切除故障。
上、下级电网（包括同级）继电保护之间的整定，应遵循逐级配合的原则，以保证电网发生故障时有选择性地切除故障。
切断系统中的故障部分，而其它非故障部分仍然继续供电。
B、动作速动性---指保护装置应尽快切除短路故障，其目的是提高系统稳定性，减轻故障设备和线路的损坏程度，缩小故障波及范围，提高自动重合闸和备用设备自动投入的效果。
C、动作灵敏性---指在设备或线路的被保护范围内发生金属性短路时，保护装置应具有必要的灵敏系数（规程中有具体规定）。
通过继电保护的整定值来实现。
整定值的校验一般一年进行一次。
D、动作可靠性---指继电保护装置在保护范围内该动作时应可靠动作，在正常运行状态时，不该动作时应可靠不动作。
任何电力设备（线路、母线、变压器等）都不允许在无继电保护的状态下运行，可靠性是对继电保护装置性能的最根本的要求。
三、煤矿井下低压电网保护装置整定方法
1、短路电流的计算
1、选择短路保护装置的整定电流时，需计算两相短路电流值，公式1：
式中：
Id
（2）——两相短路电流，A
∑R、∑X——短路回路内一相电阻、电抗的总和，Ω
Xx——根据三相短路容量计算的系统电抗值，Ω
R1、X1——高压电缆的电阻、电抗值，Ω
Kb——矿用变压器的变比，若一次电压为6000V,二次电压为400，690，1200V时，变比依次为15、8.7、5；一次电压为3000V,二次电压为400V时，变比为7.5；
Rb、Xb——矿用变压器的电阻、电抗值，Ω
R2、X2——低压电缆的电阻、电抗值，Ω
Ue——变压器的二次侧的额定电压，对于380V网络，Ue以400V计算；对于660V网络，Ue以690V计算；对于1140V网络，Ue以1200V计算；对于127V网络，Ue以133V计算。
利用公式1计算两相短路电流时，不考虑短路电流周期分量的衰减，短路回路的接触电阻和电弧电阻也忽略不计。
若需计算三相短路电流值时，可按下式计算:
Id（3）=1.15Id
（2）（公式2）
式中Id（3）——三相短路电流，A
2、两相短路电流还可以用计算图表的方法查出。
即根据变压器的容量、短路点至变压器的电缆换算长度，及系统电抗、高压电缆的折算长度，从表中查出两相短路电流。
电缆的换算长度可根据电缆的截面、实际长度，从表中直接查，也可以用公式3计算得出。
LH=K1L1+K2L2+……+KnLn+Lx+KgLg
式中：
LH——---电缆总的换算长度，m
K1+K2+……+Kn+Kg——换算系数，各种截面电缆的换算系数可以从附表中差得，
L1+L2+……+Ln——各段电缆的实际长度，m
Lx——系统电抗的换算长度，m
Kg——6KV电缆折算至低压侧的换算系数，
Lg————6KV电缆的实际长度，m
电缆的换算长度，是根据阻抗相等的原则将不同截面和长度的高、低压电缆换算到标准截面的长度，在380V、660V、1140V系统中，作为以50㎜2作为标准截面;127V系统中，以4作为标准截面㎜2标准截面。
附表中的短路电流曲线，是根据下列参数作出的：
变压器采用KSJ、KS9、KBSG、KSGB、KBSGZY、KSG型变压器参数；电缆的芯线电阻值选用芯线允许温度65摄氏度时的电阻值；电缆芯线的电抗值按0.081Ω/km计算；线路的接触电阻和电弧电阻均忽略不计。
2、短路保护装置
1）、馈出线的电源端均需加装短路保护装置。
低压电动机应具备短路、过负荷、单相断线的保护装置。
2）、当干线上的开关不能同时保护分支线路时，则应靠近分支点处另行加装保护装置。
3）、各类短路保护装置均应进行计算、整定、校验，保证灵敏可靠，不准甩掉不用，并禁止使用不合格的短路保护装置。
3、低压开关保护器的电流整定
馈电开关中用的是电子式保护器，其保护整定按下列办法整定:
1）、过载保护按实际负荷的电流近似值进行整定：
Iz≤Ie（公式4）。
整定范围为馈开的额定电流的0.4——1倍。
２）、短路保护整定分为对保护电缆干线和保护电缆支线。
对保护电缆干线的装置用公式5：
Iz≥IQe+Kx∑Ie
式中：
Iz——过流保护的电流整定值，A
IQe——容量最大的电动机的额定起动电流，对于有数台电动机同时起动的工作机械，若其总功率大于单台起动的容量最大的电动机功率时，IQe则为这几台同时起动的电动机的额定电流之和，A
∑Ie——其余电动机的额定电流之和，A
Kx——需用系数，取0.5—1。
对保护电缆支线的装置用公式6
Iz≥IQe
煤矿井下常用的电动机的额定起动电流和额定电流可以从附表中查出，如没有这种电机的数据，可以从电动机的铭牌或技术资料中查出其额定电流，并计算出电动机的额定起动电流近似值。
鼠笼电动机，其近似值可用额定电流乘以６；对绕线式电动机，其近似值可用额定电流乘以１.５。
对于某些大容量采掘机械设备，由于位处低压电网末端，且功率较大，起动时电压损失较大，其实际起动电流要大大低于额定起动电流，若能测出实际起动电流，则式中的IQe应以实际起动电流计算。
３）、按规定计算整定值后，还应用两相短路电流值进行校验，即公式7
Id
（2）/Iz≥1.5
式中：
Id
（2）——被保护电缆干线或支线距变压器最远点的两相短路电流值，A
Iz——过电流保护装置的短路保护的电流整定值，A
1.5——保护装置的可靠动作系数。
短路整定的保护范围是3——10倍过载整定电流。
若线路上串联两台及两台以上开关时，则上一级开关的整定值，也应按下一级开关保护范围最远点的两相短路电流来校验，校验的灵敏度应满足1.2——1.5的要求，以保证双重保护的可靠性。
若经校验，两相短路电流不能满足公式7的要求，可采取以下措施:
加大干线或支线的电缆截面；设法减少低压电缆的长度；采用相敏保护器或软启动等新技术提高灵敏度；换用大容量变压器或采取变压器并联；增设分段保护开关；采用移动变电站或移动变压器。
4）、电磁起动器中的电子保护的电流整定
用公式8进行：
Iz≤Ie
式中：
Iz——保护器中的过流整定值，取电动机的额定电流的近似值，A
Ie——电动机的额定电流，A
当运行中的电流达到Iz值时，即视为过载，电子保护器将延时动作；
按上述办法选择出整定值后，也应该以两相短路电流值进行校验，应符合当运行中的电流达到Iz值8倍及以上时，即视为短路，电子保护器瞬时动作。
公式9：
Id
（2）/8Iz≥1.2
式中：
8Iz——电子保护器的短路保护值，A
1.2——保护装置的可靠动作系数，如不能满足公式9的要求，应采取的措施也是上述的6条。
5）、熔断器熔体额定电流的选择
1200V及以下的电网中，熔体的额定电流可按下列规定选择。
对保护电缆干线的装置按公式10选择：
Ir≈
+∑Ie
式中：
Ir——熔体额定电流，A
Iqe——容量最大的电动机的额定起动电流，对于有数台电动机同时起动的工作机械，若其总功率大于单台起动的容量最大的电动机功率时，Iqe则为这几台同时起动的电动机的额定电流之和，A
∑Ie——其余电动机的额定电流之和，A
1.8-2.5——当容量最大的电动机起动时，保证熔体不熔化系数，对于不经常起动的和轻载起动的可取2.5；对于频繁起动和带负载起动的可取1.8—2。
如果电动机起动时电压损失较大，则起动电流比额定起动电流小的多，其所取的不熔化系数比上述数值可略大一些，但不能将熔体的额定电流取得太小，以免在正常工作中
由于起动电流过大而烧坏熔体，导致单相运转。
对保护电缆支线的装置按公式11选择：
Ir≈
对保护照明负荷的装置，按公式12选择：
Ir≈Ie
式中Ie——照明负荷的额定电流，A
选用熔体的额定电流应接近计算值。
低压隔爆开关中的熔断器及熔体规格可从表中查的。
选用的熔体，应按公式13进行校验：
Id
（2）／Ir≥（４――７）
式中：
４―７为保证熔体及时熔化的系数,当电压为1140V、660V、380V,熔体额定电流为100A及以下时,系数为7；电流为125A时，系数为6.4；电流为160A时，系数为5；电流为200A时，系数为4；当电压为127V时，不论熔体额定电流大小，系数一律取4。
四、馈电开关的保护功能
1）、过电压保护
分为：
内部过电压保护：
主要采用压敏电阻（高压隔爆配电箱）、阻容吸收装置（馈电开关、磁力起动器）进行防护。
2）外部过电压保：
主要采用避雷针、避雷器、接地等措施进行防护。
RC为阻容吸收器，当电网出现电压时，通过阻容吸收，消除过电压的危害。
过电压整定值：
110%-120%Ue
2）、欠压保护
由于短路故障等原因，线路电压会在短时间内出现大幅度降低甚至消失的现象。
它会给线路和电器设备带来损伤。
例如：
使电动机疲倒、堵转，从而产生数倍于额定电流的过电流，烧坏电动机；当电压恢复时，大量电动机的自起动又会使电动机的电压大幅度下降，造成危害。
引起电动机疲倒的电压称为临界电压。
当线路电压降低到临界电压时，保护电器的动作，称为欠电压保护，其任务主要是防止设备因过载而烧毁。
当本路电压低于临界电压保护电器才动作的称为失压保护，其主要任务是防止电动机自起动。
欠压保护整定值：
50%-85%Ue动作时间：
1-240s可调。
3）、过载保护
防止主电源线路因过载导致保护器过热损坏而加装的过载保护设备。
电气线路中允许连续通过而不至于使电线过热的电流量，称为安全载流量或安全电流。
如导线流过的电流超过了安全载流量，就叫导线过载。
一般导线最高允许工作温度为65°C。
过载时，温度超过该温度，会使绝缘迅速老化甚至于线路燃烧。
在机械中，在轴超过所能承受的负载时，过载保护可以防止过载而造成的器械损坏。
发生过载的主要原因有导线截面选择不当，实际负载已超过了导线的安全电流；还有“小马拉大车”现象，即在线路中接入了过多的大功率设备，超过了配电线路的负载能力。
采用反时限进行计算，整定值为（0.2-1）Ue
过载电流
动作时间
脱扣状态
1.05
2小时
冷态
1.2
0.2-1小时
热态
1.5
90-180s
热态
2
45-90s
热态
4
14-45s
热态
6
8-14s
冷态
4）、短路保护
Iz≥IQe+Kx∑Ie动作时间＜100ms
式中：
Iz——过流保护的电流整定值，A
IQe——容量最大的电动机的额定起动电流，对于有数台电动机同时起动的工作机械，若其总功率大于单台起动的容量最大的电动机功率时，IQe则为这几台同时起动的电动机的额定电流之和，A
∑Ie——其余电动机的额定电流之和，A
Kx——需用系数，取0.5—1
本节将了解短路的原因及危害，掌握短路的种类，并知道短路电流计算的基本方法。
短路时至三相电力供电系统中，相与相或相与地的导体之间非正常连接。
在电力系统设计和运行中，不仅要考虑正常工作状态，而且还必须考虑到发生事故障碍时所照成的不正常工作状态。
实际运行表明，在三相供电系统中，破坏供电系统正常运新的故障最为常见而且危害最大的就是各种短路。
当发生短路时，电源电压被短接，短路回路阻抗很小，于是在回路中流通很大的短路电流。
对中性点不接地的系统又相遇相之间的短路；对于中性点接地的系统又相遇相之间的短路，一项于几项与大地相连接以及三相四线制系统中相与零项的连接等，其中两相接地的短路实际上是两相短路。
常见的短路形式如图3—1所示
2.短路的基本种类
在三相供电系统中，短路的类型主要有：
（1）三相电路
三相短路是指供电系统中，三相在同一点发生短接。
用“d（3）”表示，如图3-1a所示。
（2）两相电路
两相短路是指三相供电系统中，任意两项在同一地点发生短接。
用“d
（2）”表示，如图3-1b所示。
（3）单相电路
单相短路是指在中性点直接接地的电力系统中，任一项与地发生短接。
用“d
（1）”表示，如图3-1c所示。
（4）两相接地电路
两相接地的短路是指在中性点直接接地的电力系统中，不同的两项同时接地所形成的两相短路，用“d（1-1）”表示，如图3-1d所示。
按短路电流的对称性来说，发生三相短路时，三项阻抗相等，系统中的各处电压和电流仍保持对称，属于对称性短路，其他形式的短路三相阻抗都不相等，三相电压和电流不对称，均为不对称短路。
任何一种短路都有可能扩大而造成三相短路。
因为短路后所产生的电弧，会迅速破坏向自家的绝缘，形成三相短路。
这种情形在电缆电路中，更为常见。
由于煤矿供电系统大都为小接地电流系统，且大都距大发电厂较远，故单相短路电流值
一般都小于三相短路电流值，而两相短路电流值亦比三相短路电流值小。
另外，供电系统中：
发生单相短路的可能性最大，一般只发生在中性点直接接地系统或三相四线制系统中，而发
生三相短路的可能性最小；但三相短路的短路电流最大，，因此造成的危害也最严重。
为了使电力系统中的电气设备在最严重的短路状态下也能可靠地工作，在作为选择和校验电气设备用的短路计算中，要以三相短路计算为主。
3.短路的原因
造成短路的原因，，主要有以下几个方面：
（1）在绝大多数情况下，绝缘的破坏是由于未及时发现和消除设备中的缺陷，以及设计、安装和维护不当所造成的，例如过电压、直接雷击、绝缘材料的老化、绝缘配合不当和机械损坏等。
另外，设备长期过负荷运行，使绝缘加速老化或破坏。
（2）运行人员由于违反安全操作规程发生误操作，如带负荷断开隔离开关或检修后未撤接地线就合断路器等。
（3）线路断线、倒杆。
鸟兽跨接裸露的导电部分而发生短路。
（4）在含有损坏绝缘的气体或固体物质地区，而未考虑电气间隙与爬电距离（应符合相关国家标准）等。
4.短路的后果
在供.电系统中发生短路将产生以下破坏性的后果：
（1）电流的热效应
由于短路电流比正常工作电流大几十倍至几百倍，这将使电气设备过热，绝缘损坏，甚
至把电气设备烧毁。
（2）电流的电动力效应
巨大的短路电流通过电气设备将产生很大的电动力，可能引起电气设备的机械变形、扭
曲甚至损坏。
（3）电流的电磁效应
交流电通过导线时，在线路的周围空间产生交变电磁场，交变电磁场将在邻近的导体中
产生感应电动势。
当系统正常运行或对称短路时，三相电流是对称的，在线路的周围空间各
点产生的交变电磁场彼此抵消，在邻近的导体中不会产生感应电动势；当系统发生不对称短
路时，短路电流产生不平衡的交变磁场，对线路附近的通信线路信号产生干扰。
（4）电流产生电压降
巨大的短路电流通过线路时，在线路上产生很大的电压降，特别是靠近短路点处电压降
低很多，使用户的电压降低，影响负荷的正常工作（电动机转速降低或停转，白炽灯变暗或熄灭），还可能破坏部分或全部用户的供电。
在煤矿供电系统中，短路电流可达数千安培至数万安培的数值，如此巨大的短路电流通过电气设备导体时，必然产生很大的电动力和热的破坏作用。
随着短路点距电源的远近和持续时间的长短不同，其破坏作用可能局限于一部分，也可能影响整个电力系统。
短路电流越大，持续时间越长，对政障设备的破坏程度越大。
短路电流所产生的电动力能形成很大的破坏力，如果导体和它们的支架不够坚固，可能遭到难以修复的破坏。
这样大的短路电流即使通过的时间很短，也会使设备和导体引起不能允许的发热，从而损坏绝缘，甚至使金属部分退火、变形或烧坏。
供电系统发生短路时将产生上述后果，故在供电系统的设计和运行中，必须设法消除可
能引起短路的切因素。
为了尽可能减轻短路所引起的后果和防止故障的扩大，一方面，要计算短路电流以便正确选择和校验各电气设备，保证在发生短路时各电气设备不致损坏；另一方面，一旦供电系统要发生短路故障，.应能迅速、准确地把故障线路从电网中切除，以减小短路所造成的危害和损失。
为了防止发生短路所造成的危害及限制故障范围的扩大，需要进行一系列的计算及采取
相应措施，以保证供电系统在正常或故障的情况下：
安全、可靠地运行，减小短路所来的损失和影响。
掌握短哮电流的计暮方法很重要.，车票用于解决下列技术问题号
1.选择校验电气设备
在选择电气设备时，需要计算出可能通过电气设备的最大短路电流及其短路电产生的
热效应及电动力效应，；以便校验电气设备的热稳定性和动稳定性，确保电气设备在运行中不受短路电流的冲击而损坏。
2.确定选择和校验继电保护装且以及所帘的各种参数上为了确保继电保护装置灵敏、可靠、有选择性地切除电网故障。
，在选择、整定雏电保护装置时，需计算出保护范围末端可能产生的最小两相短路电流，用于校验继电保护装置动作灵敏度是否满足要求。
3.选择限流的措施和限流装置
当短路电流过大造成电气设备选择困难或不经济时，可在供电线路串接限流装置来限制
短路电流。
是否采用限流装置，须通过短路电流的计算来决定，同时确定限流装置的参数，以确保电气设备不被蟑路电流损坏。
4.选择供电系统的主接线和运行方式。
不同的接线和浑行方式，短路电流的大小也不同。
在判断接线及运行方式是否合理时，
必须计算出在某种接线和运行方式下的短路电流才能确定，以便判断哪种主接线方式更能保
障供电的安全和可靠，然后再决定系统的主要运行方式。
5.确定事故原因
根据故障的实际情况，进行故障分析，找出事故的发生原因。
因为电力系维的实际情况比较复杂，在实际计算中常采用近似计算的方法,L将计算条件进行假设和简化。
其计算条件简化如下：
1.系统在正常运行时是三相对称的，计算短路电流时忽略负荷电流。
2.不考虑铁磁饱和现象，认为电抗是常数；系统各元件的磁路不饱邴，即各元件电抗值与电流大小无关，所以在计算可以庳用叠加原理。
3.当短路系统中的电阻值小于电抗值的1/3时.,电阻值可以忽略，按纯电抗电路计算。
4.除远距离高压输电线路外，一般不考虑电网电容电流。
5.变压器的励磁电满略去不计，相当于励磁由坑回断开，这样可简化变压器的等值电路。
6.在1140V以下的低压电网中发生短路时，可认为变压'器上次侧电压末变。
按假设简化条件计算的短路电流值偏大，其误差为l0%~15%。
煤矿井下低压电网是中性点绝缘的供电系统，只可能发生三相短路或两相短路，为此井下低压电网需计算的短路参数只有Id（3）、和Id
（2）两个。
其中，最大三相短路电流主要用来校验设备及电缆的分断能力及热稳定；最小两相短路电流主要用来校验保护装置的灵敏度。
井下低压电网的短路计算与高压电网的短路计算有以下几点不同.：
{1）元件电阻不能忽略
煤矿井下供电电网为电缆线路，其电阻比电抗大。
所以在计算井下电网，尤其是计算低压电网的短路电流时，必须考虑电阻。
其单位长度电阻ro，据电缆截面.查有电工手册得出厂再乘以电缆的长度即得电缆电阻。
电缆电阻也可以接下式计算：
式中L——线路长度，m；
A——导线截面积，mm2；
sc——电导率，m/（
·mm2）。
⑩注意
在计算井下低压最小两相短路电流时，需考虑电揽在经路负荷电流而使温升高，造成电导率下降以及囚多股级使电增大等因素。
所以，电缆的电阻应按最高工作温度下的电导率计算，其值见表3—3。
（2）井下低压缆的电抗可由式（3—10）求得，平均电抗x.o取0.06-0.08
/km。
（3）考虑电弧电阻，Rea=0.01
。
（4）井下变压器阻抗的计算
井下变压器因容量小，故每鹆组的电阻也大于电抗，敌不能角计算其阻&I公式来讣
算电抗。
其完整的公式为：
式中
PNt____变压器的短路损耗〔铜损），W、
PNt设备产品样本提供；
UNt——变压器二次额定电压，kV。
实际计算时.矿用变压器的每相电阻和电抗，可直接由有关电工手册查出。
（5）需计算的珲路参数与短路点
井下低压电网采用中性点不直接接地的运行方式,短路故障只有三相短路和两相短路两种类型。
短路回路电压与每相阻抗相同的情况，三相短路电流大于两相短路电流。
由于线路始端的三
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