煤矿井下继电保护整定计算试行

郑州煤炭工业（集团）有限责任公司(

函)

郑煤机电便字【2016】14号

关于下发井下供电系统继电保护整定方案

(试行)的通知

集团公司各直管矿井及区域公司：

为加强井下供电系统安全的管理，提高矿井供电的可靠性，必须认真做好供电系统继电保护整定工作。结合郑煤集团公司所属矿井的实际情况，按照电力行业的有关标准和要求，特制定《井下供电系统继电保护整定方案》（试行），请各单位根据井下供电系统继电保护整定方案，结合本单位的实际情况，认真进行供电系统继电保护整定计算，并按照计算结果整定。在实际执行中不断完善，有意见和建议的，及时与集团公司机电运输部联系。

机电运输部

二〇一六年二月二十九日

井下供电系统继电保护整定

方案（试行）

郑煤集团公司

前言

为提高煤矿井下供电继电保护运行水平，确保井下供电可靠性,指导供电管理人员对高低压保护整定工作，集团公司组织编写了《井下供电系统继电保护整定方案》（试行）。

《井下供电系统继电保护整定方案》共分为六章，第一章高低压短路电流计算，第二章井下高压开关具有的保护种类，第三章矿井高压开关短路、过载保护整定原则及方法，第四章井下供电高压电网漏电保护整定计算，第五章低压供电系统继电保护整定方案，第六章127伏供电系统整定计算方案。

由于煤矿继电保护技术水平不断提高，技术装备不断涌现，加之编写人员水平有限，编写内容难免有不当之处，敬请各单位在今后的实际工作中要针对新情况新问题不断总结和完善，对继电保护的整定计算方案提出改进意见和建议。

二〇一六年二月二十九日

目录

第一章高低压短路电流计算............................................................

第一节整定计算的准备工作......................................................

第二节短路计算假设与步骤......................................................

第三节各元件电抗计算............................................................

第四节短路电流的计算............................................................

第五节高压电气设备选择.........................................................

第六节短路电流计算实例.........................................................

第二章高压配电装置所具有的保护种类 ............................................

第一节过流保护装置...............................................................

第二节单相接地保护...............................................................

第三节其它保护种类...............................................................

第三章高压开关短路、过载保护整定原则及方法................................

第一节矿井供用电设备继电保护整定原则...................................

第二节继电保护配置的基本原则 ...............................................

第三节继电保护整定计算方法...................................................

第四节高压开关整定计算实例...................................................

第四章高压漏电保护整定方案.........................................................

第一节高压漏电保护整定原则...................................................

第二节漏电保护整定方案.........................................................

第五章井下低压开关保护整定计算.................................................

第六章127伏供电系统的整定计算.................................................

第一节照明信号综保装置的整定值固定的情况.............................

第二节智能型照明信号综合保护装置 .........................................

第一章高低压短路电流计算

在电力系统的电气设备，在其运行中都必须考虑到可能发生的各种故障和不正常运行状态，最常见同时也是最危险的故障是发生各种型式的短路，因为它们会遭到破坏对用户的正常供电和电气设备的正常运行。

为了限制短路的危害和缩小故障影响的范围，在变电站和供电系统的设计和运行中，必须进行短路电流计算，以解决下列技术问题。

1、确定合理的主结线方案和主要运行方式；

2、确定合理的继电保护方案，使之能正确地切除短路故障；

3、确定合理的限流措施；

4、确定合理的设备选择方案；

5、校验设备的分断能力、动、热稳定性；

6、校验继电保护的灵敏度。

在进行短路电流计算时，由于电力系统中各开关状态的不同，造成短路回路的阻抗的变化。同一点同类型短路电流最大为“最大运行方式”；短路电流最小为“最小运行方式”。最大运行方式的短路电流用于校验设备的分断能力和动、热稳定性，用于整定速断保护，最小运行方式的短路电流用于校验继电保护的灵敏度。

第一节整定计算的准备工作

一、掌握煤矿所有电气设备情况并建立资料档案

1、绘制标有主要电气·设备参数和TA、TV变比的高、低压供电系统接线图。

2、收集全矿电气设备所有电气参数，按变压器、电抗器、电容器、高压电动机、低压电动机等电气设备分门别类建立参数表。

3、收集并掌握高爆开关、馈电开关、电磁起动器保护配置图、说明书。

4、对工作面的每一种负荷进行统计，根据负荷情况，确定需用系数及平均功率因数。

二、了解掌握继电保护情况和图纸资料

需要了解掌握的继电保护内容主要有：原理展开图、有关的二次回路、盘面布置图、继电保护的技术说明书等。

三、绘制阻抗图

阻抗图分为正序、负序、零序阻抗图三部分，通常都取正、负序阻抗值相同。阻抗图可采用标幺值或有名值。

四、研究确定电力系统运行方式

可能出现的最大、最小运行方式，包括开机方式、变压器中性点接地方式、线路投停

原则等。

电力系统潮流情况，特别是线路的最大负荷电流。

电力系统稳定极限功率，要求切除故障的时间。

无功补偿工作方式及特性。

安全自动装置的使用方式。

五、学习有关的规章制度

在进行继电保护整定计算前，应搜集和学习有关的规章制度，以促使整定计算工作顺利进行。有关的规章制度如：《电力工业技术管理法规》（试行）、《继电保护和安全自动装置技术规程》DL400－91、《煤矿供电设计与继电保护整定计算示例》、继电保护反事故措施、继电保护整定计算规则条例等等。

第二节短路计算假设与步骤

一、短路计算基本假设

1、正常工作时，三相系统对称运行；

2、所有电源的电动势相位角相同；

3、电力系统中各元件的磁路不饱和，即带铁芯的电气设备电抗值不随电流大小发生变化；

4、不考虑短路点的电弧阻抗和变压器的励磁电流；

5、元件的电阻略去，输电线路的电容略去不计，及不计负荷的影响；

6、系统短路时是金属性短路。

二、基准值

高压短路电流计算一般只计算各元件的电抗，当采用标幺值进行计算，为了计算方便选取如下基准值：

基准容量：S j = 100MVA

基准电压：V g（KV）37 10.5 6.3

三、短路电流计算的步骤

1、计算各元件电抗有名值或标幺值；

2、给系统制订等值网络图；

3、选择短路点；

4、对网络进行化简，并计算短路电流标幺值、有名值。

5、计算短路容量，短路电流冲击值

短路容量： S = 3 V j I?

短路电流冲击值：I cj = 2.55I?

6、列出短路电流计算结果。

第三节各元件电抗计算

一、系统运行方式的确定

最大、最小运行方式的选择，目的在于计算通过保护装置的最大、最小短路电流。电力系统中，为使系统安全、经济、合理运行，或者满足检修工作的要求，需要经常变更系统的运行方式，由此相应地引起了系统参数的变化。在设计变、配电站选择开关电器和确定继电保护装置整定值时，往往需要根据电力系统不同运行方式下的短路电流值来计算和校验所选用电器的稳定度和继电保护装置的灵敏度。

最大运行方式，是系统在该方式下运行时，具有最小的短路阻抗值，发生短路后产生的短路电流最大的一种运行方式。一般根据系统最大运行方式的短路电流值来校验所选用的开关电器的稳定性。

最小运行方式，是系统在该方式下运行时，具有最大的短路阻抗值，发生短路后产生

的短路电流最小的一种运行方式。一般根据系统最小运行方式的短路电流值来校验继电保护装置的灵敏度。

在线路末端发生短路时，流过保护的短路电流与下列因素有关：

1、系统的运行方式，包括机组、变压器、线路的投入情况，环网的开环闭环，平行线路是双回运行还是单回路运行。

2、短路类型。

3、电流分配系数。

二、各元件电抗的计算

1、系统的电抗

如果知道电源母线上的短路容量S k和电压则系统电抗

有名值：

式中：s X—电源系统电抗

U—系统中平均电压

av

S—电源系统短路容量

k

标幺值：

式中：s X—电源系统电抗

*

X—电源系统电抗标幺值

s

S—电源系统短路容量

k

S—电源系统短路容量基准值

d

U—系统中平均电压

av

U—系统基准电压

d

2、变压器的电抗

由变压器的短路电压百分数Uk%的定义可知：

有名值： r

T N S U V Z av

k T ??

=2

100% T Z —变压器阻抗有名值

av U —短路点平均电压 r

T N S ?—变压器额定容量

由于变压器的电阻较小，一般可以忽略变压器的电阻，则变压器的电抗X T 就等于其阻抗Z T 。上式中没有采用变压器的额定电压，而是采用短路点所在处的线路的平均额定电压，是因为变压器的阻抗应折算到短路点所在处，以便计算短路电流。

如果需要考虑变压器的电阻R T 时，可根据变压器的短路损耗ΔP K ，按照下式计算：

R T =ΔP K ．

式中：ΔP K —变压器的短路损耗；

U NT —变压器的额定电压； S NT —变压器的额定容量

由上式计算出变压器阻抗ZT ，按照下式计算变压器的电抗。

XT=

同理可以计算出标幺值： 式中： T X —变压器电抗有名值

*

T

X —变压器电抗标幺值 %

k V —变压器短路电压百分值

av U —短路点平均电压 r

T N S ?—变压器额定容量

3、电抗器的电抗

电抗器的电抗以其额定值的百分数形式给出，按照下式计算电抗值。

有名值：

cR

N U ?—电抗器额定电压；

cR

N I ?—电抗器额定电流；

同理可计算标幺值如下：

式中： L X —电抗器电抗有名值；

*L

X —电抗器电抗标幺值；

%cR x —电抗器百分电抗值； cR

N U ?—电抗器额定电压；

cR

N I ?—电抗器额定电流

4、线路的电抗

线路的电抗随着导线间的几何均距及线径而变，可从手册中查出单位长度的电抗值，按照下式求得，

有名值：

Xl —线路的电抗值，Ω； X —单位长度电抗，Ω/km ； L —线路长度，km 。 同理可计算标幺值计算： 式中：Sb —基准容量； Uav —线路的平均电压。

第四节 短路电流的计算

一、有名制法

短路计算公式：

∑=

1

)

3(3X U I av d

)

3(d

I —系统中发生三相短路时，短路点的短路电流 av

U —系统短路点所在线段的平均电压

∑1

X —归算到短路点的综合正序等值电抗。

一般情况下一个或二个电压等级的供电系统采用有名值计算较为简单。 二、标幺制法

短路计算公式：

其有名值为：

式中： )

3(*d I —系统中发生三相短路时，短路点的短路电流标幺值

)

3(d

I —系统中发生三相短路时，短路点的短路电流有名值

∑*

1X —归算到短路点的综合正序等值电抗标幺值。

三、两相短路电流的计算： 一般用于效验保护灵敏度 四、短路电流冲击值的计算： 一般用于效验短路动稳定性

五、短路全电流最大有效值的计算： 一般用于效验短路热稳定性

第五节 高压电气设备选择

一、高压电气设备选择的一般条件和原则

为了保障高压电气设备的可靠运行，高压电气设备选择与校验的一般条件有：按正常工作条件包括电压、电流、频率、开断电流等选择；按短路条件包括动稳定、热稳定校验；

按环境工作条件如温度、湿度、海拔等选择。

1、按正常工作条件选择高压电气设备

（1）额定电压和最高工作电压

可按照电气设备的额定电压U N不低于装置地点电网额定电压U Ns的条件选择，即

U N ≥U

Ns

（2）额定电流

电气设备的额定电流I N是指在额定环境温度下，电气设备的长期允许通过电流。I N应不小于该回路在各种合理运行方式下的最大持续工作电流I max，即

I N ≥I

max

（3）按环境工作条件校验

在选择电气设备时，还应考虑电气设备安装地点的环境(尤须注意小环境)条件，当气温、风速、温度、污秽等级、海拔高度、地震烈度和覆冰厚度等环境条件超过一般电气设备使用条件时，应采取措施。

2、按短路条件校验

（1）短路热稳定校验

短路电流通过电气设备时，电气设备各部件温度(或发热效应)应不超过允许值。满足热稳定的条件为：

式中 I t—由生产厂给出的电气设备在时间t秒内的热稳定电流。

I∞—短路稳态电流值。

t—与I

t

相对应的时间。

t

dz

—短路电流热效应等值计算时间。

（2）电动力稳定校验

电动力稳定是电气设备承受短路电流机械效应的能力，也称动稳定。满足动稳定的条

件为

ch

es i i ≥ 或

ch

es I I ≥

式中 i ch 、I ch —短路冲击电流幅值及其有效值；

i es 、I es ——电气设备允许通过的动稳定电流的幅值及其有效值。 （3）短路计算时间

校验热稳定的等值计算时间t dz 为周期分量等值时间t z 及非周期分量等值时间t fz 之和，对无穷大容量系统，∞=''I I ，显然t z 按和短路电流持续时间相等,按继电保护动作时间t pr 和相应断路器的全开断时间t ab 之和，即

t z =t b +t kd 而 tkd=tgf+th 式中 tkd —断路器全开断时间； td —保护动作时间； tgf —断路器固有分闸时间；

th —真空断路器开断时电弧持续时间，标准规定的断路器开关时合格的燃弧时间是3～15ms ，实际试验中3～9ms 的最多，燃弧时间和首开相的开断时刻有关。

开断电器应能在最严重的情况下开断短路电流，考虑到主保护拒动等原因，按最不利情况，取后备保护的动作时间。

目前煤矿高压基本采用真空配电装置，发生短路故障开关综合保护发出动作指令至断路器断开，动作时间一般小于0.1s ，热稳定性的计算时间一般可以采用0.1s 。

二、高压断路器的选择 1、高压断路器的选择

高压断路器选择及校验条件除额定电压、额定电流、热稳定、动稳定校验外，还应注意以下几点：

（1）断路器种类和型式的选择

高压断路器应根据断路器安装地点、环境和使用条件等要求选择其种类和型式。 高压断路器的操动机构，大多数是由制造厂配套供应，目前集团公司在用的有永磁式、弹簧式等两种种型式的操动机构可供选择。永磁机构必须配有控制模块，其优点:①结构简单；②动作可靠性高,故障率较低；③出力曲线与开关动作曲线匹配较好。缺点:①合闸电流大；②手动操作特性不好；③成本相对高。弹簧操动机构:其优点:①需要功率低；②可电动或手动操作；③成本相对低。缺点:①结构复杂；②故障率较高；③出力曲线与开关动作曲线匹配不好。

（2）额定开断电流选择

在额定电压下，断路器能保证正常开断的最大短路电流称为额定开断电流。高压断路器的额定开断电流I Nbr ，不应小于实际开断瞬间的短路电流周期分量I zt ，即

I Nbr ≥I zt

当断路器的I Nbr 较系统短路电流大很多时，为了简化计算，也可用次暂态电流I"进行选择即

I Nbr ≥I" （3）短路关合电流的选择

断路器的额定关合电流i Ncl 不应小于短路电流最大冲击值i ch ，即： i Ncl ≥i ch 三、高压熔断器的选择

高压熔断器按额定电压、额定电流、开断电流和选择性等项来选择和校验。 1、额定电压选择

对于一般的高压熔断器，其额定电压U N 必须大于或等于电网的额定电压U Ns 。但是对于充填石英砂有限流作用的熔断器，则不宜使用在低于熔断器额定电压的电网中，这是因为限流式熔断器灭弧能力很强，在短路电流达到最大值之前就将电流截断，致使熔体熔断时

因截流而产生过电压，其过电压倍数与电路参数及熔体长度有关，一般在U N s=U N的电网中，过电压倍数约2 2.5倍，不会超过电网中电气设备的绝缘水平，但如在U Ns

2、额定电流选择

熔断器的额定电流选择，包括熔管的额定电流和熔体的额定电流的选择。

（1）熔管额定电流的选择

为了保证熔断器载流及接触部分不致过热和损坏，高压熔断器的熔管额定电流应满足式的要求，

即 I Nft≥I Nfs

式中 I Nft—熔管的额定电流；

I

Nfs

—熔体的额定电流

（2）熔体额定电流选择

为了防止熔体在通过变压器励磁涌流和保护范围以外的短路及电动机自启动等冲击电流时误动作，保护35kV及以下电力变压器的高压熔断器，其熔体的额定电流可按式选择，即：

I

Nfs =KI

max

式中 K—可靠系数(不计电动机自启动时K=1.1 1.3，考虑电动机自启动时K=1.5 2.0)；

I

max

一电力变压器回路最大工作电流。

用于保护电力电容器的高压熔断器的熔体，当系统电压升高或波形畸变引起回路电流增大或运行过程中产生涌流时不应误熔断，其熔体按式选择，即

I Nfs =KI

Nc

式中 K一可靠系数(对限流式高压熔断器，当一台电力电容器时K=1.5 2.0，当一组电力电容器时K=1.3 1.8)；

I Nc 一电力电容器回路的额定电流。 3、熔断器开断电流校验

I Nbr ≥I ch (或I") 式中I Nbr —熔断器的额定开断电流 对于没有限流作用的熔断器，选择时用冲击电流的有效值I ch 进行校验；对于有限

流作用的熔断器，在电流达最大值之前已截

断，故可不计非周期分量影响，而采用I"进行校验。

4、熔断器选择性校验

为了保证前后两级熔断器之间或熔断器与电源(或负荷)保护装置之间动作的选择性，应进行熔体选择性校验。各种型号熔断器的熔体熔断时间可由制造厂提供的安秒特性曲线上查出。如图所示，为两个不同熔体的安秒特性曲线（I Nfs1

对于保护电压互感器用的高压熔断器，只需按额定电压及断流容量两项来选择。 四、电缆的选择

电缆的基本结构包括导电芯、绝缘层、铅包（或铝包）和保护层几个部分。按其缆芯材料分为铜芯和铝芯两大类。按其采用的绝缘介质分油浸纸绝缘和塑料绝缘两大类。

电缆制造成本高，投资大，但是具有运行可靠、不易受外界影响、不需架设电杆、不占地面、不碍观瞻等优点。

1、按结构类型选择电缆

根据电缆的用途、电缆敷设的方法和场所，选择电缆的芯数、芯线的材料、绝缘的种类、保护层的结构以及电缆的其它特征，最后确定电缆的型号。常用的矿用电力电缆有塑

料绝缘电缆和橡胶电缆等。

一般固定敷设的6千伏或10千伏选用YJV型交联聚乙烯绝缘聚氯乙烯护套电缆、聚氯乙烯绝缘聚氯乙烯护套电缆；向采煤工作面或移动变电站供电的电缆采用UGSP型双屏蔽橡套电缆。

在立井井筒或倾角为45°及其以上的井巷内，应采用聚氯乙烯绝缘粗钢丝铠装据聚氯乙烯护套电力电缆、交联聚氯乙烯绝缘粗钢丝铠装据聚氯乙烯护套电力电缆；

在水平巷道或倾角在45°以下的井巷应采用用聚氯乙烯绝缘钢带或细钢丝铠装据聚氯乙烯护套电力电缆、交联聚氯乙烯绝缘钢带或细钢丝铠装据聚氯乙烯护套电力电缆；

固定敷设的低压电缆应采用MVV铠装或非铠装或对应电压等级的移动橡套电缆。

非固定敷设的高低压电缆，应采用符合NT818标准的橡套软电缆。

2、按额定电压选择

可按照电缆的额定电压U N不低于敷设地点电网额定电压U Ns的条件选择，即

3、电缆截面的选择

一般根据最大长期工作电流选择，但是对有些回路，如发电机、变压器回路，其年最大负荷利用小时数超过5000h，且长度超过20m时，应按经济电流密度来选择。

（1）按最大长期工作电流选择

电缆长期发热的允许电流I al，应不小于所在回路的最大长期工作电流I max，即

KI

al ≥I

max

（7-40）

K=K

1×K

2

×K

3

式中 Ial一相对于电缆允许温度和标准环境条件下导体长期允许电流；

K一综合修正系数。

K

1

一温度修正系数

环境温度变化时载流量的校正系数

K 2一直埋式的土壤热租率的修正系数，如表所示

土壤热租率的修正系数

K 3一空气中多根并列时修正系数，如表所示

（2）按经济电流密度选择

IEC287-3-2/1995“电力电缆的线芯截面最佳化”标准，该方法适用于中、低压电缆线路。根据我国电网运行情况，如果能全面推行按经济电流选择电线、电缆截面的方法，将减少35%～42%的线路损耗，经济意义十分重大。现阶段，在电力和建筑电气工程中推行按经济电流选择电缆截面是优化设计的内容之一。一般情况下，按温升选择的截面与按经济电流确定的导体截面二者取较大者。特别:经济寿命变化时，经济截面变化不大，也就是经济寿命从30年变成5年，但是总费用仅相差10%，此时经济截面仍然是合理的。

一般高压电缆（这里指6kV和10kV及以上）和长期使用的电缆，比如进线电缆，使用经济电流密度来选择，一般经济电流密度选择出来的电缆截面偏大。理论上，经济电流密度可以使用任何情况下的电缆截面选择。一般根据钢厂的情况，选择密度为1.5～2。经济电流密度可根据手册，经过电缆规格、电价和班制来计算决定，经验数字仅供参考。

按经济电流密度选择电缆截面的方法与按经济电流密度选择母线截面的方法相同，即按下式计算：

式中 S ec—电缆的经济截面

Imax—正常运行时长时最大负荷电流

Jec—根据电缆的芯线材质，查出经济电流密度

经济电流密度（电工计算手册168页）

由于上表的参数是原电力部制定，目前由于电能损耗价格、送电单位导线费用的变化很大，需要对上述的系数进行修正。修正公式如下：

Jec=（）

式中 Jec—经济电流密度

Kt—投资利用标准经济效果系数。建议对纯收入采用0.1～0.15，对国民收入采用0.18～ 0.26；

Ki—线路的基本折旧率，国家有统一的规定；

Kj—基本折旧费年平均扣除系数，取6.52 6.62；

Fz—线路的综合折旧率，国家有统一规定；

Kk—计及电晕引起的电能损耗系数（电晕功率损耗与导线发热损耗之比）；

R0—导线单位电阻；

δ—单位电价。

按经济电流密度选出的电缆，还必须按最大长期工作电流校验。

按经济电流密度选出的电缆，还应决定经济合理的电缆根数，截面S≤150mm2时，其经济根数为一根。当截面大于150 mm2时，其经济根数可按S/150决定。

4、热稳定校验

《煤矿安全规程》四百五十三条、四百五十六条均规定必须校验电缆的热稳定性。电缆的热稳定性不符合要求，发生故障后，产生的危害很大应验算电缆的热稳定性。

（1）热稳定型一般标准校验方法

电缆导体允许最小截面，由下列公式确定：短路最高允许温度按120℃计算C=

C=

C=

C=71.9

以4mm2交联聚乙烯电缆为例计算最大三相短路电流

根据公式：S=

I == = 525.1 A

除电动机馈线回路外，均可取θP＝θH。

C值确定方式，应符合下列规定：

除火电厂3～10kV厂用电动机馈线外的情况：

Q?

I

t

=2 (E.1.3-2)

式中S――电缆导体截面(mm2)；例25 mm2

J――热功当量系数，取1.0；

q――电缆导体的单位体积热容量（J/cm3·℃），铝芯取2.48，铜芯取3.4；

θm――短路作用时间内电缆导体允许最高温度（℃）；取120

θP――短路发生前的电缆导体最高工作温度（℃）；取35

θH――电缆额定负荷的电缆导体允许最高工作温度（℃）；取90

θ0――电缆所处的环境温度最高值（℃）；取40

t――短路持续时间（s）；0.3

α――20℃时电缆导体的电阻温度系数（1/℃），铜芯为0.00393、铝芯为0.00403；

ρ――20℃时电缆导体的电阻系数（Ωcm2/cm），铜芯为0.0148x10-4、铝芯为0.031x10-4；

η――计入包含电缆导体充填物热容影响的校正系数，对3～10kV电动机馈电回路，宜取η＝0.93，其它情况可按η＝1；

K――缆芯导体的交流电阻与直流电阻之比值，可由表E.1.3－2选取。

（2）热稳定性简易校验方法

满足热稳定要求的最小截面可按下式求得

式中 I—短路电流稳态值（A）

—热稳定计算时间（一般取配电装置的动作时间0.1～0.2秒）

t

dz