主讲：唐轶

1. 主讲：唐轶

2. 第二章 矿山供电系统故障分析 本章重点： • 分析两个常见故障：漏电故障和短路故障。 • 回答一个重要问题：为什么“向井下供电的电网不允许直接接地”。 • 重点介绍两种故障计算：人身触电电流（含单相接地电流）计算和短路电流计算。 • 分析矿井电网发生单相漏电和单相接地故障时电网中零序电流的分布。

3. 第一节 漏电电流及其危害 • 泄漏电流：正常情况下除用电负荷工作电流以外的电流。 • 漏电电流：发生漏电故障流入大地的电流。 • 漏电故障：电网对地绝缘阻抗下降，泄漏电流增加到危及人身和电气设备安全的故障形式。 包括单相接地、两相及三相对地绝缘下降、人身触电等。

4. 第一节 漏电电流及其危害 • 电网漏电故障等值示意电路 • 图中：Ua、Ub和Uc是三相电源电压，ZL为负荷阻抗，Ca、Cb、Cc和ra、rb、rc分别是a、b和c相导线对地电容和绝缘电阻，ZN为变压器中性点接地元件（若中性点不接地，ZN=∞，若中性点经电抗接地，则ZN为接地电抗的阻抗），Rr是漏电故障电阻（若单相直接接地，则Rr=0）。

5. 第一节 漏电电流及其危害 • 漏电电流的危险： (1)增加人身触电伤亡的可能。 (2)引燃或引炸瓦斯和煤尘。 (3)烧损电气设备。 (4)引起电气雷管的无准备引爆。 • 造成人体触电危害的最主要因素有： • 通过人体的触电电流的大小。电流越大越危险。 • 人身触电的持续时间。时间越长越危险。

6. 电流对人体的影响

7. 第一节 漏电流及其危害 通过人体的触电电流大小影响： • 1、感知电流：平均值为1.1mA，女性约为0.7mA。 • 2、反应电流：能引起预料不到的不自主反应，并有可能造成事故。 • 3、摆脱电流：人体能忍受的最大电流，在这一电流作用下，人体受刺激的肌肉能摆脱带电体。反复经受不会对人体有不良后果；不用借助于他人的帮助而自主脱离危险。是一个人身触电的绝对安全的极限电流。正常男性为9mA，女性6mA。 • 4、心室颤动电流。心室颤动除电流大小因素外，触电时间的影响也很大。

8. 第一节 漏电流及其危害 • 人体的电气安全参量 • 9mA摆脱电流是绝对安全电流，是最为保险的。 • 我国一直延用的30mA极限安全电流。 • 30mA·s是人体触电的极限电气安全参量，是国标。 • 取人体电阻为l000Ω为计算参考值。

9. 第一节 漏电流及其危害 • 人身触电的预防 人身接触到正常情况下不带电，由于绝缘损坏可能带电的各种电气设备的金属外壳。采用保护接地解决。 • 人身接触到正常带电的导体。有6条预防措施： (1)将带电导体、电器元件和电缆的接插头等，都封闭在坚固的外壳内。并在电气设备的外壳与盖之间设置可靠的机械闭锁装置。从而保证末合上外盖时，不能送上电；当给上电源时，便不能打开外盖，暴露带电体。 (2)对于那些不能被封闭在外壳内的裸露带电导体，如电机车用的架空线，应将其悬挂在一定高度，勿使人身触电。按照《煤矿安全规程》规定，在一般的行人巷道内，高度不得低于2m；在井底车场，从井底到乘车场的巷道内，不得低于2．2m。

10. 第一节 漏电流及其危害 (3)加强手持式电动工具（如煤电钻等)手柄的绝缘，以免带电时引起触电事故。 (4)对于人身触电机会较多的电气设备，应采用较低的供电电压，以减少触电的危险。例如，控制电源等的额定电压为36V。 (5)按照《煤矿安全规程》规定：向井下供电的变压器的中性点禁止直接接地，以减小人身触电电流。同时，也禁止使用地面上中性点直接接地的变压器或发电机直接向井下供电。 (6)装设灵敏可靠的漏电保护装置，一旦发生漏电或人身触电事故，立即切除故障线路电源，以保证人身的安全。

11. 第二节 井下供电的变压器中性点禁止直接接地分析 • 向井下供电的变压器中性点接地方式是影响人身触电电流、漏电故障电流和单相接地故障电流大小的最重要因素之一，进而也是影响人身触电危险程度和井下电火灾与瓦斯、煤尘爆炸危险程度的最重要因素之一，因此，很有必要对向井下供电的变压器中性点接地方式作一分析。

12. 人触及一相带电导体时 电网单相接地故障 变压线中性点直接接地的供电系统

13. 忽略电网对地电容 变压器中性点绝缘的供电系统

14. 考虑电网对地分布电容 变压器中性点绝缘的供电系统

16. 变压器中性点采用电感接地 • 全补偿

17. 变压器中性点采用电感接地

18. 不考虑电网分布电容，取Rr=1Ω 考虑电网分布电容，取Rr=1Ω 全补偿，取Rr=1Ω 电网单相接地故障

19. 分析结论 1、变压器中性点直接接地方式比中性点不接地和电感接地方式的人身触电电流或单相接地故障电流要大得多，人身触电电流大会增大人的生命安全的威胁，漏电流和单相接地故障电流大会增大点燃瓦斯、煤尘的可能。并且，煤矿井下空气湿度大，巷道狭窄，大的人身触电电流和单相接地故障电流对人身和设备的安全是极为不利的，因此，《煤矿安全规程》规定：“严禁井下配电变压器中性点直接接地”。 2、由于电网接地电容的影响，人身触电电流有较大的增长，这时人身触电电流中主要是电容电流分量，提高电网的绝缘水平对减小人身触电电流影响不大。

20. 分析结论 3、当电网供电距离比较长，供电容量比较大，即电缆比较长、截面积比较大时，人身触电电流比较大时，可采用变压器中性点电感接地方式，只要补偿电感值选择得当，它对减小人身触电电流是有利的。 4、电感接地方式对减小单相接地故障电流效果明显。对于煤矿井下高压（6kV或10kV）电网，大的接地电流对井下安全供电威胁极大，因此，对单相接地故障电流比较大的井下高压电网，应该采用电感（消弧线圈）接地方式，以限制煤矿井下高压电网的单相接地故障电流。《煤矿安全规程》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。”

21. 第三节 单相漏电或接地故障时电网中零序电流的分布 • 基于稳态分析的选择性漏电保护原理都是依据零序电流的大小或是依据零序电流和零序电压的相位关系来选择故障线路的，因此，要理解选择性漏电保护的工作原理，首先必须清楚发生单相漏电故障和单相接地故障时，电网中的零序电流是如何分布的。本节讨论单相漏电故障或单相接地故障时，电网中零序电流的分布。

22. 对称分量法简介 • 对称分量法相量图

23. 对称分量法简介 • 不对称电网

24. 单相漏电故障电网 对称分量法在单相漏电和接地故障分析中的应用

25. 故障点的边界条件为：

26. 对称分量法在单相漏电和接地故障分析中的应用 • 不对称的电流相量分解为正序、负序和零序三组对称电势源和相应的对称电流相量

27. 对称分量法在单相漏电和接地故障分析中的应用 • 根据线性电路的叠加原理分解为正序、负序和零序回路。

28. 对称分量法在单相漏电和接地故障分析中的应用 • 正序电路、负序电路和零序电路的单相分析电路 只有零序电流流过故障点

29. 分析结论： 1、在变压器中性点不接地或经电感接地的电网中（更一般地说，所有“非有效接地”电网中，只要满足Z0>>RW和Z0>>XW条件），分析单相接地故障或单相漏电故障时，可以将单相故障的不对称电路利用对称分量法分解为三个对称电路来分析。由于正序和负序电路的对称性，正序和负序电流对单相接地故障或是单相漏电故障电流没有影响，因此，只要单纯地分析零序电路就可准确地分析单相接地故障或是单相漏电故障电路。

30. 分析结论 2、零序相量是3个大小相等方向相同的分量，依据结论1，下图可准确描述变压器中性点不接地或经电感接地的电网中单相接地故障或是单相漏电故障电路。图中，ZN为变压器中性点接地元件，r是每相对地绝缘电阻，C是每相对地分布电容，ZN、r和C准确地描述了电网的零序元件；U0是不对称故障点的等效电势源，是由单相接地故障或是单相漏电故障产生的。

31. 3、由故障点的边界条件得： 单相漏电故障点 等值电路 单相漏电故障 等值计算电路 分析结论

32. 单相漏电或接地故障时电网中零序电流的分布 • 借助于以上分析结论——单纯零序电路就可准确地描述和分析单相接地故障或是单相漏电故障电路，零序电压U0是不对称故障点的等效电势源，复杂电网中单相接地故障或是单相漏电故障时的零序电流便可得到清楚的描述 。

33. 变压器中性点不接地电网 • 变压器中性点不接地电网

34. 变压器中性点不接地电网 所有非故障馈出线的零序电流 故障馈出线的零序电流

35. 变压器中性点不接地电网 1、所有非故障馈出线的零序电流的大小与该馈出线的每相对地（零序）导纳成正比，方向为由母线流向馈出线（即与零序电压同方向）。 2、故障馈出线的零序电流的大小是所有非故障馈出线的零序电流大小的总和，方向为由该故障馈出线流向母线（即与零序电压同方向相反）。 这2条结论是变压器中性点不接地电网设计选择性漏电保护的依据。

36. 变压器中性点经电感接地电网

37. 变压器中性点经电感接地电网 所有非故障馈出线的 零序电流 故障馈出线的零序电流

38. 变压器中性点经电感接地电网 1、所有非故障馈出线的零序电流的大小仍然与该馈出线的每相对地（零序）导纳成正比，方向为由母线流向馈出线（即与零序电压同方向）。 2、故障馈出线的零序电流的大小和方向不仅与所有非故障馈出线的每相对地（零序）导纳大小有关，而且还与变压器中性点补偿电感的补偿度有关（见图2-22相量图），因此，一般用于变压器中性点不接地电网的选择性漏电保护原理对变压器中性点经补偿电感接地的电网是不适用的。 3、故障馈出线的零序电流有功分量的大小为所有非故障馈出线和变压器中性点补偿电流有功分量的总和，并其方向与所有非故障馈出线零序电流有功分量反方向。这是变压器中性点经补偿电感接地电网采用的“零序电流有功分量选择性漏电保护原理”的保护依据。

39. 第四节 短路的原因、危害和物理过程 • 在供电系统中，短路时最严重的故障之一，煤矿井下电网若发生短路故障，更是危害极大。掌握电网发生短路时短路电流的变化规律、稳态短路参数的计算及短路电流的破坏效应等知识，有助于电气设备的正确选择和过流保护装置的设置与整定，在矿井电网的故障分析中有重要作用。

40. 短路的原因、种类及危害 • 短路是指供电系统中不等电位的导体在电气上被短接，如相与相之间的短接、相与地之间的短接等。 • 产生短路的主要原因是由于电气设备载流部分绝缘损坏。绝缘损坏是由于绝缘老化、过电压、机械损伤等造成。 • 三相电网中，可能发生的主要短路类型有三相短路、两相短路。第一种短路称为对称短路，其它为不对称短路。

41. 短路的原因、种类及危害 • 在供电系统中，发生单相短路的可能性最大，但一般三相短路的短路电流值最大。 • 为了使电气设备在最严重的短路情况下不致损坏，常用三相短路电流来校验电气设备承受短路的能力。 • 两相短路电流数值最小，常用来校验短路保护装置的灵敏度，使保护装置对最轻的短路故障也有较强的反应能力。

42. 短路的原因、种类及危害 • 短路产生的危害： （1）对供电系统及电气设备造成危害。 • 短路电流比正常电流一般大几十至几百倍，强大的短路电流所产生的热和电动力效应会使电气设备受到破坏； • 短路点的电弧可能烧毁电气设备； • 短路点附近的电压显著降低，使供电受到严重影响或被迫中断； • 若在发电厂附近发生短路，还可能影响电力系统运行的稳定性，使并列运行的发电机组失去同步，造成系统解列。

43. 短路的原因、种类及危害 2）不对称接地短路所造成的零序电流，会在附近的通讯线路内产生感应电动势，干扰通讯； 3）在井下，短路也是引起沼气煤尘爆炸和电气火灾的主要原因之一。 因此，在供电系统中必须设置短路保护，一旦发生短路，应尽快切断故障部分的电源。

44. 无限大电源容量系统短路电流暂态过程及参数 • 无限大电源容量是一个相对的概念，它是指电源距短路点的“电气距离”较远、电源额定容量远大于系统供给短路点的短路容量的电源，常用S=∞表示。 • “电气距离”较远，是指电源阻抗小于短路回路总阻抗10%的情况。 • 对于无限大电源容量系统，在分析短路暂态过程中，可以不考虑电源内部的参数，可以认为电源电压维持不变。

45. 三相短路电流暂态过程分析 • 供电系统发生三相短路的电路如图所示，RWL、LWL为线路的电阻和电感，RL和LL为负载的电阻和电感。由于电路对称，可取一相来分析。

46. 三相短路电流暂态过程分析 • 短路前电路中的电压和电流为 其中

47. 三相短路电流暂态过程分析 • 在k处发生三相短路时，负载回路被短接，失去电源。k点处的电位为零，电源电压全部加在短路回路上。 • 在电源至短路点的回路内，电流将由原来的负载电流增大为短路电流，其瞬时值可由短路回路的微分方程来确定。

48. 三相短路电流暂态过程分析 • 可得一相的回路方程式为 • 解一阶常系数非齐次微分方程，可得短路全电流表达式为

49. 三相短路电流暂态过程分析 式中: Ipe ——短路后的稳态电流值，称周期分量； Iap——短路电流非周期分量； Ipe.m ——短路电流周期分量幅值； ——短路回路的阻抗角， Tk——短路回路的时间常数，

50. 三相短路电流波形图