煤矿总工程师技术手册

煤
矿
总
工
程
师
技
术
手
册2009 05 16
第9篇矿井供电、排水、压风
目录
1矿井供电
1.1矿井供电标准及规范
1.1.1煤矿供电相关标准
1．煤炭安全规程电气部分（2006）
1.1.2电能质量相关标准
1．电力系统频率允许偏差（GB/T 15945—1995）
2．电压波动和闪变（GB 12326—90）
3．公用电网谐波（GB/T 14549—93）
4．供电电压允许偏差（GB 12325—90）
5．三相电压允许不平衡度（GB/T 15543—1995）
6．暂时过电压和瞬态过电压（GB/T 18481—2001）
1.1.3无功相关规范
1．国家电网公司电力系统无功补偿配置技术原则（国家电网生［2004］435号）
2．电力系统电压和无功电力管理条例（能源电［1988］18号）
3．电力系统电压和无功电力技术导则（SD325-89）
1.2矿井供电技术
1.2.1矿井供电结线方式
供电系统结线是指由各种电气设备及其连接线构成的电路，其功能是汇集和分配电能。

结线中的母线又称汇流排，它实质上是电源线路或变压器与多个用户馈出线的连接处，表现为电路中的一个节点，起集中和分配电熊的作用。

电力系统长期的运行实践表明，认识和掌握以下几种基本供电系统的结线方式是十分重要的。

1.2.1.1系统网络结构的基本方式
放射式、干线式和环状式是系统网络结构的几种基本方式。

1．放射式
1）单回放射式。

如图9—1—1所示为单回放射式结线，它适于向三级或二级小负荷或某些专用设备供电。

这种结线方式的优点是：系统简单、运行维护方便。

缺点是：使用的开关、线路多，供电可靠性较差。

图9—1—1 放射式结线
a—单电源单回路；b—单电源双回路；c—双电源双回路2）双回路放射式。

根据所含电源数目，双回路放射式又分为单电源双回路和双电源双回路两种。

单电源双回路放射式结线方式如图9—1—1b所示。

在这种方式中，从一段母线上并列引出两回线路，且每回均由单独的开关控制。

这种结线适用二级负荷。

例如在由一路电源供电的采区变电所中，它的两台变压器低压侧采用分段母线。

正常情况下分列运行，当一台变压器维修或出现故障时，接通母线联络开关，由另一台保证采区的重要负荷供电，或维持必要的生产设备供电。

双电源双回路放射式结线方式如图9—1—1所示。

在这种方式中，从两段母线上各引出一回线路对用户供电。

与单回路放射式相比，由于双回路放射式具有两个独立可控的回路，故其可靠性较高。

此外，这种结线与单回路放射式相比有较好的灵活性，它既可采用双回路同时运行的方式，使线路上的功率、电压损失减小．又可采用一回工作另一回备用的运行方式，使两回互为备用。

这种结线方式适用于具有较大容量或一级负荷的供电点，如图9—1—1中的主要通风机。

由于该方式具有两回电源，故较前述两种方式在可靠性上有了进一步的提高，即当任何一回线路或电源发生故障时，供电均不会中断。

至于在负荷侧结线中的进线与母线分段开关是采用断路器，还是隔离开关，要根据用户点负荷出线数量及性质而定。

比如在图9—1—1c中，由于主要通风机不属于瞬时不能停电的矿山电力设备，故其配电母线可采用隔离开关分段，进线开关为断路器。

在一回线路发生故障时，能使其两侧开关均自动切断，投入母线分段隔离开关，由另一侧电源线路继续供电。

2．干线式
干线式结线分直接连接图9—1—2 a与贯穿连接图9—1—2 b 两种。

图9—1—2干线式结线
a—直接联接式；b—贯穿联接式
直接连接的结线方式是从一路高压配电干线上直接引出分支线向用户供电，其分支线一般不超过5个，且配电变压器容量不宜超过3000kV·A。

它一般适用于架空线上对三级负荷分散用户配电，也适用于井下电缆线路对多台工作面巷道输送机的供电。

与放射式结线相比，直接连接干线式具有回路少、能使高压配电装置数量减少、造价低等优点。

但是，当公用的干线发生故障时，全部干线上的负荷供电均中断，故其可靠性差。

贯穿连接式结线方式的各用户变电所呈串接形式。

由于在连接各用户干线的进出两端均采用了隔离开关，故有可能减少因一段干线故障而引起的停电范围。

3．环状式
环状式结线方式如图9—1—3所示，线路将电能从两段母线或同一电源引出，经过不同路径，由不同方向和地点，引入矿山地面变电所或某负荷点。

此种结线方式适用于电源对矿区用户的相对位置居中或较远，而用户间距较近，且负荷相差不很悬殊的供电情况。

特别是适用于当初期建设的送电线路和变电所容量不足时，需在其他位置新建变电所的情况。

图9—1—3环状式结线
1.2.1.2矿井变电所常用接线方式
矿井变电所主结线分桥式、单母线、双母线、线路—变压器组4种，下面扼
要介绍前两种。

1．桥式结线
对具有两回电源进线、断路器和隔离开关组成的、横连跨接的“桥”，将两个“线路—变压器组”高压侧连接起来的结线方式。

“桥”上的断路器称为“桥开关”。

根据跨接桥横连位置的不同，桥式结线可分为“内桥式”、“外桥式”和“全桥式”三类。

两台变压器的变电所，可采用桥式结线。

1）外桥结线
外桥结线方式如图9—1—4 a所示，跨接桥连接在变压器断路器QF1和QF2的外侧线路，进线回路只装隔离开关。

这种结线对变压器的切换操作是方便的，只需用断路器(QF1与QP2)自动进行即可，但电源进线回路的切换操作却不方便。

例如当电源线路WL1故障或检修操作WL1的隔离开关时，需在断路器QF l及QF3断开后方能进行。

外桥结线的适用范围是：
（1）供电线路较短，线路切换少的变电所；
（2）由于某种原因（如负荷变化）要经常切换变压器的变电所；
（3）有稳定穿越功率的变电所；
（4）出去环网中的变电所；
（5）向一、二级负荷供电的情况。

2）内桥结线。

内桥结线方式如图9—1—4 b所示，跨接桥连在变压器断路器(QF1和QF2)的靠变压器侧．变压器电源端仅装隔离开关。

这种结线方式无疑可提高电源线路运行的可靠性和倒闸操作的灵活性与方便性。

图9—1—4桥式结线
a—外桥结线；b—内桥结线；c—全桥结线
内桥结线适用的范围是：
（1）电源线路校长(线路故障概率较大)的变电所；
（2）不需经常切换变压器且负荷稳定的变电所；
（3）没有穿越功率的变电所；
（4）处于电网终端的变电所；
（5）向一、二级负荷供电的情况。

3）全桥结线
由前述可知，在内桥结线中，当变压器发生故障时，线路将短时停止工作；而在外桥结线中，当线路发生故障时，变压器将短时停止工作。

两种情况下，不能避免用操作客量较小的隔离开关切断空载电路。

为了克服上述缺点，在内桥结线的基础上，再增加两个变压器断路器，组成具有5个断路器的全桥结线，如图9—1—4 c所示。

一般对于电压在35kV、容量在7500kV·A以上，或电压为110kV、容量在31500kV·A以上的两台(三台等)变压器可采用全桥结线。

全桥结线操作方便、运行灵活，但它会使占地面积加大，投资增加。

4）方案选择。

在具体应用上述各种结线方式时，应就技术、经济指标进行综合比较，从中选取合理的主结线系统。

一般，矿山地面变电所均有两路电源进线和两台变压器，变压器原方电压为35~110kV，副方为6~10Kv(目前多为6Kv)。

按其所在的网络结构划分，有双回高压网上的中途和终端变电所、环网上的变电所、单回开式网上的终端变电所等类型。

下面结合这几种类型，简要说明方案的
选择。

（1）对于双回高压电网上的中途变电所，一般可选用如图9—1—5 所示的单母线分段结线方案。

因为对此类变电所通常有两点要求，其一是既保证本变电所的可靠性又保证后续变电所的可靠性；其二是它要兼起开、闭变电所的作用。

所以，若按该图结线，则在任一段线路故障时，均可使其余三段线路按并串联方式正常运行，并使线路阻抗比一回线路全部跳闸时要小，即所形成的双回路贯穿式结线，可较好地保持后续变电所的电压质量。

对于特大型变电所，当变压器台数较多时，可采用双母线结线。

图9—1—5双回路高压电网上的中间变电所
（2）对于双回高压电网上的终端变电所，可采用内桥（电源线路较长，需经常操作时）或外桥结线（变电所负荷变化较大，需经常切换电源变压器时）。

若变电所内有3台变压器，可采用扩大内(外)桥结线。

（3）对于环形电网上的变电所，为了减少环形电网的解环次数，且尽量减少环内断路器的数目，以采用外桥结线为宜。

当变电所内有三台变压器时，可采用扩大外桥结线。

（4）对于单回线开式电网上的终端变电所，可采用如图9—1—6 所示的“线路一变压器组”结线方式，即只有单侧电源、单回线路且变电所只装有一台变压器的结线方式。

当负荷分别为二、三级时，采用这种结线具有结构简单、使用设备少、投资省、基建快等优点，但因其在线路或变压器故障或检修时均要停电，其可靠性较差。

图9—1—6线路一变压器组结线
2．单母线结线
在单母线结线方式中，进、出线均设有旨在切断负荷与故障电流的断路器，并没有与母线连接的“母线隔离开关”和与线路连接的“线路隔离开关”。

其中，前一种隔离开关用来在检修断路器时隔离母线，而后一种则用来防止在检修断路器时从用户侧反向送电，或防止雷电过电压侵入，从而保证维修人员和设备的安全。

单母线结线又分为分段和不分段两种形式。

1）单母线不分段。

单母线不分段结线方式原理如图9—1—7a所示。

这种结构虽有线路简单、配电装置造价低的优点，但在性能上却不够灵活与可靠，特别是在处理母线系统故障或检修时，因需全线停电，故其一般只适用于小容量的用户。

这里，母线系统是指由线本身与其隔离开关构成的系统。

2）单母线分段。

为克服单母线不分段结线工作可靠性和灵活性差的缺点，可根据电源的数目、功率、电网的结线情况，将母线分成若干段，这就形成了单母线分段结线方式。

在这种方式中，通常每段接一或两个电源，其引出线分别接到各段上，并使各段引出线电能分配尽量与电源功率相平衡．且尽量减少各段之间的功率交换。

单母线分段结线又分为隔离开关分段的和断路器分段的两类，前一类的结线如图9—1—7b所示，适用于由双回路供电的、允许短时间停电的二级负荷用户；后一类的结线如同图9—1—7c所示，适用于一级负荷用户较多的情况。

图9—1—7单母线接线
a—不分段；b—隔离开关分段；c—断路器分段
在采用隔离开关分段的情况下，各段可分列或并列运行。

一般多采用分列运行方式，只有在一路电源送电时，隔离开关方可投入运行。

在采用断路器分段的情况下，由于断路器除具有分段隔离开关的作用，能实现切断负荷电流或故障电流的功能外，还可在继电保护配合下，实现自动分、合闸。

故在母线系统检修或故障时，以避免全部停电。

不管采用何种开关分段，在检修母线或电源系统故障时，单母线分段结线方式都不能避免使故障段母线的用户停电。

对用断路器分段的单母线接有二级用户较多又无备用电源时，为避免长时停电造成较大经济损失，通常在变电所装备用母线来解决(即旁路母线或双母线)，这比装负荷备用线路能节约有色金属与投资。

1.2.2矿井电网中性点接线方式
电力系统中性点运行方式包括三种：中性点不接地方式，中性点经消弧线图接地方式，中性点直接接地方式。

前两种可合称为中性点非有效接地方式，属小接地电流系统；后一种称为中性点有效接地方式，属大接地电流系统。

中性点不同的运行方式，在电网发生单相接地时有明显的不同，因而决定着系统保护与监测装置的选择与运行。

各种接地方式都有其优缺点，对不同电压等级的电网亦有各自的适用范围。

1.2.2.1中性点不接地方式
我国3～10kV电网，一般采用中性点不接地方式。

这是因为在这类电网中，单相接地故障占的比例很大，采用中性点不接地方式可以减少单相接地电流，从而减轻其危害。

中性点不接地电网，单相接地电流基本上由电网对地电容决定，
其电路与相量关系如图9—1—8所示。

图9—1—8中性点不接地方式的电力系统
（a ）—电路图；（b ）—相量图
系统正常运行时，三相电A 压对称，三相经对地电容入地的电流相量和为零，没有电流在地中流动。

各相对地电压就等于相电压。

系统发生一相接地时，例如C 相接地，如图9—1—8（a ）所示。

此时C 相
对地电压为零，而A 相对地电压AC
C A A U U U U =-+=')(，B 相对地电压BC
C B B U U U U =-+=')(，如图9—1—8 （b ）所示。

这表明，中性点不接地电网当发生一相接地时，其余两个非故障相相电压将升高到线电压，因而易使电网绝缘薄弱处击穿，造成两相接地短路。

这是中性点不接地方式的缺点之一。

C 相接地时，电网的接地电流（电容电流）E I 应为A 、B 两相对地电容电流之和。

取电源到负荷为各相电流的正方向，可得
)(..B C A C E I I I +-= (9—1—1)
由图9—1—8（b ）可知，E I 相位超前C U 90°，在量值上，由于A
C E I I .3= ，而C A A C X U I /.'==03/3
C C A I X U =，故得 03C E I I = (9—1—2)
即一相接地的电容电流为正常运行时每相对地电容电流0C I 的3倍。

对于短距离，电压较低的输电线路，因对地电容小，接地电流小，瞬时性故障往往能自动消除，故对电网的危害小，对通讯线路的干扰也小。

对于高电压、长距离输电线路，单相接地电流一般较大，在接地处容易发生电弧周期性的熄灭与重燃，出现间歇电弧，引起电网产生高频振荡，形成过电压，可能击穿设备绝缘，造成短路故障。

为了避免发生间歇电弧，要求3～10kV电网单相接地电流小于30A，35kV及以上电网小于10A。

因此，中性点不接地方式对高电压、长距离输电线路不适宜。

应该指出，中性点不接地电网发生单相接地时。

三相用电设备的正常工作并未受到影响。

从图9—1—8（b）可以看出，电网线电压的相位和量值均未发生变化，因此三相用电设备仍可照常运行。

按我国规程规定，中性点不接地电网发生单相接地故障时，允许暂时继续运行两小时。

如企业有备用线路，应将负荷转移到备用线路上去。

经两小时后接地故障仍未消除时，就应该切除此故障线路。

对于危险易爆场所。

当中性点不接地电网发生单相接地故障时，应立即跳闸断电，以确保安全。

1.2.2.2中性点经消弧线图接地方式
当电网单相接地电流超出上述要求时，可采用中性点经消弧线圈接地的运行方式，如图9—1—9 所示。

图9—1—9中性点经消弧线圈接地的电力系统
（a）电路图；（b）相量图
消弧线圈实际上就是铁芯线圈式电抗器，其电阻很小，感抗很大，利用电抗
器的感性电流补偿电网的对地电容电流，可使总的接地电流大为减少。

设电网C 相发生单相接地，则流过接地点的电网电容电流E I 为：
C
BC AC B C A C E U C j U U C j I I I ωω3)()(..=+-=+-= (9—1—3) 消弧线圈的电感为L ，其流过的电流为C L
C L U c j jX U I ω-== 因E I 与L I 相位差0180，如果选择消弧线圈使E I 和L I 的量值相等，则可达到完全补偿，其条件为：
0=+L E I I (9—1—4) 故得：
L=C 231
ω (9—1—5)
完全补偿对熄灭接地电弧非常有利。

但由于电网中具有线路电阻、对地绝缘电阻、接地过渡电阻及变压器和消弧线圈的有功损耗等，即使电容电流被完全补偿，故障点还是会流过一个不大的电阻电流。

这种接地方式在正常运行时，如果三相对地分布电容不对称，或发生一相断线时，可能出现消弧线圈与对地分布电容的串联谐振，这时变压器中性点将出现危险的高电位。

为此，消弧线圈一般采用过补偿运行，即选择参数使电感电流大于电容电流，这是该接地方式的缺点之一。

此外，因要根据运行电网的长短来决定消弧线圈投入的数量或调节其电感值，故系统运行较复杂，设备投资较大，实现选择性接地保护也比较困难。

与中性点不接地方式一样，中性点经消弧线圈接地方式当发生单相接地时，其它两相对地电压也要升高到线电压，但三相线电压正常，也允许继续运行两小时用于查找故障。

1.2.2.3 中性点直接接地方式
图9—1—10 是中性点直接接地方式电网在发生单相接地时的电路。

这种单相接地，实际上就是单相短路，用符号)1(K 表示．由于变压器和线路的阻抗都很
小，故所产生的单相短路电流)1(K I 比线路中正常的负荷电流大得多。

因而保护装
置动作使断路器跳闸或线路熔断器熔断，将短路故障部分切除，其它部分则恢复
正常运行。

图9—1—10中性点直接接地的电力系统
该类电网在发生单相接地时，其它两相对地电压不会升高，因此电网中供用电设备的绝缘只需按相电压考虑，这对于110kV及以上的高压、超高压系统有较大的经济技术价值。

高压电器特别是超高压电器，其绝缘是设计和制造的关键，绝缘要求的降低，实际上就降低了造价，同时也改善了高压电器的性能。

为此，我国110kV及以上的高压、超高压系统均采取中性点直接接地的运行方式。

对于380／220V低压配电系统，我国广泛采用中性点直接接地的运行方式，而且引出有中性线N和保护线PE。

中性线N的功能，一是用于需要220V相电压的单相设备，二是用来传导三相系统中的不平衡电流和单相电流；三是减少负荷中性点的电位偏移。

保护线PE的功能，是防止发生触电事故，保证人身安全。

通过公共的PE线，将电气设备外露的可导电部分连接到电源的接地中性点上，当系统中设备发生单相接地（碰壳）故障时，便形成单相短路，使保护动作，开关跳闸，切除故障设备，从而防止人身触电。

这种保护称保护接零。

按新的国家标准规定，凡含有中性线的三相系统，通称为三相四线制系统，即“TN”系统。

若中性线与保护线共用一根导线一保护中性线PEN，则称为“TN-C”系统；若中性线与保护线完全分开，各用一根导线，则称为“TN-S”系统；若中性线与保护线在前段共用，而在后段又全部或部分分开测称为“TN－C－S”系统。

1.2.3负荷计算
1.2.3.1负荷曲线
在电力系统中，用电设备所需用的电功率称为电力负荷，简称负荷。

功率是表示能量变化速率的一个重要物理量。

通常，电功率又分为有功功率、无功功率和视在功率。

负荷有时也用电流表示。

目前，供电部门分配的负荷指标是每小时平均有功功率，而不是视在功率。

但对变电站(或配电所)的变压器或其它电器设备则常以视在功率为限额。

不论是一台用电设备，还是一组用电设备，其用电负荷均不可能保持固定不变，它在一昼夜内或一年内均随时间而变化。

负荷曲线是用来表示一组用电设备的用电功率随时间变化关系的图形，它反映了用户用电的特点和规律。

负荷曲线绘制在直角坐标系内，一般纵坐标表示电力负荷，横坐标表示时间。

负荷曲线按负荷对象分，有企业的、车间的或是某用电设备组的负荷曲线，按负荷的功率性质分，有有功和无功负荷曲线；按所表示负荷变动的时间分，有年负荷曲线、月负荷曲线、日负荷曲线或工作班的负荷曲线。

日负荷曲线代表用户一昼夜(24h)实际用电负荷的变化情况。

图9—1—11 是某企业的日有功负荷曲线。

图9—1—11 a是依点连成的负荷曲线。

通常，为了使用方便，负曲线绘制成如图9—1—11 b的阶梯形负荷曲线。

图9—1—11日有功负荷曲线
日负荷曲线可用测量的方法来绘制。

绘制的方法是：先将横坐标按一定时间
间隔（一般为半小时）分格。

再根据功率表读数，将每一时间间隔内功率的平均值，对应横坐标相应的时间间隔绘在图上，即得阶梯形负荷曲线。

其时间间隔取得愈短，则该负荷曲线愈能反映负荷的实际情况。

日负荷曲线与坐标所包围的面积代表全日所消耗的电能数。

年负荷曲线代表用户全年(8760h)内用电负荷变化规律。

企业的年负荷曲线可以根据企业一年中具有代表性的冬季和夏季的日负荷曲线来绘制。

图9—1—12 就表示这种年负荷曲线绘制的方法。

图9—1—12 a表示某企业具有代表性的夏季日负荷曲线，图9—1—12 b表示该企业具有代表性冬季日负荷曲线，图9—1—12 c是由此绘制约该企业的年负荷曲线。

年负荷曲线的横坐标用一年365天的总时数8760h来分格。

绘制年负荷曲线时，冬季日和夏季日所占的天数，应视当地的地理位置和气温情况而定。

在我国北方，一般可近似地认为夏日165天，冬日200天；而在我国南方，则可以近似地认为夏日200天，冬日165天。

图9—1—12 c就假定是绘制我国南方某企业的年负荷曲线。

图9—1—12年负荷曲线的绘制
上述年负荷曲线反映了企业全年负荷变动与负荷持续时间的关系，所以也称为年负荷持续时间曲线，一般就简称为年负荷曲线。

还有另一种年负荷曲线，它是按全年每日的最大负荷（一般取为每日最大负荷的半小时平均值）绘制的，称为年每日最大负荷曲线，如图9—1—13 所示。

横坐标依次以全年十二个月份的日期来分格。

这种年最大负荷曲线，可用来确定拥有多台电力变压器的企业变电站在一年内不同时期宜于投入几台变压器运行，即所谓经济运行方式，以降低电能损耗，提高供电系统的经济效益。

图9—1—13年每日最大负荷曲线
从各种负荷曲线上，可以直观地了解负荷变动的情况。

通过对负荷曲线的分析，可以更深入地掌握负荷变动的规律，并可从中获得一些对设计和运行有用的资料。

因此，负荷曲线对于从事企业供电设计和运行的人员来说，是很有用的。

1.2.3.2 负荷估算的方法
负荷估算是指在进行矿区总体设计或可行性研究时，对矿区内各企业(或某一项目)的用电负荷的概略计算。

在该企业的用电负荷和用电设备的总容量还是一个末知数时，过去是根据类似企业的单耗和设计人员的经验来估算企业的最大负荷，即 max max Q
P T ε⋅= (9—1—6)
式中 max P ——企业的最大用电负荷，kW ；
ε——企业的产品单耗，/kW h t ⋅；
Q ——企业的年产量，t ；
max T ——年最大负荷利用小时。

为矿井用电负荷估算的需要，这里介绍两种估算方法。

1．类似矿井估算法
这种估算方法，就是以自然条件大致相同，已生产矿井的实际用电负荷为根据，估算本企业的用电负荷。

如条件相同(或相似)，应优先采用这种方法，但在估算中必须避免“—刀切”，即总体设计中所有不向条件的矿井，都按一个吨煤。