井下低压供电范文

井下低压供电范文（精选7篇）

井下低压供电 第1篇

关键词：煤矿,井下供电,低压供电

不同于地面上的优越环境, 煤矿井下环境十分恶劣, 不仅空间狭小, 而且大多潮湿, 为煤矿井下低压供电带来的天然的障碍。而随着各种机械设备的不断发展, 煤矿开采的机械化程度不断提高, 对供电系统提出了更高的要求, 造成各种变压器、启动器等分布密度较大, 而在煤矿开采的实际过程中, 经常会出现浓度较高的瓦斯或者煤尘, 这就会带来爆炸危险。并且, 由于煤矿井下潮湿的环境, 变压器、启动器等供电设备容易产生短路等故障, 造成整个供电系统安全可靠系数的直线下降。所以, 必须重视煤矿井下低压供电系统的安全建立。

1 煤矿井下低压供电系统必须重视的三个方面

1.1 电路过流的保护

在电路的运行过程中, 如果电流超过额定的数值就会产生过流现象, 不仅会对电气设备造成较大损伤, 而且容易引发安全事故。引起电路过流的原因很多, 主要是电路短路、超负荷运行等, 所以, 为了保护供电系统的安全运行, 必须对煤矿井下低压供电电路进行过流保护的处理, 方便及时发现问题并解决问题, 从而可以有效保证供电系统的安全。

1.2 供电系统中的漏电保护

由于煤矿井下的环境特殊性, 如果供电系统发生漏电现象, 就有可能会造成人身触电的事故, 甚至会引发瓦斯煤尘以及电雷管的爆炸, 极大的威胁到煤矿井下工作人员的人身安全。而且, 如果电路漏电得不到及时解决, 就会造成电气设备的进一步恶化, 从而引发更加严重的安全事故。

1.3 供电系统的保护接地

在进行煤矿井下低压供电系统建立的时候, 要重视电气设备的接地保护, 也就是做好接地系统和电气设备的电气连接, 便于故障设备的漏电流通, 使漏电电流保持在安全范围内。相反, 如果没有做好电气设备的漏电保护工作, 就会导致电气设备外壳携带电流, 人们不慎接触之后, 会有大量电流和大地电容形成回路, 造成难以想象的安全事故。

2 煤矿井下低压供电系统中的问题

2.1 建立煤矿井下低压供电系统中的实际操作问题

在进行煤矿井下低压供电系统的安装过程中, 由于煤矿井下环境的特殊性, 会出现实际安装和理论供电设计不一致的问题。比如在电缆的安装中, 理论设计中只使用同一种截面的电缆对同一电路供电, 但是在实际情况中, 往往不能够根据理论设计进行, 而是用了其他截面的电缆进行供电, 这样, 如果选用了截面较小的电缆, 就容易发生电缆长时间持续发热的问题, 严重的情况会引起设备着火甚至瓦斯爆炸等。而在电气设备的安装, 就会经常忽略换向开关的额定容量, 导致开关设备长时间超负荷运行, 造成巨大的安全隐患[1,2,3]。

2.2 煤矿井下供电距离长的问题

随着煤矿采掘机械化的不断提高, 煤矿井下低压供电系统的复杂程度也是直线上升。比如面对更加高功率掘进设备的不断增加, 不能运用超长距离供电的供电方式。这是因为在大功率设备运行中, 会对超长供电线路造成巨大的负担, 容易导致各种事故的发生。此外, 超长供电电路下, 不能够及时发现电路故障, 就不能够及时解决问题, 就可能会引发电器设备着火, 进而引起瓦斯爆炸、煤尘爆炸等, 极大地威胁到煤矿矿井以及工作人员的安全。

2.3 煤矿井下局部通风机的供电问题

在煤矿低压供电系统的实际建设中, 关于局部通风机的供电铺设, 很多煤矿并不能严格按照相关规定进行, 导致出现了很多问题。有的通风机电路并没有采用专用线路, 从而造成通风机电路一旦出现问题, 两台通风机都不能正常运行的现象。此外, 还有的把生产用电和局部通风机用电安排在同一电路, 加大了供电的联系, 但是一旦出现问题, 就可能导致整个供电系统不能正常运行。

2.4 煤矿井防爆电器的安全问题

我国当前的防爆电器主要运用的还是两腔隔爆型的形式, 包括接线腔以及主腔, 在主腔内设计有机械闭锁结构, 但是在接线腔内并没有任何的机械闭锁结构设计, 存在在非常大的弊端。并且, 在对煤矿井下防爆电器进行检修的时候, 不允许带电打开防爆器外壳, 而在实际的操作过程中, 由于条件的限制以及工人素质的情况限制, 会在检修过程中出现误操作以及违章操作的情况, 导致安全事故的发生, 严重影响到煤矿井下的人身安全[4]。

3 煤矿井下低压供电系统问题的改进策略

3.1 严格规范煤矿井下低压供电系统的实际安装

在煤矿井下低压供电系统的建设过程中, 首先要做到科学合理的规划, 提前做好煤矿井下低压供电系统的供电设计, 并且在实际的安装过程中, 要严格按照供电设计的要求进行安装, 保证供电设计的实际安装效果。特别是关于电气设备的防爆、完好的要求, 要严格遵照相关规定标准进行。此外, 要对供电系统的安装过程进行严格的监督, 切实保障整个供电系统的安装质量。这样, 才能有效保证煤矿井下供电系统的安全性, 促进供电系统的安全运行, 才能切实保证矿井以及工作人员的安全。

3.2 重视解决供电系统中超长距离供电的问题

在煤矿井下低压供电系统的建设过程中, 关于超长距离供电的问题一定要给予极大重视。首先, 针对超长距离供电的问题, 可以采用增大供电网络电线的截面, 提高供电电线的负荷能力。其次, 可以运用大容量移动变压站的方式, 极大地减轻供电电线的供电压力, 保证供电电线的工作效率。然后, 可以在电路中增设分段保护开关, 有效保护供电电路安全。此外, 运用新科技技术, 提高线路供电的灵敏度, 增加供电效率。最后, 为了保证掘进设备能够正常运行, 还可以增加供电的电压等级, 保证掘进设备的正常供电。

3.3 供电网络要根据实际情况实行分离形式

在进行供电网络的铺设过程中, 不能够一味的把电路都投入到统一电路中, 而是要根据实际情况的需要, 并且结合安全需要, 灵活的对供电线路进行分离。比如, 关于煤矿井下局部通风机, 就要使用专用的变压器, 并且还要和备用电源分开, 使它们处在不同的母线上面。而且, 还要对备用电源的容量以及开关整定进行严格的检查, 要保证必须能够满足局部通风机包括其他设备同时运行的需要, 这样才能够有效保证局部通风机的正常运行[5]。此外, 局部通风机的专用电路也要进行严格的检查, 要进行漏电保护的设置, 保证供电电路的安全。

3.4 严格遵照规范井下防爆电器的检修

对于煤矿井下防爆电器的检修工作, 一定要按照相关规定, 进行定期的检修工作。而在检修人员进行检修的时候, 要时刻注意自身安全, 提高安全意识, 严格遵照检修规范进行检修。在对防爆电器进行开盖检查、维修时, 一定要注意先断开电源, 并且保证不能随意搬迁电气设备, 要时刻意识到, 只有电气设备断电了才是安全的, 才能保证检修人员的安全。

4 总结

在煤矿井下工作时, 安全才是最重要的, 只有保证井下供电系统的安全, 才能够促进煤矿井下供电安全、人身安全、设备安全。因此, 在进行煤矿井下低压供电系统的建设过程中, 不仅要重视过流保护的问题, 还要避免漏电产生的安全事故的发生, 更要做好电气设备的接地保护, 提高电气设备和工作人员的操作安全性。此外, 还要着重加强井下供电系统的管理, 提高各种安全问题的解决效率和效果, 保证整个供电系统的供电安全, 也才能保证工作人员的人身安全, 从而促进煤矿的高效发展。

参考文献

[1]高兰恩.我国煤矿井下低压供电系统可靠性分析与对策[J].煤矿机械, 2012, 33 (12) :207-209.

[2]杨发长.浅析煤矿井下低压供电系统[J].科技情报开发与经济, 2007 (24) :274-276.

[3]庄后顺.煤矿井下低压供电系统探析[J].山东工业技术, 2014 (17) :115-116.

[4]李晓超.关于煤矿井下低压供电系统安全供电的研究[J].城市建设理论研究, 2014 (11) :66-67.

浅谈煤矿井下供电低压漏电保护系统 第2篇

关键词：煤矿,选择性,漏电保护,动作值

1 选择性煤矿井下低压漏电保护系统

漏电故障是井下低压供电系统发生次数最频繁的故障, 在总故障中的比例高达80%以上。煤矿井下漏电事故的发生不仅会引起人身触电, 而且还有可能导致瓦斯、煤尘爆炸严重的还会提前引爆电气雷管。因而, 漏电保护系统成为煤矿井下供电保护的重中之重。目前, 漏电保护技术的发展趋势是选择性漏电保护系统, 它只切除漏电故障线路和设备, 保证非故障部分继续工作, 减小由于漏电故障而造成的停电范围, 便于寻找漏电故障的原因, 缩短漏电停电时间。煤矿井下选择性漏电保护主要采用零序电流方向保护和零序功率方向式漏电保护。

1.1 零序电流型漏电保护 (如图1)

如果上图中的电网发生漏电, 漏电电阻越小, 电网中性点对地电压就会越高, 由上图可知电网中性点对地电压VN就是零序电压V0。所有非故障支路零序电流Ig0之和为故障支路的零序电流Ig0。电网中, 流过故障支路的零序电流是所有非故障支路零序电流的总和。而各非故障支路只流过本支路的零序电流的值必然小于故障支路的零序电流的值。因此, 可以在各支路首端装设零序电流互感器, 利用它就可以反应各支路零序电流的大小, 可以作到有选择性地漏电保护。

1.2 功率方向型漏电保护

在混合式 (含有干线式和放射式) 低压电网中, 电容和电阻的并联是电网的地阻抗。由公式:V0=VN=VA0+VB0+VC0, Ig0i= (VN/Zi) 3可知, 非故障支路零序电流超前零序电压0°~90°;由KCL定律分析可知, 故障支路零序电流则滞后零序电压90°~180°。零序功率方向型漏电保护就是利用零序电流或零序电压的幅值大小来判断某一供电单元内是否有漏电事故的发生, 同时利用各支路的相位关系来寻找发生漏电故障所在的支路, 有选择性地切断漏电故障支路。当电网中某支路发生人身触电事故或漏电故障时, 取样电路就会从电网中取出零序电压和各支路的零序电流信号进行放大整形, 然后通过比较相位判别出发生故障的支路, 最后启动执行电路从而切断故障支路的电源, 这样就实现了有选择性的漏电保护。

2 煤矿井下低压漏电保护动作值的研究

在我国, 煤矿井下供电时绝对不允许中性点直接进行接地, 即规定必须采用中性点不接地系统, 中性点不接地系统所发生的漏电事故大多数为单相触电事故。在相电压作用之下, 电流经电网三相绝缘电阻与其它两相对地电容和人体而形成一个闭合回路。与通过人体的电流有关的因素为:系统电压、人体电阻、线路对地电容及电网绝缘电阻等。流过人体或接地点的电容电流可以通过检漏继电器采取零序电抗器提供的感性电流进行补偿, 这样与单相漏电电流有关的因素就只有三相电网绝缘电阻了。我们以电网电压660V为例进行计算, 若流过人体电流为30mA, 当电网的绝缘电阻比35kΩ低时, 在这种情况下人体若触电, 流经人体的漏电电流就可能比30mA要大, 然而这在供电中是禁止的。因此, 如果网络的绝缘电阻低于35kΩ时, 我们必须采取一定的措施来提高网络的绝缘电阻, 以保障供电的安全进行。电网电压为660V时, 馈电开关的漏电闭锁值为22kΩ, 这种情况下网络的绝缘电阻必须上升到闭锁值的1.5倍, 也就是网络的绝缘电阻必须近似于甚至高于35kΩ时才可送电。考虑到三相电网的漏电阻对直流为并联通路, 其检漏继电器漏电动作值整定为:

当任一相漏电电阻低于11kΩ时 (即网络绝缘低于35kΩ) , 检漏继电器动作, 为了实现漏电保护, 开关就会跳闸。但是如果漏电动作值均设定为11kΩ, 一旦某处的绝缘电阻低于11kΩ时, 就有可能出现多台检漏继电器同时跳闸甚至越级跳闸, 从而影响整套供电线路。为避免这样情况的发生, 首先我们要从馈电开关的制造设计上着手电气标准规定馈电开关的漏电闭锁值, 电压1140V时漏电闭锁值为40kΩ, 660V时漏电闭锁值为22kΩ, 380V时漏电闭锁值为7kΩ只有当网络的绝缘电阻值上升到闭锁值的1.5倍时才允许送电。基于此我们提出一种假设:将总控和分控漏电闭锁值实现分档可调, 总控开关控制的设备比分控开关多控制的网络比分控开关远, 总绝缘的设定肯定要低于分控开关网络绝缘电阻, 实现漏电闭锁值在安全范围内的可调, 分控开关漏电闭锁值的设定比总控开关高, 一旦某处网络绝缘下降, 开关可以及时进行闭锁, 缩小了停电的范围。同样漏电保护动作值也可以在安全范围内做到分档可调660V网络中漏电保护动作值设定在11kΩ~35kΩ之间, 其次在漏电动作时间上设定在0s~1s之间。总控开关的漏电动作值不得低于11kΩ, 总控开关的动作时间可延时比分控稍长一些;分馈开关漏电动作电阻值的设定要略高于总控开关, 一般设定在13kΩ左右, 动作时间不作延时。这样在分控开关负荷侧发生漏电故障时, 分控开关总是优先于总控开关动作, 减少掉电区域, 不致大面积掉电, 缩小因网络绝缘降低造成的掉电事故。

3 结语

漏电保护是煤矿井下供电系统的重要保护之一, 对于煤矿井下低压系统, 单相漏电故障是中性点不接地系统中最经常发生的故障, 容易造成煤矿瓦斯爆炸, 威胁人身安全, 因此, 做好煤矿井下供电低压漏电保护是煤矿安全生产的重要一环。

参考文献

[1]刘道华.对煤矿井下低压漏电保护的探讨[J].安全用电, 2007, 10.

[2]张华军.选择性煤矿井下低压供电漏电保护系统[J].应用科技, 107～113.

[3]米启超, 赵红梅.煤矿井下低压电网选择性漏电保护研究[J].煤矿机械, 2008, 29 (1) :154～155.

井下低压供电 第3篇

1 原理方法

1)附加直流源

电网发生漏电故障的主要表现特征之一就是对地绝缘电阻的下降,附加直流电源检测主要是通过直流电源,向系统中注入直流,这个直流就可以实现低压电网绝缘水平的连续检测。这里我们可以通过直流继电器和千欧表显示的直流电流值来对绝缘电阻的大小进行判断。这里我们需要选定一个参数来进行动作值得整定。根据正常状态下的绝缘电阻值制定一个动作电流值,这个动作值是判断漏电发生与否的一个标准。把检测到的绝缘电阻值与动作值比较,当小于动作值时,触发继电器动作,馈电开关跳闸。

附加直流检测式漏电保护的最大优点是它的保护范围能覆盖整个低压供电单元,故障跳闸不受故障类型(对称的或不对称的)、发生时间和地点的影响。但由于附加直流检测式漏电保护而言,保护没有选择性。在低压电网供电单元内无论何时何地发生漏电,都将引起总开关跳闸,造成的停电面积特别大。如果恢复正常状态的动作,尤其是远离总开关配电点的供电,需要一定的时间和人工操作。

2)零序功率方向保护

零序功率方向保护是具有选择性的漏电保护方法。这种保护方法不仅仅能够判断电网是否发生不对称漏电,最主要的是它可以判断出漏电支路,具有选漏的功能。零序功率方向保护在实践中有许多选线判据,其中比较常见的,早已运用到实际保护装置中的方法有脉冲比较法、相敏整流法和过零触发法。

2 系统构成

从功能的角度来看,本文选择性漏电保护器的研究设计分为两个部分,总馈电开关保护装置和分支馈电开关保护装置。总馈电开关保护装置完成包括对绝缘电阻的检测,实时计算绝缘电阻值,实时显示电网的绝缘情况。而分支馈电开关处需要对所在支路零序电压零序电流信号进行精确采集。当检测到的电网绝缘电阻值降到动作值以下,各分支处理器将计算出本支路零序电流的幅值和功率零序功率传输给总控制器,总控制器首先提取出零序电流幅值最大的三条及以上,然后根据零序功率的数值判断选出漏电支路。然后控制器驱动继电器跳闸,实现选择性漏电保护。

3 软件设计

井下低压电网发生漏电时的判断流程为:正常工作时保护系统要进行初始化和自检程序,根据绝缘电阻的值是否低于动作值对电网进行漏电真判断,低于作为漏电,不低于则不漏电。若判断出系统发生漏电事故,则根据分支模块传输的零序功率和零序电流幅值进行双重判断,在选择出的三组电流幅值上最大的支路上判断功率,若大于0,则为漏电。判断出漏电故障后则主控制器控制继电器跳闸,切断故障支路的电源,同时显示漏电支路,同时经通信线路向上位机实时传输数据信息,从而达到选择性漏电保护。若判断出支路后100ms内分支开关拒动,则控制器发出跳闸命令,防止开关拒动。主程序流程图如图5所示。

4 系统仿真

1)仿真模型

本系统中使用的电力系统仿真软件为MATLAB(Matrix Laboratory),根据井下低压电网的实际需要,仿真得到漏电故障信号,其中包括零序电压和零序电流。将采集到的故障信号按照本文提出的选择性漏电保护的方法进行漏电判断,从而来验证本文所设计的方法准确性和可靠性。本系统中电压等级为660V,频率为50Hz.

2)仿真结果

系统发生单相接地故障的零序电压和零序电流波形如图6-2所示。系统发生故障后大约有一个周期的暂态过程。经过信号处理模块,系统暂态过程的高频谐波分量大多被滤掉,故障线路的零序电压和零序电流的相位和幅值近似满足本文中所述的故障相零序分量的关系。分析图6中所示的零序电压和三路分支处的零序电流,可以判断系统发生漏电,漏电支路为3支路。

本选择性漏电保护装置的设计可以有效的避免了因为总控制器的故障而导致的整个系统的停电,减小了故障影响的范围,同时又有利于故障的检修。

参考文献

[1]孙尚斌.基于模型参数辨识的矿井电网漏电保护[D].西安:西安科技大学,2012.

[2]王永进.基于DSP的漏电保护器的理论和研究[D].西安:西安科技大学,2011.

[3]方威.矿井供电系统选择性漏电保护理论及其应用研究[D].镇江:江苏大学,2009.

[4]张玲玲.矿井低压供电系统选择性漏电保护理论及其应用研究[D].阜新:辽宁工程技术大学,2006.

井下低压供电 第4篇

1 漏电保护装置的发展现状

不同于井下高压供电系统检漏保护装置技术和产品的成熟发展, 对于井下低压系统的检漏保护装置, 现今还不十分成熟, 其稳定性和准确性都有待提高。

煤矿井下低压系统中应用的检漏保护装置按其动作方式可分为电流型和电压型, 其中电压型因其结构复杂、价格昂贵、稳定性差而较少使用。而电流型的检漏保护装置按原理可分为附加直流电源检测、零序电流保护原理、多次谐波选择性漏电保护原理和零序电流方向保护原理。其中零序电流漏电保护装置是通过检测线路中零序电流来检测对地绝缘电阻的, 在中性点不接地系统中应用效果较好。但随着中性点经消弧线圈接地系统的发展, 零序电流漏电保护装置因其易受消弧线圈的影响而导致误差较大的缺点渐渐突显出来。附加直流漏电保护因其可忽略消弧线圈的影响而受到关注。但是附加直流漏电保护的选择性较差, 停电范围较大, 而五次谐波选择性漏电保护易于查找故障线路。

因此, 本文主要介绍附加直流漏电保护以及五次谐波选择性漏电保护两种适合应用在中性点经消弧线圈接地的煤矿井下低压系统中的漏电保护。

2 附加直流漏电保护

2.1 附加直流漏电保护原理

附加直流电流检测就是在大地与电网之间附加独立的直流电源信号, 通过附加直流检测回路的电流来检测三相线路对地电流大小, 通过三相线路对地电流大小来判断故障线路[2]。在不发生漏电故障的时候, 电网对地绝缘水平很高, 因此附加直流检测回路中的电流很小;在发生漏电故障的时候, 电网对地绝缘水平明显下降, 因此附加直流检测回路中的电流明显增大。当判断出检测回路中的电流达到预设的动作电流值时, 可通过切断主回路来实现漏电保护

2.2 附加直流漏电保护动作值确定

在保证人身触电的安全性为前提的情况下, 考虑到我国煤炭安全规程规定的我国煤矿井下人身触电的安全电流值为30m A[3], 在忽略电网电容的情况下, 可计算得在0.66k V的煤矿井下电压下允许的电网最小漏电电阻值为35kΩ, 对于三相漏电故障, 漏电动作电阻值为11.7kΩ。

一般取漏电闭锁电阻值为漏电动作值的两倍, 实际采用22kΩ。同理可得在1.14k V下应选取的漏电闭锁电阻值为40kΩ。

2.3 附加直流漏电保护的不足

此种漏电保护方式虽然结构简单、工作可靠, 但是除了电容电流补偿静态性以及动作时间长等问题之外最大的不足就是无选择性, 主回路的切断大大扩大了停电范围。

3 五次谐波选择性漏电保护

3.1 五次谐波选择性漏电保护的原理

由于单相接地故障电流中存在着以五次谐波分量为主的谐波信号, 且五次谐波电流的大小和方向不会受消弧线圈太大的影响 (仅相当于基波分量所受影响的1/25) , 所以通过检测及分析五次谐波对故障线路进行选择。除此之外, 在系统正常运行时负荷电流中谐波含量很小, 但在发生故障的其比例较为可观, 便于发现和测量。

在发生单相接地故障的情况下, 负荷电流中的五次谐波分量在故障线路中最大, 相位滞后于五次谐波零序电压;而在非故障相中, 其较小且相位超前于五次谐波零序电压。故障相与费故障相的五次谐波分量相位相差180度, 即相位是相反的。

由于煤矿井下低压系统出线较多, 且存在干扰和谐波污染等现象, 为安全可靠的选出故障线路, 可通过五次谐波的大小找出可疑线路, 再通过其相位情况来确定接地故障情况, 故障线路的五次谐波零序电流相位与正常线路相位相反, 对可疑线路进行多次对比, 方向与其他线路相反的线路为故障相。

3.2 五次谐波的计算方法

在系统工作的期间对线路进行不间断五次谐波零序电流数据采集, 将采集后的五次谐波零序电流数据通过傅里叶算法进行分析计算, 得到其幅值与相角。

3.3 五次谐波选择性漏电保护的不足

五次谐波选择性漏电保护的选线方式易受煤矿井下低压电网电压质量的影响, 尤其是在谐波污染较为严重的情况下, 难以保证五次谐波选择性漏电保护装置可以灵敏准确快速的选择出故障线路。因此, 单独使用此种方式进行选线技术还是不完善的。此种方式可以作为综合选线的一种判据, 与其他判据相互结合, 共同选出故障线路。

4 结束语

本文分析了漏电保护装置的发展现状以及重点介绍了附加直流漏电保护、五次谐波选择性漏电保护两种可应用于煤矿井下低压系统中的漏电保护。分析了两种保护的各自的不足, 通过分析, 可以发现在合适的条件下, 两种保护可以相互结合, 以附加直流漏电保护为主保护, 辅以五次谐波选择性漏电保护, 共同实现可靠、安全、快速的选择故障线路并切断, 减小停电范围。

参考文献

[1]国家安全生产监督管理总局.煤矿安全规程[M].北京:煤炭工业出版社, 2011.

[2]王小华.低压漏电保护新技术的研究[J].煤矿机电, 2008.

[3]国家安全生产监督管理总局.煤矿安全规程[M].北京:煤炭工业出版社, 2011.

井下低压供电 第5篇

中国矿山井下低压配电系统广泛采用IT系统接地型式[1]。从人身触电防护的角度来看,该系统相比TN系统和TT系统更为安全。然而,长期以来人们对IT系统接地技术在理解和应用上还存在些许偏差。本文首先从IT系统的第一次接地故障原理着手,讨论接地故障电流及其与接触电压的关系,以期纠正GB 50070—2009《矿山电力设计规范》中的错误概念;其次通过比较IT系统与TN系统发生触电时的情况,定量分析井下采用IT接地系统的优势。

1 IT系统第一次接地故障原理

IT系统的配电源中性点不接地或经高阻抗接地,而电气设备外露可导电部分接地。图1为经高阻抗接地的IT系统典型原理,其中点划线表示IT系统内发生第一次接地故障时故障电流的路径。假设电源中性点的接地阻抗Zct=1 500Ω,外露可导电部分的接地极与保护导体PE线电阻之和RnA=5Ω。当发生第一次某一相接地故障时,经过接地故障点存在2个接地电流:Id1,它是与故障相电压同相的电阻性电流,由故障相经接地故障点及外壳接地线,再经过Zct构成回路,该电流不流过RnA;Id2, 它是超前相电压90°的电容电流,由故障相经接地故障点及外壳接地线,再经过RnA、非故障相电缆和大地之间的电容构成回路,该电流不流过Zct。接触电压Uf=Id2RnA,正常环境下Uf≤50V是安全的, 在井下则规定为Uf≤36V。线路越长,线路电容越大,Id2越大,Uf越高;RnA越小,Uf越低。因此,Zct对Uf 实际上没有影响,误把Id1当成Id2与RnA相乘求得Uf是不恰当的。如果Id1=0,该系统便转换为中性点绝缘系统。

图1 经高阻抗接地的IT 系统典型原理

2 GB 50070—2009第4.1.3条探讨

GB 50070—2009第4.1.3条规定:井下低压配电系统接地型式应采用IT系统,配电系统电源端的带电部分应不接地或经高阻抗接地,且配电系统相导体和外露可导电部分之间第一次出现阻抗可忽略的故障时,故障电流不应大于5A。

其中“故障电流不应大于5A”的依据最早来自YS 5030—1996《有色金属 矿山电力 设计规范》第3.1.3条规定的条文说明。该条文解释大概含义:低压配电网在采用不接地方式时有2种情况发生,一是当采用常规检漏继电器进行接地保护时,由于井下潮湿,继电器经常处于动作状态,所以现场常装而不用,造成无接地保护状态;二是新的绝缘监测装置处于试用阶段且成本高,不利于推广。因此,考虑借鉴国外的经电阻接地方式。低压配电网中性点经电阻接地是在配电变压器的中性点接入适当的电阻 器,限制其发生单相接地的接地电流为一较小值(如可不超过5A)。将单相故障电流限制到5A,是为了保证井下的人身安全。因为即使井下接地电阻增大到4Ω时,对地电压为接地故障电流5A与接地电阻4Ω的乘积,其数值等于20V,也是相当安全的[2]。从上述条文解 释中可看 出,YS 5030—1996是用电阻性电流Id1与变压器中性点接地电阻的乘积来考量接触电压Uf的大小,从而判断影响人体安全的程度。

根据GB 16895.21—2011/IEC 60364-4-41: 2005《低压电气装置第4-41部分:安全防护电击防护》的规定,IT系统带电部分必须是对地绝缘或通过高阻抗接地,即变压器 中性点不 接地或经 大于1 000Ω以上的高阻抗接地;外露可导电部分的接地电阻无论采 用何种接 地型式,都应满足RnAId2≤50V的条件[3]。按照GB 50070—2009的规定,在井下接触电压小于等于36V,井下接地电阻不应大于2Ω。若取RnA=2Ω,RnAId2≤36 V,则Id2≤18A,完全符合IEC 60364-4-41:2005规定,但该取值范围却大于GB 50070—2009第4.1.3条规定的“故障电流不应大于5A”,很显然“故障电流不应大于5A”的规定不是依据IEC 60364-4-41:2005而来的。

若要求故 障电流不 大于5 A,对于井下380/220V低压电网中性 点所连接 的接地电 阻为46Ω即可,但中性点接46Ω的电阻则不能称之为IT系统,只能叫做小电阻接地系统。采用小电阻接地系统的目的是为了保证漏电保护装置的可靠动作,而与接触电压Uf无关。IT系统应满足的2个条件:一是电源中性点不接地或经高阻抗接地;二是保证接地电容电流与保护阻抗的乘积不大于接触电压。而对于IT系统中保护阻抗和电容电流的大小不做规定。实际在井下IT系统中,电容电流Id2达不到18A,即使是5A也很难达到。因此,“故障电流不应大于5A”的规定是没有必要的。

3 基于IT和 TN 系统的触电计算与分析

3.1 IT 系统泄漏阻抗计算

在IT系统中每相对地都存在泄漏电阻和泄漏电容,一般1km长的电缆每相泄漏电阻R1=R2= R3=10MΩ,每相泄漏电容C1=C2=C3=0.6μF。当电源 频率f =50 Hz时,角频率ω =2πf≈314rad/s。由1/Req=1/R1+1/R2+1/R3可得1km长电缆的等效电阻Req≈3.33 MΩ,等效电容C=C1=C2=C3=0.6μF,等效容抗Xeq=1/3Cω≈1 769Ω,等效阻抗Zeq为等效电阻与等效容抗的并联,由于等效电阻远远大于等效容抗,所以工程计算时可忽 略等效电 阻,即等效阻 抗Zeq= Xeq = 1 769Ω。

3.2 IT 系统触电分析

利用戴维南定理对IT系统单相接地故障进行等效处理,如图2所示。其中U0为相电压;RN为保护接地电阻;RU为PE保护线电阻;Rf为故障点电阻。故障电流If=U0/(Zeq+RN+RU+Rf)≈U0/ Zeq,接触电压Uf=IfRU,其中U0=220 V,RU= 2Ω。当线路长度为1km时,If=U0/Zeq=220 V/ 1 769Ω≈0.12 A,Uf=IfRU =0.12 A×2Ω= 0.24V;当线路长度 为30km时,If=30U0/Zeq= 30×220V/1 769Ω≈3.73 A,Uf=IfRU= 3.73A×2Ω=7.46V。

图2 IT 系统单相接地故障

人体电阻 变动范围 很大,IEEE Std80—2000《交流变电站接 地安全导 则》选用人体 电阻Rb= 1 000Ω。IT系统出现第一次接地故障时,当人触摸带电金属外壳,加到人体上的接触电压Uf=7.46V (线路长度为30km),远远小于安全电压36V,且流过人体内的电流Ir=Uf/Rb=7.46mA,也远远小于安全电流30 mA,所以当井下采用IT系统发生间接触电时,不会给人身带来伤害,IT系统发生接地故障时仍可持续供电。

一般带电导体都有防护和隔离措施,然而,当防护失效或隔离不当时,不排除直接触电的可能性。 当IT系统发生直接触电,线路长度为1km时,加在人体上的电压为[4]

则人体所承受的电流Ib=Ub/Rb=108.3 V/ 1 000Ω≈108mA。

当线路长 度为30km时,等效电容C=30×0.6μF=18μF,代入式(1)可得Ub≈219.6V,Ib≈220mA。由此看来IT系统发生直接触电时也是非常危险的。

3.3 TN 系统触电分析

图3为TN系统单相接地故障[5]。当考虑标称相电压U0=220V、线路上有20% 的压降时,间接接触电压Uf=0.8U0/2=88V,间接接触电流Ir= Uf/Rb=88V/1 000Ω=88mA。当发生直接触电事故时,加在人体上的电压Ub=U0=220V,此时人体所承受的电流Ib=Ub/Rb=220V/1 000Ω= 220mA。计算结果表明,TN系统中无论是发生直接触电还是间接触电,其加于人体上的电压和电流均大于安全值。

图3 TN 系统单相接地故障

4 结语

井下低压供电 第6篇

随着电子技术和网络技术的发展, 运用电力线作为载体传输信号得到了越来越多的应用。目前, 低压电力线通信多采用OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing, 正交频分复用) 通信技术和扩频通信技术[1]。煤矿井下用电设备种类繁多, 低压电力线信道的多径效应明显, 扩频通信技术难以在这种环境中得到有效的应用。另外试验表明, 传统的基于DFT (Discrete Fourier Transform, 离散傅里叶变换) 的OFDM通信技术在信道上存在严重的ISI (Inter-Symbol Interference, 符号间干扰) 和ICI (Inter-Carrier Interference, 信道间干扰) , 使得接收端具有很高的误码率[2]。为了实现煤矿井下低压电力线高速通信, 本文采用Daubechies小波基, 建立了基于小波变换的OFDM算法。仿真结果表明, 该算法对减小ISI和ICI, 提高井下低压电力线的通信性能具有积极意义。

1基于DFT的OFDM算法

OFDM通信技术是一种多载波调制技术, 可以在抗多径干扰、信号衰减的同时保持较高的数据传输速率[3]。传统的OFDM系统的工作原理是将串行的高速数据流转换成若干个并行的低速数据流, 经过IDFT (Inverse Discrete Fourier Transform, 离散傅里叶反变换) 将数据调制在相互正交的子通道上分别进行传输。在接收端, 对采样信号进行离散傅里叶变换实现原始数据的解调, 再经并串转换恢复原始数据。传统的OFDM电力线通信系统结构如图1所示。

传统的OFDM电力线通信系统采用的是基于DFT的OFDM算法, 其调制方式多为PSK (Phase Shift Keying, 相移键控) 或QAM (Quadrature Amplitude Modulation, 正交振幅调制) [4]。设N为子载波数目, T为OFDM符号的有效持续时间, di为第i个子信道上的数据信号, fc为第0个子载波的载波频率, rect (t) =1, |t|

由于:

所以各个子载波之间是正交的[3-4]。

可用式 (3) 对式 (1) 中第k个子载波进行解调:

式中:dk为对第k个子载波解调恢复的数据, 而其他的子载波在积分区间中包含了差频的整数倍周期, 直接积分为零, 使得预期数据的解调恢复没有干扰[5]。

目前基于DFT的OFDM算法已经得到较为广泛的应用, 但是依然存在2个问题:其一, 煤矿井下的低压电力线信道并非理想的信道, 具有较强的噪声干扰和明显的多径效应, 在这种信道上传输数字信号必会影响各子信道的正交性, 影响信号的正常接收;其二, 对信号进行DFT变换时, 实质上对信号有一个截断过程, 这一截断过程相当于信号与一个时长为Ts的矩形脉冲相乘, 因而具有sin x/x函数形状的频谱, 前后2个数据帧会有比较大的频谱重叠, 容易产生较大的ISI和ICI[7]。

2基于小波变换的OFDM算法

针对基于DFT的OFDM算法存在的问题, 提出将基于DWT (Discrete Wavelet Transform, 小波变换) 的OFDM算法用于煤矿井下低压电力线通信, 并选用在时域和频域都具有紧支撑特性的Daubechies小波函数作为OFDM算法的正交基。

小波是一种特殊的长度有限、平均值为0的波形。设 Ψ (t) 平方可积, 即 Ψ (t) ∈L2 (R) , 若 Ψ (t) 的傅里叶变换满足条件 :

则称 Ψ (t) 为一个基小波。每一个基小波 Ψ (t) 在L2 (R) 上的积分小波变换定义为

式中:a, b∈L2 (R) , 分别为尺度参数和位移参数, 且a≠0 , 为 Ψ 的共轭 。

实际应用中需要将a, b离散化。离散小波变换可定义为

式中:m为频率范围指数;n为时间步长变化指数。

离散小波变换能同时提供时间轴上函数本身的正交性和正交子空间中各函数基的相互正交性, 且能更好地对抗窄带干扰。

通常采用MALLAT算法来实现信号的离散小波变换。MALLAT算法即快速二进小波变换算法, 这一算法在小波分析中的地位很重要, 它是将函数按照不同频率通道的成分分解, 每一频率通道又按照相位分解, 频率越高相位划分越细, 频率越低相位划分越粗[8]。如果选定了空间Vm和尺度函数φ, 且满足φm是规范正交的, 则{Ψmn;m, n∈Z}也是规范正交的。MALLAT小波分解算法如图2所示。

实际应用中, 将对信号f的采样定义为Ck0= (f, Φ0，k) , 用dj表示信号在尺度j下的各级离散细节信号, 用cj表示信号在第j级分辨率下对信号的各级平滑逼近。引入系数h, g可得

离散重构信号在第j-1分辨率下的离散近似MALLAT算法如图3所示。

本文选用Daubechies小波基来设计OFDM算法。Daubechies小波基对应的多尺度函数和小波函数可表示为

式中:φ (t) 为尺度函数;Ψ (t) 为小波函数;hk, gk分别为低通和高通滤波器的冲击响应。

由MALLAT算法和滤波器组理论可知, 所选定的小波函数可以看成高通滤波器, 尺度函数可以看成低通滤波器。因此, 在发送端, 各子载波信号的合成相当于小波的重构;在接收端, 各子载波信号的提取相当于小波的分解。图4为基于小波变换的OFDM系统框图。

采用基于小波矩阵扩展的方法, 得到信道传输函数的冲击响应为

式中:τ为通道的超量延迟, 是正整数;c1, c2为冲击函数δ (n) 的系数。

信号经过煤矿井下低压电力线后的输出r (n) 表示为

式中:y (n) 为发送端各子载波信号合成的数据; hj (n) 为发送端的各子载波信号经多速率转换和滤波器的级联运算后得到的等效滤波器;n为各子载波的采样系数;η (n) 为加性噪声。

根据图4和式 (10) , 可将系统接收端的输出x′i (n) 表示为

式 (11) 的最后2项分别为ISI、ICI干扰信号。

3 2种OFDM算法的性能仿真分析

假设在信道上传输的信号频率为15 MHz, 则根据香农采样定律可知最低采样速率为30 MHz, 则标幺化的超量延迟为 τ=4。 根据式 (10) 及式 (11) , 可得到ISI和ICI的功率计算公式:

根据式 (12) 在选取的信道上进行了仿真试验, 测试传统的OFDM算法和基于小波变换的OFDM算法的性能并进行比较。图5给出了2种OFDM算法在不同子载波 (或通道) 数下各自抗干扰的能力比较。 图5中, D4, D6, D8, D10分别表示Daubechies小波族的25阶小波, 其离散小波的滤波器长度分别为4, 6, 8, 10。

由图5可以看出, 基于小波变换的OFDM算法的综合干扰明显低于传统的OFDM算法。

传统OFDM算法的功率谱密度频谱如图6所示。

从图6可以看出, 在传统的OFDM算法中, 旁瓣泄漏只比主瓣低13dB左右。在这种情况下, 传统OFDM算法一般通过加窗技术和增加滤波器 (陷波功能) 来获得更大的旁瓣泄漏差。但加窗会增加计算量和复杂度, 增加滤波器则会增加硬件规模和成本, 同时降低传输效率。

在与图6相同信道条件下, 基于小波变换的OFDM算法的功率谱密度频谱如图7所示。

从图7可看出, 基于小波变换的OFDM算法的凹陷可以接近-35dB, 实现了各个子信道之间频段互不干扰, 频谱隔离度更高, 具有更好的抗ISI性能和对抗窄带干扰能力, 同时也保证了较好的传送效率。

4结语

利用电力线进行高速数据传输是通信技术发展的一个方向, 也是通信技术多样化的要求。在煤矿井下, 传统的OFDM算法各子信道的正交性易被破坏, 且容易产生较大的ISI与ICI干扰。本文基于小波变换的基本理论, 提出在井下采用基于小波变换的OFDM算法。从抗多径效应和功率谱密度频谱方面研究了该算法的调制性能。仿真结果表明, 在煤矿井下, 对抗多径效应干扰方面, 基于小波变换的OFDM算法远远优于传统OFDM算法。

参考文献

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矿井井下供电设计浅析 第7篇

矿井供配电就是矿井对电网电能重新分配的过程, 合理可靠的供配电是煤矿安全生产的重要保证。但矿井供配电范围太大, 供电设计是一个系统的过程, 故本文仅从井下供配电的最基本初步设计选型进行分析。

矿井井下供电设计选型应先进行单一电气设备的设计选型, 选型后再进行整体供电系统可靠性验算。以下从几个主要内容进行设计分析和经验分享。

1 设备系统容量统计

1.1 矿井井下供电系统负荷统计

按供电“半径”分组分项进行统计, 统计项包括:设备名称、电压等级、设备总数量、工作数量、设备总容量、工作容量、需用系数、功率因素、tg￠ (用电设备组平均功率因数角的正切值) 、最大负荷有功功率、无功功率、视在功率、最大负荷利用小时、年电耗量等。

下面以煤气化华苑煤矿负荷统计表为例进行简单分析 (见表1) 。

以表1为例进行分析:

a) 首先进行表格数据横向计算, 然后在小计处相加结果, 其基本计算公式有:

式 (1) 中, P为最大负荷下的有功功率, k W;A为总工作负荷, k W;Kx为需用系数。

式 (2) 中, Q为最大负荷下的无功功率, kvar;P为最大负荷下的有功功率, k W;tg￠为用电设备组平均功率因数角的正切值。

式 (3) 中, W为视在功率, k VA;P为最大负荷下的有功功率, k W;Q为最大负荷下的无功功率, kvar。

式 (4) 中, H为年耗电量, k W·h;P为最大负荷下的有功功率, k W;T为最大负荷利用小时, h;

b) 统计出各个变电点处容量明细, 包括有功无功、无功功率、视在功率, 以便进行变压器选型与计算;

c) 统计出井下总设备台数、总工作台数、总有功功率、总无功功率、总视在功率、总耗电量。井下相关参数与地面相对应参数相加即为整个矿井相关供电数据。这一步是矿井供电设计的第一步, 也是矿井供电设计的基础。

1.2 矿井变压器选择

变压器是电磁利用互感原理来改变交流电压的装置。矿井变压器因其工作环境的特殊性及其工作的重要性, 对矿井供电系统尤为重要。井下供电更应按一级供电考虑, 所以矿井变压器必须满足矿井供电要求。

变压器的选择:a) 应注意单台变压器容量必须大于系统容量, 以保证变压器在1台工作的情况下能承担全部井下负荷;b) 注意一级、二级负荷的双回路供电时, 应配备2台等容量变压器, 分列运行, 按一用一备考虑, 保障双回路供电;c) 变压器应运行在合理、经济运行区间, 变压器负载率应在65%~85%之间。

这样即使供电系统有大负载启动, 变压器也不至于瞬间超负荷, 留有了一定瞬时启动冲击电流的冲击“空间”, 同时变压器空耗也比较少, 变压器运行经济合理。

下面以煤气化华苑煤矿变压器选择表为例进行简单分析, 见表2。

如上例所示, 大部分变压器运行效率不高。如因已购置, 变压器空载率过高, 运行不经济, 不是原则性问题, 也为避免投资不浪费, 勉强可使用。

1.3 无功补偿

根据井下负荷变化后得出新无功功率, 在矿井主变电所 (地面) 根据全矿井总无功功率容量, 调整无功补偿量, 使整个矿井功率因素≥0.94 (规程要求大于0.9, 部分当地供电部门要求0.94) 。功率因素=有功功率/视在功率, 功率因素≥0.94。

2 开关整定计算

开关整定计算是单项供电设计的重要一环, 关系到开关能否正确及时地保护设备、不影响供电电网稳定运行、选型合理、不过度投资。应遵循以下几条设计规律:a) 开关总容量应大于设备总容量, 进线开关总容量应大于系统总容量;b) 将小型设备开关脱扣器额定脱扣电流整定到额定电流的1.05倍~1.15倍, 重载负荷应1.25~1.35之间进行整定。

3 导线及电缆选择

3.1 导线及电缆载流量计算

按系统设定电压值, 首先计算出电动机额定电流, 然后通过查GB50217-2007电力工程电缆设计规范, 选出相应规格下符合载流量条件的电缆等。即先按照电缆载流量进行电缆选择。

3.2 导线压降计算

导线压降如果太大超过规定值会导致电动机无法启动, 合理选择系统电压等级及导线截面是保障电动机正常启动的首要条件。

确定系统电压后, 应根据下列条件进行计算结果分析, 见表3。

如果电压降超过了允许值, 那么本系统供电电压无法满足本供电系统, 本系统应提高电压等级, 重新布局供电系统, 以使供电末端供电设备正常启动。

此外, 还有照明导线、架空导线、母线等的压降、载流量等, 都应参照相关手册进行计算选型。

矿井单项供电系统设计选型后, 还应考虑整体的电网结构, 比如整个矿井的容性电流、短路计算, 电缆及母线的动热稳定校验等, 以验证单项供电对整体供电的影响及每一级开关的分断能力等。

4 结语