煤矿供电技术及安全管理 周伯征

煤矿供电技术及安全管理煤矿供电必须作到安全可靠、经济合理，为此2005年1月1日实行的新版《煤矿安全规程》（以下简称规程），对煤矿供电作了相应更改和更严格的规定。一、煤矿供电电源规程441条规定：矿井应有两回回路电源线路。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。年产6万吨以下矿井采用单回路供电时，必须有备用电源；备用电源的容量应满足通风、排水、提升等一类负荷的要求。矿井的两回路电源线路上都不得分接任何负荷。正常情况下，矿井电源应采用分列运行方式。一回路运行时另一回路必须带电备用，以保证供电的连续性。规程442条规定：对井下各水平中央变（配）电所、主排水泵房和下山开采的采区排水泵房供电的线路，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。主要通风机、提升人员的立井绞车、抽放瓦斯泵等主要设备房，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。本条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。本条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。二、煤矿电能质量1、电能足够：变压器容量足够规程441条最后规定：矿井电源线路上严禁装设负荷定量器。2、电压稳定：各级电压波动不能超过±5%。升高不超过400V（380V）、690V（660V）、1200V（1140V）、6.3KV（6KV）、10.5KV（10KV）、37KV（35KV）；最低不超过361V（380V）、630V（660V）、1083V（1140V）、5.7KV（6KV）、9.5KV（10KV）、33.25KV（35KV）。电压超过额定电压，需采用降压措施，例如：串联电抗器或调节变压器的调压分接头的开关。电压过低应采用相应措施使电压符合要求，例如：调节变压器的调压分接头开关、加大供电电缆线路截面、对负荷实行分流、采用移动式变电站让高压深入负荷中心，减少低压供电距离。规程448条规定：井下各级配电电压和各种电气设备的额定电压等级，应符合下列要求：（1）高压，不超过10000V（新版规程将井下供电电压由6KV提高到10KV的原因是因为工作面负荷越来越重；供电距离越来越长；绝缘材料性能有所提高；安全技术有很大改进；管理越来越严。）（2）低压，不超过1140V。（3）照明、信号、电话和手持式电气设备的供电额定电压，不超过127V。（4）远距离控制线路的额定电压，不超过36V。采区电气设备使用3300V供电时，必须制定专门的安全措施。3、频率稳定：国家规定工业频率为50赫兹，正负不得超过3%。若低于48.5赫兹，低周波继电保护将会跳闸。4、规程449条同时规定：井下低压配电系统同时存在2种或2种以上电压时，低压电气设备上应明显地标出其电压额定值。三、煤矿井下配电变压器中性点禁止直接接地规程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。中性点直接接地系统又称大接地电流系统。若中性点直接接地，当电网一相绝缘破坏，而使一相导体接地时即为单相短路（这在井下岩石砸破电缆时经常发生），电网单相金属性接地电阻Rz很小，一般为10欧。中性点接地极和大地电阻更小，可忽略不计。在380伏电网中，经故障点入地的单相接地电流为）RUIzxa安培(22103/380式中，xaU为a相相电压，380为线电压。如此大的接地电流将在接地故障点产生一个很大的电弧，足以引起瓦斯、煤尘爆炸，十分危险。如此大的入地电流在地中形成流散的电位分布，如不小心使电雷管掉在单相接地点附近，将有可能造成电雷管先期爆炸，很危险。当人触及一相带电导体时，设人体电阻最小为Rr=1000欧（若忽略很小的接地极电阻），在380伏电网中，则流过人体的触电电流为22.010003/380rxarRUI（安培）=220（毫安）远远大于人触电危险电流30毫安，所以是很危险的。因此这种供电系统只能用于地面，而不能用于井下。因为地面供电系统大都是固定敷设，绝缘不易破坏，单相接地及人触电机会较少，又无瓦斯、煤尘燃烧爆炸危险（煤气泄漏除外），即使单相接地也可利用其很大的短路电流使电源侧的保护装置动作（例如保险丝烧断）来切断故障线路。在中性点禁止接地系统中，一相绝缘破坏，如a相接地，造成单相接地时其接地电流rUIxz3式中，xU为相电压；而r则为另两相导体对地绝缘电阻，即r=rc=rb，若rb、rc未破坏，正常值为几百万欧姆，所以此时入地电流很小，电火花能量也小，不会引燃瓦斯、煤尘爆炸燃烧（此处忽略电容电流的影响）。当人触及一相时，经推算，经过人体的触电电流为rRUIrxr33式中，xU为相电压，xU=xaU=xbU=xcU，380伏电网为220伏；Rr为人体最小电阻，取1000欧；r为另两相对地绝缘电阻值。可见，当另两相对地绝缘电阻r保持正常几百万欧姆的数值，流过人体的触电电流将大大小于使人触电身亡的危险电流30毫安。可以推算出在380伏供电系统中，只要保证电网对地绝缘电阻值r不小于19千欧，就可使人触电流小于30毫安（660伏电压下每相最低允许漏电电阻值为35千欧，3相动作电阻计算值11.7千欧，1140伏电压下每相最低允许漏电电阻值63千欧，三相动作电阻计算值21千欧）。因此，中性点禁止直接接地系统在煤矿井下使用要安全得多。这种供电方式因其单相接地电流小，所以又称小接地电流系统。其缺点是：出现单相接地故障，不易发现，另外，当电网对地电容较大时，人触及一相仍有触电危险。现在已广泛使用检漏继电器对该系统相对地的绝缘进行监视，绝缘降到危险值，检漏继电器将使电源开关自动跳闸，以保证安全。此外，检漏继电器还能对人身触电电流中的电容性电流进行补偿（即用电感性电流加以抵消）。因此《规程》第四百四十三条规定：向井下供电的变压器（发电机）中性点禁止直接接地。国外进口的综采设备中有供电变压器中性点经过消弧线圈（电抗器）间接接地的供电系统。采用供电变压器中性点经消弧线圈间接接地供电系统的主要目的是线路短路时产生的电容性电流由消弧线圈产生的感性电流来予以补偿（抵消）。通常采用过补偿方式：即使消弧线圈产生的感性电流大于线路电容性电流。这种方式不会因为部份线路退出运行而出现全补偿现象。因为全补偿时电感电流等于电容性电流，即消弧线圈的感抗与其它非故障相的电容容抗二者相等，正好构成串联谐振关系。由于系统在运行时并不严格对称（如三相对地电容不完全相等，断路器三相触头不同时闭合，以及存在单相负载等），使电源中性点存在一定的位移电压，它将在串联谐振回路中产生谐振过电压，危及电网及设备的绝缘，安全性极差，所以一般不采用全补偿。四、矿用电缆煤矿井下空气潮湿，巷道狭窄，有岩石冒落危险，为了保护供电可靠与安全，井下供电线路必须使用电缆（架线式电机车使用的架线除外）。矿井地面工业广场内各主要设备厂房供电以及这些设备厂房内的高低压配电也都使用电缆以保证安全用电。矿用电缆是矿井供电系统的大动脉，由于大量使用电缆，电缆受潮、受机械损伤造成漏电、短路等故障经常发生，是矿井供电安全方面一个最薄弱的环节，必须正确选择、安装、使用并精心维护好电缆。（一）矿用电缆的分类1、铠装电缆：铠装电缆结构如图4－1所示。图4－1矿用低压铠装电缆的一般构造示意图1－导电主线芯；2－相间油浸纸绝缘；3－黄麻衬芯填料；4－统包油浸纸绝缘；5－铅包层；6－防腐带；7－黄麻保护层；8－金属铠装层（1）芯线：有铜芯和铝芯两种。常用多股铜丝或细铝丝绞合而成，以增加可弯曲度。三相供电用三根导电芯线。（2）分相绝缘：每相导电线外缠上绝缘油浸纸绝缘，电缆额定电压等级越高，分相绝缘层就越厚。（3）统包绝缘：三相芯线加了浸渍了电缆绝缘油的麻芯(绳），既增加了相间绝缘，又减少了弯曲时相间芯线的摩擦。然后再将分相绝缘后的三相芯线外面再缠绕油浸纸绝缘，称统包绝缘。（4）铅护套：在统包绝缘外面再加一层无缝的铅皮，称铅护套，它既可防止绝缘油外泄，又可防止井下水气侵入而保护绝缘强度，铅包层和外面的钢带或钢丝铠装层一起还用作铠装电缆的接地线。地面还使用铝包层，但铝具有极强氧化性，一旦电缆短路，溅射出高温铝颗粒会和周围氧气剧烈反应而燃烧，极易引燃瓦斯煤尘爆炸，加之矿井酸性水（碱性水）对铝产生强烈的腐蚀作用，铝包会很快锈蚀，而使绝缘外露受损。所以“煤矿安全规程”467条规定，井下电缆严禁采用铝包电缆。就是铝芯电缆也只能用于进风斜井、井底车场及其附近，中央变电所至采区变电所之间通风良好的区域，其它地点必须采用铜芯电缆，尤其是采区低压电缆严禁采用铝芯。（5）铠装层：在内护层外再缠绕钢带或钢丝，以提高其电缆承受外力冲击和承受拉力的机械强度。（6）外护套：为防铠装层锈蚀，外部再缠一层浸油的黄麻外护层。但黄麻是易燃物，一旦电缆着火，会使火势蔓延，因此只使用于非燃性材料支护的巷道，且进入机电峒室时，要将黄麻外护层剥去。对可燃性材料支护的巷道则使用不带黄麻外护层的裸钢带铠装（或稞钢丝铠装）电缆。铠装层外刷防锈油或涂以沥青防锈。（7）矿用铠装电缆型号举例ZQ20—1—3×35—500长500米3根35mm2主芯线耐压1KV20裸钢带铠装，有“0”不带黄麻外护层，无“0”带黄麻外护层2钢带铠装，承受水平冲击力，用于45°以下巷道敷设3单层细钢丝铠装，可承受拉力，用于45°以上巷道，但垂直高小于100米5单层粗钢丝铠装，垂直井筒敷设铜芯（不标注字母）；若标“L”则为铅芯Q铅包层Z油浸纸绝缘包括分相绝缘及统包绝缘〉2、塑料电缆矿用塑料电缆其分相绝缘和统包绝缘都采用聚氯乙烯塑料或交联聚氯乙烯塑料，外部有铠装的，使用条件与油浸纸绝缘铠装电缆相同，但垂直落差不受限制。外部没有铠装的，与橡套电缆的使用条件相同。塑料电缆重量轻，护套耐腐蚀，绝缘性能好，敷设高差不受限制，条件适合时可优先选用。塑料电缆型号标注方法如下：VLV30-―-6—――3×35-－--600长600米3根35mm2主芯线耐压6KV30为裸钢丝铠装；29为内钢带铠装V聚氯乙烯护套L铝芯，无“L”为铜芯V聚氯乙烯绝缘VV、VLV型电缆，因护套未采用铅包，又无铠装（或内铠装）要专门增设一根接地芯线，以便在井下构成保护接地网，统称为四芯电缆。3、橡套电缆：（1）矿用橡套电缆分相绝缘和统包绝缘均采用不延燃的氯丁橡胶，当该电缆短路或其它原因着火时，氯丁橡胶将分解出氯气而使着火点与氧气隔绝而不会继续延燃，因此“煤矿安全规程”467条规定，煤矿井下必须选用取得煤矿矿用产品安全标志的阻燃电缆。矿用橡套电缆柔软性好，便于弯曲、运输和敷设，它大都是铜芯，以适合采掘工作面使用。（2）橡套电缆标注方法U—1---3×25+1×10---200长200米1根10mm2接地芯3根25mm2主芯线，铜芯耐压1KV矿用橡套电缆其余字母含义相同UCPUZUMP屏蔽矿灯用橡套电缆，特别柔软C采掘机用煤电钻用橡套电缆（加强型）U矿用橡套电缆（二）新型矿用电缆按照新的矿用电缆管理规定，目前煤矿使用的电缆必须具有煤矿矿用产品的安全标志，因此，有以下的新型矿用电缆被煤矿广泛采用。1、煤矿用额定电压10KV及以下铜芯固定敷设阻燃电力电缆（1）产品命名①电缆的命名由六部分组成：第一部分第二部分第三部分第四部分第五部分第六部分芯数×截面额定电压U0/U（KV）外护层护套（内衬层）材料代号绝缘材料代号系列代号其中：第一、第二、第三、第四、第五部分构成电缆的型号；第六部分构成电缆的规格。⑵命名标记第一部分：用大写字母M表示煤矿用阻燃电缆的系列代号。第二部分：用大写字母V表示聚氯乙烯绝缘材料代号；用大写字母YJ表示交联聚氯乙烯绝缘材料代号。第三部分：用大写字母V表示聚氯乙烯护套（内衬层）材料代号。当电缆有外护层时，本部分表示内衬层的材料特征。第四部分：电缆外护层型号，应按铠装层和外被层的结构顺序用阿拉伯数字表示。每一数字表示所采用的主要材料。在一般情况下，型号由2位数字组成。标准中所涉及的铠装层和外被层所用材料的数字及含义符合表4－1的规定。表4－1标记铠装层外被层或