煤矿井下127V照明综保短路保护问题分析及其解决方案

第１１卷第２期　２０１２年４月　北京工业职业技术学院学报　ＪＯＵＲＮＡＬ　ＯＦ　ＢＥＩＪＩＮＧ　ＰＯＬＹＴＥＣＨＮＩＣ　ＣＯＬＬＥＧＥ　№．２　Ｖ０１．１１　Ａｐｒ．２０１２　

煤矿井下１　２７　Ｖ照明综保短路保护　问题分析及其解决方案　

刘金华　（北京工业职业技术学院实训中心，北京１０００４２）　

摘要：针对用户提出的短路保护不动作问题，对综保短路电流的整定原则、不同截面电缆保护距离的参数　要求进行了验证和计算分析。结果表明：随意延长和使用不同截面电缆进行串接是造成两相短路时电流减　小、短路保护失效的主要原因。只有按技术要求安装、使用综保，严格规范１２７Ｖ供电保护系统管理，才能保　证短路保护动作可靠，避免电气事故，保障煤矿安全生产。　关键词：照明综保；短路保护失效；解决方案　中图分类号：ＴＤ６１１　．５　文献标识码：Ａ　文章编号：１６７１—６５５８（２０１２）０２—２３—０４　

Ａｎａｌｙｓｉｓ　ａｎｄ　Ｓｏｌｕｔｉｏｎｓ　Ａｂｏｕｔ　Ｓｈｏｒｔ—ｃｉｒｃｕｉｔ　Ｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ’Ｓ　Ｆａｉｌｕｒｅ　ｏｆ　ｔｈｅ　１　２７一ｖｏｌｔ　Ｓｉｇｎａｌ　Ｌｉｇｈｔｉｎｇ　Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ　ｕｎｄｅｒ　ｔｈｅ　Ｃｏａｌ　Ｍｉｎｅ．　

Ｌｉｕ　Ｊｉｎｈｕａ　（Ｔｒａｉｎｉｎｇ　Ｃｅｎｔｅｒ，　Ｂｅｉｊｉｎｇ　Ｐｏｌｙｔｅｃｈｎｉｃ　Ｃｏｌｌｅｇｅ，Ｂｅｉｊｉｎｇ　１０００４２，Ｃｈｉｎａ）　

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｆｏｒ　ｔｈｅ　ｐｒｏｂｌｅｍ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｓｈｏｒｔ—ｃｉｒｃｕｉｔ　ｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ’Ｓ　ｆａｉｌｕｒｅ　ｐｒｏｐｏｓｅｄ　ｂｙ　ｔｈｅ　ｕｓｅｒ，ｔｈｉｓ　ａｒｔｉｃｌｅ　ｔｅｓｔｓ　ａｎｄ　ｖｅｒｉ—　ｔｉｅｓ　ｔｈｅ　ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ　ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔ　ａｃｃｏｒｄｉｎｇ　ｔｏ　ｔｈｅ　ｔｕｎｉｎｇ　ｐｒｉｎｃｉｐｌｅｓ　ｏｆ　ｓｈｏｒｔ－－ｃｉｒｃｕｉｔ　ｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ　ｄｉｓ・・　ｔａｎｃｅｓ　ｏｆ　ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ　ｃｒｏｓｓ—ｓｅｃｔｉｏｎ　ｃａｂｌｅ．Ｉｔ　ｐｏｉｎｔｓ　ｏｕｔ　ｔｈａｔ　ｔｈｅ　ｍａｉｎ　ｃａｕｓｅ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｓｈｏｒｔ—ｃｉｒｃｕｉｔ　ｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ’Ｓ　ｆａｉｌｕｒｅ　ｉｓ　ｔｏ　ｃｏｎｎｅｃｔ　ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ　ｃｒｏｓｓ—ｓｅｃｔｉｏｎ　ｃａｂｌｅｓ　ｉｎ　ｓｅｒｉｅｓ．Ｏｎｌｙ　ｂｙ　ｉｎｓｔａｌｌｉｎｇ　ａｎｄ　ｕｓｉｎｇ　ｔｈｅ　ｃｏｍｐｒｅｈｅｎｓｉｖｅ　ｓｅｃｕｒｉｔｙ　ｅｑｕｉｐ－　ｍｅｎｔ　ｃｏｒｒｅｃｔｌｙ　ｃａｎ　ｗｅ　ｅｎｓｕｒｅ　ｔｈｅ　ｓｈｏｒｔ　ｃｉｒｃｕｉｔ　ｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ　ｔｏ　ｗｏｒｋ　ｗｅｌｌ，ａｖｏｉｄ　ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ　ａｃｃｉｄｅｎｔｓ，ｇｕａｒａｎｔｅｅ　ｔｈｅ　ｓａｆｅｔｙ　ｏｆ　ｃｏａｌ　ｍｉｎｅ　ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｓｉｇｎａｌ　ｌｉｇｈｔｉｎｇ　ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ　ｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ；ｓｈｏｒｔ—ｃｉｒｃｕｉｔ　ｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ　ｆａｉｌｕｒｅ；ｓｏｌｕｔｉｏｎｓ　

０引言　北京煤炭矿用设备厂是最早研制矿用隔爆型煤　矿井下１２７伏照明信号综合装置（以下简称综合装　置）的生产厂家之一。该综合装置主要应用于煤矿井　下照明、信号及各种自动化控制系统中的供电安全和　保护。随着煤矿开采水平及机械装备水平的提高，井　下综采工作面走向、掘进深度及皮带运输距离等都越　来越长，其相应的综合装置供电距离也跟随延伸。在　此情况下，有许多用户向厂家反映综合装置使用中出　现的一些问题。我们对用户提出的问题进行了汇总，　

收稿日期：２０１２—０２—２７　作者简介：刘金华（１９５６一），男，北京人，高级工程师，主要从事矿用隔爆型机电产品的研制开发工作。

　北京工业职业技术学院学报　第１１卷　并对短路保护失效问题进行重点分析和试验，找出了　问题的主要原因：（１）相关煤矿对安全管理重视不够，　综合装置使用人员缺乏必要的技术培训；（２）在使用　过程中随意延长短路保护距离、随意使用不同截面的　电缆进行串接，导致综合装置长期存在供电距离过长　或电缆截面不够，短路保护失效。　１　综合装置短路保护参数计算方法和保护失效试　验分析　综合装置按其电源变压器容量主要分为２．５　ｋＶＡ，４．０　ｋＶＡ和１０　ｋＶＡ　３个系列；按额定电压分为　１１４０，６６０／１３３（Ｖ）和６６０，３８０／１３３（Ｖ）２种；按交流　接触器形式又分为真空型和空气型。该产品在其短　路保护设计中，首先按综合装置变压器额定容量确　定各电压等级侧额定电流值，再确定其电子保护中　的短路电流整定值，最后根据短路保护的电流整定　值和选配的电缆截面计算并确定短路保护距离。　１．１　按综合装置变压器容量确定其各电压等级侧　额定电流　以变压器容量４．０　ｋＶＡ型号为例说明。根据三　相变压器的功率公式Ｓ＝　ＵＩ，得出变压器各电压　等级侧额定电流计算公式：　＝　…　公式（１）中ｓ　为变压器额定容量，４ｋＶＡ；ＵＮ为　变压器额定电压（１１４０　Ｖ，６６０　Ｖ／１３３　Ｖ）。　４ｋＶＡ综合装置各电压等级侧额定电流计算结果　如表１所示。２～ｋＶＡ，１０　ｋＶＡ　２个型号的照明信号　综合装置电压等级侧额定电流确定方法与上相同。　

表１　综合装置变压器参数　

１．２综合装置短路保护电流整定依据及计算　在井下１２７Ｖ供电系统中，综合装置选用电子　保护作为短路保护时，依据《煤矿井下低压电网短　路保护装置整定细则》中供电网络中两相最小短路　电流必须选用额定电流的１．２—１．５倍的规定　Ｊ，　厂家在设计综合装置短路保护计算中，二次额定电　压取其标称电压Ｕｅ＝１３３Ｖ；其两相最小短路电流　整定系数取其倍数下限１．２倍，两相最小短路电流　计算结果为Ｉ，ｔ＝１７．４×１．２＝２０．８８　Ａ。为了综合装　置更加可靠动作，照明短路电流整定值确定为２０Ａ　±１０％。　当综合装置电源变压器二次侧额定电流和二次　侧两相最小短路电流整定值选定后，再根据综合装　置变压器其他参数值和选配的电缆参数值就能计算　出其最远短路保护距离。根据这一设计思路和相关　计算，综合装置生产厂在企业标准和说明书中对其　短路保护作出表２的规定。这就要求使用综合装置　时应严格按表２的要求选配相应的电缆长度，正确　安装和使用。保证运行状态符合表２参数规定，保　障设备安全和煤矿企业生产安全。　

表２　４ｋＶＡ照明信号综合装置短路保护参数表　第２期　刘金华：煤矿井下１２７Ｖ照明综保短路保护问题分析及其解决方案　２５　１．３　综合装置的短路试验及分析　为了证实综合装置短路保护存在的问题，根据　用户反馈的信息和现场使用情况，我们参照表２数　据并选用不同截面、不同长度的电缆进行串接，对综　合装置做了末端两相短路试验。通过对试验数据进　行记录和分析，我们得出以下结论：如果超出使用说　明书表２规定的要求范围，普遍存在短路保护不动　作的现象，即如果综合装置使用中随意选择不同截　面电缆串接来延长供电距离，一旦发生末端两相短　路，将造成两相短路电流小于短路保护整定值，短路　保护装置不动作，形成事故隐患。　２综合装置照明短路保护距离的计算　根据《煤矿井下低压电网短路保护装置的整定　细则》规定心Ｊ２０，井下低压供电系统中短路保护的整　定，必须首先计算供电系统中两相短路电流。　综合装置在设计时的思路是ｌ首先按变压器容　量确定各电压等级侧额定电流，再计算供电系统中　两相短路电流，进而确定电子短路保护中的动作电　流整定值。旨在保证综合装置电源变压器安全运行　前提下来确定短路保护的整定值。最后，按短路保　护的电流整定值和选择的供电电缆的相关叁数计算　和核定综合装置的保护距离。把确定的两相短路电　流整定值、变压器和不同截面电缆参数代入公式　（２）是一个反算过程，即核算不同截面电缆在保证　综合装置短路保护可靠动作条件下的保护距离。　２．１　短路电流及供电距离的计算公式　短路电流计算公式为　＝　（２）　其中，ＸＲ＝Ｒ１＋Ｒ２；Ｘｘ＝Ｘ１＋　。　式中，　’为两相短路电流整定值，Ａ；职、Ｚｘ　为短路回路内一相电阻、电抗值的总和，Ｑ；Ｒ　、Ｘ　为变压器线圈的电阻、电抗值，ｎ；Ｒ　、Ｘｚ为低压电　缆的电阻、电抗值，Ｑ；Ｕｅ为变压器二次侧额定电　压，对于１２７Ｖ网络，　用１３３Ｖ计算。　需要指出的是，用公式（２）计算两相短路电流　的保护距离时，不考虑短路电流周期分量的衰减，短　路回路的接触电阻和电弧电阻也忽略不计。因高压　侧的电缆阻抗值及系统电抗值一般都较小，为了计　算方便一般都忽略不计。　２．２计算综合装置短路保护距离所需的变压器、电　缆有关技术参数　变压器、电缆有关技术参数如表３所示。　

表３　综合装置计算短路保护距离技术参数表　

２．３　短路保护最大保护距离的计算　将表３中１，２行的变压器参数、６ｍｍ　电缆参数　和短路电流整定值　＝２１　Ａ代人计算公式（２）得出：　２１：——＝二＝＝＝＝＝＝＝＝　＝＝＝＝＝＝＝＝＝　２￣／（ｏ．１５４８＋３．１３Ｌ）　＋（０．１２５＋０．０９５Ｌ）　计算结果为Ｌ＝０．９５９ｋｍ＝９５９ｍ（理论计算　值）。　．　即：综合装置选用６ｍｍ　电缆且短路电流整定　值为２１Ａ时的照明最大保护距离，理论值为９５９ｍ。　为了保证综合装置短路保护的可靠性，生产厂家企　业标准规定保护距离为６００ｍ。　同理，可计算出综合装置选用４ｍｍ　电缆且短　路电流整定值为２１Ａ时的照明最大保护距离理论　值为６３８ｍ，而企业标准规定保护距离为４００ｍ。　３　照明短路保护失效问题解决方案　从上面的分析计算可知，解决综合装置短路保　护失效问题的关键要从两方面人手解决：（１）严格　按照表２规定的各项技术指标和说明书要求正确安　装；（２）现场需要不同截面电缆相互串接时必须先　进行保护距离验算，不得随意串接。　３．１　不同截面电缆串接时短路保护距离的计算和　验算　如果在综合装置使用现场需要不同截面电缆进　行串接照明负载时，综合装置中允许最长供电短路　保护距离必须满足表２的要求，在不考虑高压侧电　

路阻抗及系统阻抗的情况下，可按公式（３）计算其　２６　北京工业职业技术学院学报　第１１卷　换算到６ｍｍ　或４ｍｍ　电缆时的总换算长度，且其总　换算长度不得大于全部采用６ｍｍ　或４　ｍｍ　电缆供　电时的最长允许供电距离。　电缆换算长度公式　ＬＨ＝ＬＩＫｌ＋　２　＋……＋￡　（３）　式中，　为电缆总换算长度，ｍ；　，　，…；￡　为　各段电缆的实际长度，ｍ；Ｋ　、Ｋ２、…、　为电缆换算　系数，各种电缆换算系数见表４。　表４电缆换算系数表　

３．２不同截面电缆串接时短路保护距离的计算实　例　根据表３说明，已知综合装置选用６ｍｍ　电缆　的照明短路最远保护距离Ｌ＝６００ｍ，选用４ｍｍ　电　缆的照明短路最远保护距离Ｌ＝４００ｍ，根据综合装　置现场使用情况求出６ｍｍ　电缆５００ｍ后最长能串　接２．５ｒａｍ　电缆多少ｍ以及４ｍｍ　电缆３００ｍ后最　长能串接２．５ｍｍ　电缆多少ｍ。　计算方法和步骤为：　（１）根据公式（３），得出２种不同截面电缆串接　的长度计算公式：　Ｌｔ：Ｌ　ｎ　（４）　式中，　为电缆总换算长度，ｉｎ；　为串接电缆　的计算长度，ｍ；　为串接电缆换算系数。　（２）设６ｒａｍ　电缆５００ｍ后最长串接２．５ｒａｍ　电　缆的长度为Ｌ　；４ｒａｍ　电缆３００ｍ后最长串接　２．５ｒａｍ　电缆长度为￡　。　（３）将已知量和折算系数代人公式（４）得出：　Ｌ　＝６　００－　５００＝３５ｍ；　＝　－５２　即：６ｍｍ　电缆５００ｍ后最多串接２．５ｍｍ　电缆　３５ｍ，４ｍｍ　电缆３００ｍ后最多串接２．５ｍｍ　电缆　５２ｍ。　为了方便使用者，防止设备使用人员随意选择　供电电缆截面和延长供电距离以及不同截面的电缆　任意串接而使综合装置的短路保护功能失效，我们　依据表２和公式（４）核算出综合装置选用４ｍｍ　和　６ｍｍ　电缆串接２．５ｒａｍ　和１．５ｍｍ　电缆长度参照　表如表５所示，供设备使用人员在现场参考使用。　应注意到表５只是一个参考值。要确保综合装置的　保护功效，现场使用人员的安全意识、专业知识、技　术水平以及根据现场条件科学处理问题方法也很重　要。　表５不同截面电缆串接时参照表　串接电缆截面积　串接长度　５００ｍ后４００ｍ后３００ｍ后２００ｍ后５００ｍ后４００ｍ后３００ｍ后２００ｍ后　４ｍｍ　电缆　６ｒａｍ　电缆　５２ｍ　１０５ｍ　４０ｍ　８０ｍ　３５ｍ　７０ｍ　１０５ｍ　１４０ｍ　２６ｍ　５３ｍ　８０ｍ　１０７ｍ　４结论　对于煤矿井下较长的综采工作面、掘进工作面　及皮带运输系统的１２７Ｖ低压照明供电系统，由于　其供电距离较长，综合装置如果不按产品说明书的　技术要求正确使用，就会造成照明短路保护失效的　安全隐患。只有加强安全管理，提高从业人员技术　素质，正确的使用综合装置，合理的选择供电电缆的　截面，保障不同截面电缆在串接时符合最小短路保　护距离要求，规范井下１２７Ｖ供电系统的管理，才能　解决和排除井下１２７Ｖ供电系统中存在的安全隐　患，确保井下供电安全和煤炭企业的安全生产。　参考文献　［１］李瑞荣．短路电流实用计算［Ｍ］．北京：中国电力出版　社，２００３．　［２］北京煤炭矿用设备厂．企业标准［Ｍ］．北京：北京煤炭矿　用设备厂，２０１０．　［３］煤炭工业部．煤矿井下低压电网短路保护装置整定细则　［Ｍ］．北京：煤炭工业出版社，２０１１．　（责任编辑：刘莉宏）