矿井供电系统及井下供电安全教案

教 案

课程：矿井供电系统及供电安全 教师：XXX

单位：XX矿职教中心

矿井供电系统及供电安全

自我介绍 说课内容 一、教材选择

1、《煤矿井下电气作业》煤矿三项人员安全资格培训考核教材（第二版）.国家安全生产监督管理总局宣传教育中心 编。

二、课时分配 两个学时。 三、学员分析

主要针对煤矿特殊工种，煤矿井下电气作业培训班学员编写的教案及课件。

四、学习内容

第一章 矿井供电系统 第二章 井下供电安全 五、教学目的

1、掌握矿井供电系统知识； 2、掌握井下供电安全知识； 3、掌握预防人身触电措施。

4、掌握“三专两闭锁”的作用及使用范围。 六、教学重点

1、安全用电作业制度。 2、预防人身触电措施。 七、教学难点 变压器中性点接地运行方式

八、授课方法

多媒体辅助教学法，讲授法、案例分析法互动启发式教学方法

导入新课 事故案例

某矿采区电气操作工一人检修QC83-120电磁启动器，未停馈电开关，擅自开盖检修，两手碰触电源接线柱，造成左手严重烧伤。 讨论提问事故原因 1、违章带电作业。

《煤矿安全规程》第445条：井下不得带电检修、搬迁电气设备、电缆和电线。

2、未执行一人操作一人监护制度。

《矿山维护电工安全操作规程》规定 ：电气作业必须两人或两人以上进行，一人作业一人监护。 3、未严格执行操作规程作业。

检修电气作业未执行检测瓦斯浓度、验电、放电、接地、挂牌制度。

通过以上分析，我们知道井下必须做到安全用电。下面我们来学习矿井供电及安全用电知识。 正式上课

矿井供电系统及供电安全

第一节 矿井供电系统

一、煤矿企业对供电的基本要求 二、矿井供电系统的分类 三、电力负荷的分类 四、矿井供电电压等级

五、变压器中性点的运行方式（难点）

课堂讨论：制约着煤矿供电安全的因素有哪些？

煤矿多属于井下开采，用电负荷大，井下条件差，自然条件恶劣，存在五大自然灾害的威胁，生产环境复杂，容易发生触电、爆炸、爆炸等恶性事故。

一、煤矿企业对供电的基本要求

1、供电可靠。煤矿井下存在水、火、瓦斯、煤尘、顶板五大自然灾害，自然条件恶劣，生产环境复杂，容易发生触电、爆炸等恶性事故。因此必须严格遵守《煤矿安全规程》的规定，采取防爆、防触电、防潮、各种电气保护等一系列措施，确保煤矿供电安全。

就是要求供电不间断。

2、供电安全。煤矿井供电中断，不仅影响产量，而且会因为停电而停止通风、停止排水，从而引起爆炸、水害等重大事故的发生，危及生命财产安全，有时甚至毁掉整个矿井。因此，必须保证供电可靠。必须严格遵照规程的规定进行供电作业，确保安全。

3、供电技术合理。技术合理也指保证供电质量好。即供电电压、频率及谐波成分达到一定技术标准。电压波动范围不超过额定值的±5%。

4、供电经济。由于煤矿电气设备耗电量很大，输电功率大，如果设计不合理，会造成许多电能浪费。因此，在保证供电质量的前提

下，优化供电系统，合理选型，保证供电的经济性。

二、矿井供电系统的分类 1、深井供电系统

根据矿井的井田范围、煤层深度、地质条件，矿井供电系统分为深井供电系统和浅井供电系统。煤层深度大于150m应采用深井供电系统；

供电系统图：深井供电系统采用三级供电方式，一级：地面变电站，将高压35KV电能变成6KV；二级：井下中央变电所，从井下中央变电所用高压电缆将6KV电能送到采区变电所；三级：采区变电所，用变压器将电能降到1140 V、660 V、660V，用低压电缆分别送到各个工作面附件配电点。

2、浅井供电系统

煤层深度小于150m应采用浅井供电系统。 三、电力负荷的分类

根据对供电可靠性的要求不同，煤矿电力用户分为以下三类： 1、第一类负荷

如果中断供电，会造成人员伤亡、重大设备损坏，产生巨大经济损失。如主要通风机、主要排水设备、主要提升机的供电等。均是双回路供电。

2、第二类负荷

如果中断供电，会严重减少产量，造成重大经济损失，应尽量保证供电安全。如压风设备、采区变电所等。

3、第三类负荷

如果中断供电对生产无直接影响，也不会造成特别大的经济损失。如地面工厂。

四、矿井供电电压等级

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。 （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。

（5）采区电气设备使用3300V供电时，必须制定专门的安全措施。

五、变压器中性点的运行方式 1、变压器的中性点

正常情况下变压器空载时线路等效电路图和相电压矢量图如图2所示。

变压器接入正弦交流电。正弦交流电是按正弦规律随时间做周期性变化的电量，其最大值、角频率、初相角称为正弦交流电的三要素；三相正弦交流电则是频率相同，最大值相等，相位差120°的三个交流电。各相电压相等且对称Ua=Ub=Uc 其矢量如图2（b）所示。各相对地的绝缘电阻等相 ra=rb=rc ，可看成是星形负载，有以下关系：

Ua+Ub+Uc=0

因此，0点称为变压器中性点。中性点对地电位用U0表示，在正常情况下电源电压对称、线路负荷对称时，变压器中性点对地电位为零，即U0=0

2、变压器的中性点直接接地运行方式

变压器中性点运行方式就是变压器中性点与地的连接方式，一般有三种：

1）变压器中性点直接接地 2）变压器中性点不接地

3）变压器中性点采用消弧线圈接地

1）变压器中性点直接接地

如图所示，这时人体承受电网相电压，通过人体 的电流可根据欧姆定律求出：

ImaUaRmaUx3Rma当取Rma=1000Ώ，线电压为660V时，通过人体的电 流为：

660 的。

1.中性点直接接地系统;

又称大电流系统；主要用在110KV及以上的供电系统和380V系统 。直接接地系统发生单相接地是会使保护马上动做切除电源与故障点。 中性点直接接地系统的优点：发生单相接地时，其它两完好相对地电压不升高，因此可降低绝缘费用。保证安全。

其缺点：发生单相接地短路时，短路电流大，要迅速切除故障部分，从而使供电可靠性差。

2.中性点不接地或经消弧线圈接地；

中性点不接地和经消弧线圈接地，主要用在35KV及以下的供电系统。不接地系统如果发生单相接地，系统可以正常运行两小时以内，必须找出故障点进行处理，否则会扩大故障。

1 、中性点不接地系统的优点：这种系统发生单相接地时，三相用电设备能正常工作，允许暂时继续运行两小时之内，因此可靠性高。

Ima310000.38A380mA当中性点接地时，通过人体的电流远远超过30mA，所以是绝对危险

其缺点：这种系统发生单相接地时，其它两条完好相对地电压升到线电压，是正常时的根号3倍，因此绝缘要求高，增加绝缘费用。 第二节中性点经消弧线圈接地系统

该方式就是在中性点和大地之间接入一个电感消弧线圈，在系统发生单相接地故障时，利用消弧线圈的电感电流补偿线路接地的电容电流，使流过接地点的电流减小到能自行熄灭的范围，它的特点是在线路发生单相接地故障时，可按规程规定满足电网带单相接地故障运行2h。对于中压电网，因接地电流得到补偿，单相接地故障不会发展成相间短路故障，因而中性点经消弧线圈接地方式大大提高了供电可靠性，这一点优越于中性点经小电阻接地方式。

中性点经消弧线圈接地，保留了中性点不接地方式的全部优点。由于消弧线圈的电感电流补偿了电网接地电容电流，使得接地点残流减少到5A及以下，降低了故障相接地电弧恢复电压的上升速度，以致电弧能够自行熄灭，从而提高供电可靠性。

经过消弧线圈接地系统的过电压幅值不超过3．2Uph，因此接有消弧线圈的电网，称为补偿电网。经消弧线圈接地的电网称为谐振接地系统，它有自动跟踪补偿方式和非自动跟踪补偿方式两种。前者比后者有无可比拟的优点，目前电力系统无论新建或扩建都采用自动调谐消弧线圈，并正在逐步淘汰非自动调谐消弧线圈。

2 、中性点经消弧线圈接地系统的优点：除有中性点不接地系统的优点外，还可以减少接地电流； 其缺点：类同中性点不接地系统。

变压器中性点接地的优缺点 1.1 变压器中性点接地系统的优缺点： （1）优点：对电源中性点接地系统，若发生某单相接地，另两相电压不升高，这样可使整个系统绝缘水平降低；另外，单相接地会产生较大的短路电流Is ，从而使保护装置（继电器、熔断器等）迅速准

确地动作，提高了保护的可靠性。

（2）缺点：对电源中性点接地系统，由于单相短路电流Is 很大，开关及电气设备等要选择较大容量，并且还能造成系统不稳定和干扰通讯线路等；

变压器中性点不接地系统的优缺点：（1）优点：对变压器中性点不接地系统，由于限制了单相接地电流，对通讯的干扰较小；另外单相接地可以运行一段时间，提高了供电的可靠性。

（2）缺点：对变压器中性点不接地系统，当一相接地时，另两相对地电压升高 倍，易使绝缘薄弱地方击穿，从而造成两相接地短路。

变压器中性点不接地的优缺点

一、变压器中性点不接地运行的优点 （－）供电可靠性较高

当电网发生单相接地故障时，三相线电压和相电流变化甚小。由于不构成短路回路，单相接地电流对用户供电影响不大。但是，必须在较短时间（一般2小时）内迅速清除故障，以免故障扩大。由于短时间内不致跳闸，供电可靠性较高。

（二）对通信和信号系统的干扰小

当三相基本对称运行时，电力线对周围空间形成的电磁场不大，不会对通讯和信号系统产生干扰影响。同理，由于变压器中性点不接地的电路单相接地电流较小，对邻近的通讯线路和信号系统等弱电干

扰也较小。对于农电网中心点不接地小系统单相接地电弧均能自动熄灭。

二、变压器中点不接地的缺点 （－）绝缘水平要求高

单相接地时，非故障相对地电压升高√3倍．所以，在这种电网中的设备绝缘水平高和费用大。

（二）存在弧光接地过电压的危险

单相接地电流不大时，电流流过零值时的电弧将自行熄灭，故障消失；单相接地电流大于30安时，产生稳定电弧，将形成持续性弧光接地，将会损坏设备并导致两相甚至三相短路；当接地电流大于10安小于30安时，有可能产生一种不稳定的间歇性电弧，随之将出现弧光过电压，幅值可达2．5至3倍相电压，足以危及整个电网的绝缘。在变压器的中性点装设消弧线圈形成的电感电流与电容电流相补偿，将使接地电流限止，甚至近于零，从而消除了接地处的电弧以及由它产生和危害。

（三）接地继电保护的选择困难

因而要实现灵敏的有选择性的保护就比较困难，特别是经消弧线圈接地的电力网更困难．

（四）断线可能引起谐振过电压

导线的开断、开关不同期切合和熔断器不同期熔断将引起铁磁谐振过电压。由断线引起的谐振过电压可能导致避雷器爆炸，负载变压器的相序反倾和电气设备绝缘闪络等现象。

（五）电磁式电压互感器的谐振过电压

由于电网参数不对称，出现中性点位移，常会引起铁磁谐振过电压，使电磁式电压互感器的高压保险丝频繁熔断，或造成互感器本身的烧毁。限制和消除铁磁谐振过电压的措施：

1．选用励磁特性较好的电压互感器或改用电容式互感器。 2．在电磁式电压互感器的开口三角形绕组中加装阻尼电阻，可消除各种谐振现象．

3．在母线上加装一定的对地电容，使Xc0≤0．01XT，谐板就不能发生。

4．采用临时的倒闸措施，如投入消弧线圈，将变压器中性点临时接地以及投入事先规定的些某线路或设备等。

顾名思义：中性，不高也不低，为零。 中性点不接地的供电系统，是为了提高供电可靠性，若速断跳闸了可靠性就保证不了。中性点不接地，发生单相对地短路时,大地的电位与接地的相线相同，并且与中性点不能形成回路。在三相三线制电路中，接地改接零，所有接零保护的电器外壳与地之间将变成相电压,使电路不能正常工作，而且所有碰上外壳的人都会触电。

一 变压器中性点接地与不接地的优缺点比较 1.1 变压器中性点接地系统的优缺点：

（1）优点：对电源中性点接地系统，若发生某单相接地，另两相电压不升高，这样可使整个系统绝缘水平降低；另外，单相接地会产生较大的短路电流Is ，从而使保护装置（继电器、熔断器等）迅速准确地动作，提高了保护的可靠性。

（2）缺点：对电源中性点接地系统，由于单相短路电流Is 很大，开关及电气设备等要选择较大容量，并且还能造成系统不稳定和干扰通讯线路等；

1.2 变压器中性点不接地系统的优、缺点：

（1）优点：对变压器中性点不接地系统，由于限制了单相接地电流，对通讯的干扰较小；另外单相接地可以运行一段时间，提高了供电的可靠性。

（2）缺点：对变压器中性点不接地系统，当一相接地时，另两相对地电压升高 倍，易使绝缘薄弱地方击穿，从而造成两相接地短路。 因为对于中性点直接接地的连接方式，一旦发生系统中一相接地而出现除中性点外的另一个接地点，则会发生严重的短路。此时接地故障相电流很大，容易损坏设备，危害人身安全。对于矿井而言，大短路电流可能会产生电火花，易导致井下易爆气体爆炸。因此井下变压器中性点不能直接接地。

因为对于中性点直接接地的连接方式，一旦发生系统中一相接地而出现除中性点外的另一个接地点，则会发生严重的短路。此时接地故障

相电流很大，容易损坏设备，危害人身安全。对于矿井而言，大短路电流可能会产生电火花，易导致井下易爆气体爆炸。因此井下变压器中性点不能直接接地。

而对于中性点不接地的系统，即使发生单相接地，也不会造成短路，系统仍然可以继续运行，保证可靠性。但此时非接地相电压将升高至线电压，所以此类系统对于绝缘的要求较高。由于高压绝缘较困难，所以通常高压输电网采用中性点直接接地，而中压系统主要是采用中性点不接地的方式。 井下配电变压器中性点不接地的原因主要有三个方面：一是由于井下供电电缆的敷设受井巷条件限制，一般高度均较低，人体可以直接触摸，一旦发生人体触电时，其触电电流相对于中性点不接地系统来讲大许多倍，对人员生命构成威胁；二是单相接地时形成单相短路，单相短路的电流很大，可引起变压器、供电设备及线路损坏事故或爆炸着火事故，同时接地点产生很大的电弧，有可能引起瓦斯煤尘爆炸；三是接地点的高电位、大地中的大电流有可能引发电雷管超前引爆。这些事故的后果都是极为严重的。所以井下中性点不允许接地

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 1、变压器中性点直接接地的危害

什么是中性点：发电机、变压器和电动机的三相绕组按星形连接的公共点就叫中性点。

井下配电变压器中性点直接接地的危害主要有三个方面：一是由于井下供电电缆的敷设受井巷条件限制，一般高度均较低，人体可以直接

触摸，一旦发生人体触电时，其触电电流相对于中性点不接地系统来讲大许多倍，对人员生命构成威胁；二是单相接地时形成单相短路，单相短路的电流很大，可引起变压器、供电设备及线路损坏事故或爆炸着火事故，同时接地点产生很大的电弧，有可能引起瓦斯煤尘爆炸；三是接地点的高电位、大地中的大电流有可能引发电雷管超前引爆。这些事故的后果都是极为严重的。对于中性点直接接地的连接方式，一旦发生系统中一相接地而出现除中性点外的另一个接地点，则会发生严重的短路。此时接地故障相电流很大，容易损坏设备，危害人身安全。对于矿井而言，大短路电流可能会产生电火花，易导致井下易爆气体爆炸。因此井下变压器中性点不能直接接地。

例如，当人体触及一相带电体时，跨接于人体的是电源的相电压，受井下潮湿空气影响，人身电阻按1000Ω计算。按欧姆定律计算，当电源电压为127V时，流经人体的电流为73mA；当电源电压为380V时，流经人体的电流为220mA；而当电源电压为600V时，流经人体的电流则高达380Ma。此时电流路径为：电源a相→人身→大地→接地体→电源中性点。

研究资料表明，当人体通过5mA电流时，就有触电感觉；通过30mA电流时，就有危险；通过50mA可以致死；通过100mA绝对致死。中性点直接接地时，即使是127V电路，通过人体的电流也高达73mA，足以致人于死亡。在设计漏电保护时，假定人身电阻为1000Ω，通过人体的触电电流以不超过30mA为安全电流。

对于单相接地，此时的电流路径为：电源a相→大地→接地体→电源中性点。显然，这时的电流未经阻抗而直接流回电源，形成了单相短路。

2、中性点不接地供电系统分析

对于中性点不接地的系统，即使发生单相接地，也不会造成短路，系统仍然可以继续运行，保证可靠性。但此时非接地相电压将升高至线电压，所以此类系统对于绝缘的要求较高。由于高压绝缘较困难，所以通常高压输电网采用中性点直接接地，而中压系统主要是采用中性点不接地的方式。

如图1-4所示：ra、rb、rc分别为电缆三相芯线的绝缘电阻，Ca、Cb、Cc为三相芯线的对地电容。则人身的触电电流所通过的路径为：电源a相→人身→大地→b相与c相绝缘及对地电容→b相与c相芯线→电源中性点。

设电网每相绝缘电阻在380V时为90000Ω，660V时为150000Ω（实际上常为兆欧级），而人身电阻仍在1000Ω，通过计算，其通过人身触电电流均为7mA。可见，在中性点不直接接地时，通过人体的电流是安全的。

因此，《煤矿安全规程》明确规定：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。 另外《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。”

但是，在某些情况下，由于电路的对地分布电容不容忽视，存在电容电流分量，通过人身的电流要大的多。目前普遍采用在漏电继电器中加零序电抗线圈来补偿对地电容电流。

并且，当电网一相接地时，往往不易发觉，由于这时三相电源电压明

显对称，故不影响电气设备的运行。如果没有漏电指示与漏电继电器，一相接地可能长期存在。在此情况下如果人体解及另一相带电导体。则人身跨接于电网线电压，这时通过人身的解电电流，较之变压器中性点绝缘的供电系统还要大 倍，这是非常危险的。

在矿山供电系统中，由于都是采用电缆线路供电，系统中性点采用不接地方式运行。电缆对地相当于一个电容器，当系统发生故障时，电流必然有一个回流路径，这个电流就是我们所说的电容对地电流，当这个电流超过一定值时，可能会造成系统电缆放炮，进而引发其他故障，严重时可能会造成矿井瓦斯和粉尘爆炸，所以原来煤炭部有个煤炭供电安全规程，上面明文规定当电容电流超过20A时必须采取措施，限制这个电流，这是国家明文规定限制的，所以当电流超过这个数值时，往往在中性点采取消弧线圈接地，用于补偿电容电流，以达到安全供电目的。不知道我说的是不是你需要的答案。

1、变压器的中性点

正常情况下变压器空载时线路等效电路图和相电压矢量图如图2所示。

变压器接入正弦交流电。正弦交流电是按正弦规律随时间做周期性变化的电量，其最大值、角频率、初相角称为正弦交流电的三要素；三相正弦交流电则是频率相同，最大值相等，相位差120°的三个交流电。各相电压相等且对称Ua=Ub=Uc 其矢量如图2（b）所示。各相对地的绝缘电阻等相 ra=rb=rc ，可看成是星形负载，有以下关系：

Ua+Ub+Uc=0

因此，0点称为变压器中性点。中性点对地电位用U0表示，在正常情况下电源电压对称、线路负荷对称时，变压器中性点对地电位为零，即U0=0

2、变压器的中性点直接接地运行方式

变压器中性点运行方式就是变压器中性点与地的连接方式，一般有三种：

（1）变压器中性点直接接地 （2）变压器中性点不接地

（3）变压器中性点采用消弧线圈接地

（1）变压器中性点直接接地

通过计算得出电压660v，当中性点接地时，通过人体的电流380mA远远超过30mA，所以是绝对危险的。

在变压器中性点直接接地系统中，一相接地即为单相短路。此时，必将产生接地短路电流及电弧，一是造成人员触电伤亡，二是造成电气火灾，三是如果接地点周围瓦斯浓度在爆炸界限范围内，会引起瓦斯爆炸事故。

《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。

（2）变压器中性点不接地

a、当电容忽略时，人体电阻Rma=1000 Ώ，线路对地绝缘电阻r=35000 Ώ，线电压Ux=660V，可见是安全的。

b、当电容不忽略时，Rma=1000 Ώ，r=35000 Ώ，Ux=660V， 电网对地电容C=0.5μf

（3）变压器中性点采用消弧线圈接地

三相接地变：接地变压器的作用是在系统为△型接线或Y型接线中性点无法引出时，引出中性点用于加接消弧线圈或电阻，此类变压器采用Z型接线（或称曲折型接线），与普通变压器的区别是每相线圈分别绕在两个磁柱上，这样连接的好处是零序磁通可沿磁柱流通，而普通变压器的零序磁通是沿着漏磁磁路流通，所以Z型接地变压器的

零序阻抗很小（10Ω左右），而普通变压器要大得多。按规程规定，用普通变压器带消弧线圈时，其容量不得超过变压器容量的20%。而Z型变压器则可带90% ～100%容量的消弧线圈，接地变除可带消弧圈外，也可带二次负载，可代替所用变，从而节省投资费用。 中性点非直接接地系统发生单相接地故障时，接地点将通过接地线路对应电压等级电网的全部对地电容电流。如果此电容电流相当大，就会在接地点产生间歇性电弧，引起过电压，从而使非故障相对地电压极大增加。在电弧接地过电压的作用下，可能导致绝缘损坏，造成两点或多点的接地短路，使事故扩大。

中性点装设消弧线圈的目的是利用消弧线圈的感性电流补偿接地故障时的容性电流，使接地故障电流减少，以致自动熄弧，保证继续供电。

在电网对地电容电流较大时，即使线路对地绝缘电阻很高，也不能减少通过人身的触电电流，反而会增加触电电流。为此，可用电感电流来补偿电容电流。变压器中性点采用消弧线圈接地就是通过消弧线圈产生感性电流补偿电网电容电流。

《煤矿安全规程》规定第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。