本文關(guān)鍵詞：基于L-SSCB的礦井低壓供電系統(tǒng)快速斷電安全技術(shù)的研究，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

【摘要】：由于我國(guó)煤礦井下的特殊工作環(huán)境,傷亡事故的發(fā)生率比任何工業(yè)部門(mén)都要高。雖然近年來(lái)煤礦傷亡絕對(duì)人數(shù)有所下降,但我國(guó)煤礦事故的死亡率明顯高于世界平均水平。煤礦發(fā)生事故后,如何在這樣惡劣的環(huán)境下迅速、安全的營(yíng)救被困礦工,成為煤礦井下安全領(lǐng)域的新課題。建設(shè)煤礦緊急避險(xiǎn)設(shè)施,在煤礦事故發(fā)生后,為未能緊急撤離或升井的煤礦工人提供暫時(shí)的安全場(chǎng)所,是解決這一問(wèn)題的有效手段。但是如何在煤礦事故發(fā)生后瓦斯大量排放等惡劣環(huán)境下,保障煤礦緊急避險(xiǎn)設(shè)施的電氣安全,使其不會(huì)發(fā)生二次爆炸,成為了煤礦緊急避險(xiǎn)設(shè)施研究的關(guān)鍵和技術(shù)難點(diǎn)。本文將“快速斷電安全技術(shù)”引入煤礦緊急避險(xiǎn)設(shè)施電氣安全保障中。通過(guò)對(duì)“快速斷電安全技術(shù)”的研究本文研制成功了“127V,2kW”礦用隔爆型避險(xiǎn)設(shè)施專(zhuān)用快速斷電開(kāi)關(guān)裝置,提高了緊急避險(xiǎn)設(shè)施供電系統(tǒng)整體防火防爆性能,保證緊急避險(xiǎn)設(shè)施供電系統(tǒng)的可靠性和安全性,對(duì)井下災(zāi)后救援,確保人員生命安全,提高我國(guó)煤礦的抗災(zāi)救災(zāi)水平具有非常重要的意義�？焖贁嚯姲踩夹g(shù),是指當(dāng)?shù)V井低壓供電系統(tǒng)發(fā)生電氣故障時(shí),保護(hù)裝置能夠在可能引起爆炸性介質(zhì)燃燒或爆炸以前切斷電源或用其它方式隔絕向故障點(diǎn)的能量饋送,以達(dá)到系統(tǒng)“全方位”防爆安全的一整套安全技術(shù)與電氣設(shè)備�？焖贁嚯姲踩夹g(shù)的本質(zhì),是用各種方法和技術(shù)防止在電網(wǎng)發(fā)生漏電或短路故障時(shí)電火(漏電火花和短路電弧的統(tǒng)稱(chēng))外露,從而防止故障電火引燃周?chē)ㄐ越橘|(zhì)。本文詳細(xì)分析了現(xiàn)有煤礦電氣安全技術(shù)的原理及不足,指出只有采用快速斷電安全技術(shù)才能從根本上保證煤礦井下緊急避險(xiǎn)設(shè)施的電氣安全。本文通過(guò)對(duì)電纜受機(jī)械創(chuàng)傷模擬實(shí)驗(yàn)的研究和橡套電纜故障明火形成時(shí)間的分析,得出了快速斷電安全技術(shù)總斷電時(shí)間小于5ms的結(jié)論,為快速斷電安全技術(shù)時(shí)間指標(biāo)找到了理論依據(jù)。提出采用快速斷電安全技術(shù)保障井下緊急避險(xiǎn)設(shè)施的電氣安全,建立礦井低壓供電網(wǎng)絡(luò)整體防火、防爆安全系統(tǒng)的技術(shù)觀(guān)點(diǎn)。本文詳細(xì)分析了煤礦井下單相漏電故障的暫態(tài)過(guò)程。對(duì)比分析了多種漏電保護(hù)取樣裝置的取樣時(shí)間,最終選擇“3C”型零序?yàn)V序器作為漏電保護(hù)取樣裝置,實(shí)現(xiàn)了漏電參數(shù)的3ms快速取樣。通過(guò)對(duì)漏電故障瞬間系統(tǒng)零序網(wǎng)絡(luò)的分析,提出了基于零序電壓一階導(dǎo)數(shù)為原則的動(dòng)作整定辦法,可以在1.5ms內(nèi)判斷出單相漏電程度,對(duì)于127V系統(tǒng),保證動(dòng)作上限值不大于3.5kΩ。提出最小二乘法參數(shù)識(shí)別法作為多線(xiàn)路選擇性快速漏電保護(hù)的暫態(tài)算法,礦用低壓電纜對(duì)地參數(shù)可以看成是由分布電容和絕緣電阻的并聯(lián)。當(dāng)單相接地故障時(shí),系統(tǒng)就會(huì)形成零序網(wǎng)絡(luò),根據(jù)換路定則可以建立起單相漏電故障過(guò)渡過(guò)程中各條線(xiàn)路的數(shù)學(xué)模型,根據(jù)多組采樣數(shù)值可反演出線(xiàn)路對(duì)地的分布參數(shù),識(shí)別出對(duì)地分布參數(shù)r∑和C∑。假定每一條線(xiàn)路都是正常線(xiàn)路,其對(duì)地絕緣電阻和分布電容符合上述模型,則計(jì)算出的r∑和C∑數(shù)值一定合理,說(shuō)明該線(xiàn)路分布參數(shù)正常,線(xiàn)路沒(méi)有單相接地故障發(fā)生；如果某條支路的分布參數(shù)的計(jì)算值不合理(均為負(fù)值),說(shuō)明該線(xiàn)路分布參數(shù)不符合模型,也就是說(shuō)“該線(xiàn)路沒(méi)有發(fā)生單相接地故障”的假設(shè)是錯(cuò)誤的,反證出判斷該線(xiàn)路發(fā)生了接地故障。通過(guò)4ATLAB仿真,對(duì)比了不同接地電阻和電源電壓初相角下最小二乘法參數(shù)識(shí)別法所辨識(shí)出的線(xiàn)路參數(shù)。結(jié)果表明：參數(shù)識(shí)別的結(jié)果都具有十分明顯的特征,即正常線(xiàn)路的分布電容和絕緣電阻均為正值,且分布電容的識(shí)別數(shù)值非常接近實(shí)際參數(shù)；故障線(xiàn)路的參數(shù)均為負(fù)值。實(shí)現(xiàn)了有選擇性的準(zhǔn)確快速切除漏電故障。本文對(duì)煤礦井下短路過(guò)程中電流變化曲線(xiàn)進(jìn)行了分析,得出短路電流的沖擊值不但與回路的功率因數(shù)、相電壓初始相位有關(guān),而且受短路瞬間負(fù)載電流值的影響的結(jié)論,在對(duì)設(shè)備進(jìn)行動(dòng)穩(wěn)定校驗(yàn)時(shí),應(yīng)計(jì)算沖擊值。提出了利用空芯電流互感器進(jìn)行短路電流采集的方案,并計(jì)算出了空芯電流互感器的頻率指標(biāo)特性和采樣電阻的阻值。研究表明短路發(fā)生后電流將經(jīng)歷一個(gè)突變的暫態(tài)過(guò)程,利用這一過(guò)程中電流變化規(guī)律,可以正確的區(qū)分正常電流和故障電流變化,所以對(duì)短路過(guò)程中電流變化一階、二階導(dǎo)數(shù)公式進(jìn)行了推導(dǎo),使用MATLAB仿真出電流變化曲線(xiàn),從電流變化曲線(xiàn)可以看出,采用電流一階導(dǎo)數(shù)和二階導(dǎo)數(shù)相結(jié)合的方法,可以實(shí)現(xiàn)全周波無(wú)盲點(diǎn)短路快速監(jiān)測(cè)判斷。通過(guò)對(duì)電動(dòng)機(jī)起動(dòng)電流的暫態(tài)分析,得出起動(dòng)電流的一階、二階導(dǎo)數(shù)最大值在其它條件相同的情況下與起動(dòng)回路的功率因數(shù)及起動(dòng)瞬間相電壓的初始相位有關(guān),在進(jìn)行快速短路保護(hù)設(shè)計(jì)時(shí),應(yīng)采用暫態(tài)分析法,以確保動(dòng)作的正確性。提出基于電動(dòng)機(jī)起動(dòng)電流一階和二階導(dǎo)數(shù)的快速短路保護(hù)整定方法,并對(duì)該整定方法進(jìn)行了取樣時(shí)間分析,分析表明該方法的最大取樣時(shí)間小于3ms。提出了通過(guò)采集母線(xiàn)電壓和空芯電流互感器的二次電壓對(duì)回路發(fā)生短路故障的時(shí)間常數(shù)進(jìn)行識(shí)別的方法,實(shí)現(xiàn)了短路電流的快速、可靠·切斷。本文在對(duì)電力電子技術(shù)進(jìn)行研究的基礎(chǔ)上,設(shè)計(jì)了基于線(xiàn)路固態(tài)斷路器(L-SSCB)的煤礦井下緊急避險(xiǎn)設(shè)施專(zhuān)用快速斷電開(kāi)關(guān)裝置主電路結(jié)構(gòu),通過(guò)對(duì)中性點(diǎn)固態(tài)開(kāi)關(guān)和線(xiàn)路固態(tài)中開(kāi)關(guān)兩種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的對(duì)比仿真分析,得出了線(xiàn)路開(kāi)關(guān)關(guān)斷時(shí)間更短,適用范圍更廣的結(jié)論。最終確定采用線(xiàn)路固態(tài)開(kāi)關(guān)作為快速斷電安全技術(shù)的執(zhí)行裝置。通過(guò)仿真分析和計(jì)算求出了開(kāi)關(guān)裝置輔助回路中,阻容吸收裝置的具體參數(shù)。分析了線(xiàn)路開(kāi)關(guān)的導(dǎo)通和關(guān)斷機(jī)理,提出了計(jì)算L-SSCB關(guān)斷最大短路電流時(shí)間計(jì)算方法,并通過(guò)MATLAB仿真對(duì)該方法進(jìn)行了驗(yàn)證。對(duì)防爆殼內(nèi)電力電子器件的發(fā)熱-散熱問(wèn)題進(jìn)行了研究,設(shè)計(jì)了專(zhuān)用的熱管散熱裝置,該裝置完全滿(mǎn)足工業(yè)運(yùn)行試驗(yàn)的要求,解決了L-SSCB在防爆殼內(nèi)的散熱問(wèn)題。在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下對(duì)井下緊急避險(xiǎn)設(shè)施專(zhuān)用快速斷電開(kāi)關(guān)裝置的樣機(jī)進(jìn)行了一系列的動(dòng)態(tài)和靜態(tài)模擬實(shí)驗(yàn),其中包括：空芯電流互感器的特性試驗(yàn),掌握空芯電流互感器的暫態(tài)特性；空芯電流互感器和鐵磁互感器的對(duì)比實(shí)驗(yàn),驗(yàn)證了空芯電流互感器在暫態(tài)信號(hào)提取方面的優(yōu)越性能；快速短路保護(hù)算法實(shí)驗(yàn),驗(yàn)證了電流高階導(dǎo)數(shù)快速短路保護(hù)算法的準(zhǔn)確性和可靠性；快速漏電保護(hù)算法實(shí)驗(yàn),驗(yàn)證了選擇性快速漏電保護(hù)算法的準(zhǔn)確性和可靠性；開(kāi)關(guān)裝置關(guān)斷三相短路電流和漏電電流實(shí)驗(yàn)。裝置在實(shí)驗(yàn)中運(yùn)行正常,對(duì)各種模擬現(xiàn)場(chǎng)情況能夠準(zhǔn)確地作出判斷,并且完成了預(yù)先設(shè)計(jì)的各項(xiàng)指標(biāo)。
【關(guān)鍵詞】：快速斷電 暫態(tài)過(guò)程 漏電故障 短路故障 線(xiàn)路固態(tài)斷路器
【學(xué)位授予單位】：中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類(lèi)號(hào)】：TD611
【目錄】：

• 摘要4-7
• Abstract7-14
• 第一章 緒論14-30
• 1.1 研究背景和意義14-16
• 1.2 現(xiàn)有煤礦電氣安全技術(shù)及不足16-19
• 1.2.1 電氣防爆技術(shù)16-17
• 1.2.2 隔爆型電氣設(shè)備17
• 1.2.3 本質(zhì)安全電路17-19
• 1.3 快速斷電安全技術(shù)19-26
• 1.3.1 快速斷電安全技術(shù)基本概念19-20
• 1.3.2 快速斷電安全技術(shù)的核心內(nèi)容20-21
• 1.3.3 電纜受機(jī)械損傷的故障形成時(shí)間分析21-26
• 1.4 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀26-28
• 1.5 本論文的主要工作28-30
• 1.5.1 選擇性快速漏電保護(hù)技術(shù)的研究28-29
• 1.5.2 電流高階導(dǎo)數(shù)快速短路保護(hù)技術(shù)的研究29
• 1.5.3 快速斷電固態(tài)開(kāi)關(guān)(SSCB)的應(yīng)用研究29-30
• 第二章 選擇性快速漏電保護(hù)技術(shù)30-62
• 2.1 快速漏電保護(hù)有效性分析30-35
• 2.1.1 人身觸電電流暫態(tài)分析30-35
• 2.2 快速漏電保護(hù)取樣技術(shù)35-47
• 2.3 選擇性快速漏電保護(hù)算法47-54
• 2.3.1 現(xiàn)有漏電保護(hù)原理及不足47-48
• 2.3.2 基于零序電壓一階導(dǎo)數(shù)的漏電保護(hù)整定值48-52
• 2.3.3 基于最小二乘法的模型參數(shù)識(shí)別法52-54
• 2.4 漏電故障仿真和參數(shù)識(shí)別法驗(yàn)證54-60
• 2.4.1 不同接地電阻的仿真驗(yàn)證55-57
• 2.4.2 不同電源初相角的仿真驗(yàn)證57-60
• 2.5 本章小結(jié)60-62
• 第三章 電流高階導(dǎo)數(shù)快速短路保護(hù)技術(shù)62-98
• 3.1 短路故障快速測(cè)量技術(shù)62-71
• 3.1.1 概述62-63
• 3.1.2 空芯電流互感器測(cè)量電流的原理和方法63-71
• 3.2 礦井低壓電網(wǎng)短路故障暫態(tài)過(guò)程分析71-79
• 3.2.1 短路電流暫態(tài)分析71-73
• 3.2.2 短路沖擊電流73-77
• 3.2.3 電動(dòng)機(jī)起動(dòng)電流的暫態(tài)分析77-79
• 3.3 短路電流一階、二階導(dǎo)數(shù)綜合判據(jù)79-94
• 3.3.1 現(xiàn)有短路故障判斷方法及其不足79-82
• 3.3.2 短路故障快速判斷方法82-94
• 3.4 快速短路保護(hù)算法94-97
• 3.5 本章小結(jié)97-98
• 第四章 快速斷電開(kāi)關(guān)技術(shù)98-128
• 4.1 快速斷電直流固態(tài)斷路器(SSCB)98-104
• 4.1.1 概述98
• 4.1.2 直流固態(tài)斷路器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)98-104
• 4.2 L-SSCB的元件參數(shù)計(jì)算104-108
• 4.2.1 開(kāi)路電壓104
• 4.2.2 通態(tài)電流104-106
• 4.2.3 最大浪涌電流106
• 4.2.4 主開(kāi)關(guān)管的選擇106-108
• 4.3 L-SSCB關(guān)斷過(guò)程及關(guān)斷時(shí)間分析108-119
• 4.3.1 L-SSCB關(guān)斷過(guò)程108-109
• 4.3.2 L-SSCB固有斷電時(shí)間109-114
• 4.3.3 輔助回路中R_0、C_0的確定114-119
• 4.4 L-SSCB在防爆殼內(nèi)的散熱問(wèn)題119-127
• 4.4.1 功率單元的熱損耗計(jì)算119-122
• 4.4.2 熱管冷卻裝置的設(shè)計(jì)122-123
• 4.4.3 熱管冷卻裝置的實(shí)驗(yàn)123-127
• 4.5 本章小結(jié)127-128
• 第五章 樣機(jī)實(shí)驗(yàn)及結(jié)果分析128-142
• 5.1 空芯電流互感器實(shí)驗(yàn)128-133
• 5.1.1 空芯電流互感器特性試驗(yàn)128-131
• 5.1.2 空芯電流互感器和鐵磁互感器在單相漏電故障中對(duì)比實(shí)驗(yàn)131-133
• 5.2 快速斷電開(kāi)關(guān)裝置靜態(tài)模擬實(shí)驗(yàn)133-140
• 5.2.1 漏電故障參數(shù)識(shí)別實(shí)驗(yàn)133-136
• 5.2.2 短路故障模擬實(shí)驗(yàn)136-140
• 5.3 本章小結(jié)140-142
• 第六章 結(jié)論與展望142-146
• 6.1 結(jié)論142-143
• 6.2 創(chuàng)新點(diǎn)143
• 6.3 展望143-146
• 參考文獻(xiàn)146-156
• 致謝156-158
• 作者簡(jiǎn)介158
• 在學(xué)期間發(fā)表的學(xué)術(shù)論文158
• 在學(xué)期間參加科研項(xiàng)目158-159
• 主要獲獎(jiǎng)159

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：295413