煤礦供電系統繼電保護裝置改進措施

高加傳

（云南省煤礦培訓中心，云南 昆明 650205）

1 煤礦6kV/10kV系統中應配置的繼電保護。按照企業6kV/10kV供電系統的設計規范要求，在6kV/l0kV的供電線路、配電變壓器和分段母線上一般應設置以下保護裝置：

(1)6kV/10kV線路應配置的繼電保護：6kV/10kV線路一般均應裝設過電流保護。當過電流保護的時限不大于0.5s～0.7s，且沒有保護配合上的要求時，可不裝設電流速斷保護；自重要的變配電所引出的線路應裝設瞬時電流速斷保護。當瞬時電流速斷保護不能滿足選擇性動作時，應裝設略帶時限的電流速斷保護。

(2)6kV/10kV配電變壓器應配置的繼電保護。①當配電變壓器容量小于400kVA時，一般采用高壓熔斷器保護；②當配電變壓器容量為400～630kVA，高壓側采用斷路器時，應裝設過電流保護，而當過流保護時限大于O.5s時，還應裝設電流速斷保護；對于車間內浸沒式配電變壓器還應裝設瓦斯保護；③當配電變壓器容量為800kVA及以上時，應裝設過電流保護，而當過流保護時限大于0.5s時，還應裝設電流速斷保護；對于浸沒式配電變壓器還應裝設氣體保護；另外尚應裝設溫度保護。

(3)6kV/10kV分段母線應配置的繼電保護。對于不并列運行的分段母線，應裝設電流速斷保護，但僅在斷路器合閘的瞬間投入，合閘后自動解除；另外應裝設過電流保護。如采用的是反時限過電流保護時，其瞬時動作部分應解除；對于負荷等級較低的配電所可不裝設保護。

2 煤礦6kV/10kV系統中繼保裝置存在的問題。目前，一般的工業企業高壓供電系統中均為6kV/10kV系統。除早期建設的6kV/10kV系統，較多采用的是直流操作的定時限過電流保護和瞬時電流速斷保護外，近些年來飛速建設的電網上一般均采用了環網或手車式高壓開關柜，繼電保護方式多為交流操作的反時限過電流保護裝置。很多重要企業為雙路6kV/10kV電源、高壓母線分段但不聯絡或雖能聯絡但不能自動投入。在系統供電的可靠性、故障響應的靈敏性、保護動作的選擇性、切除故障的快速性以及運行方式的靈活性、運行人員的熟練性上都存在著一些急待解決的問題。

煤礦供電系統一般為單側電源輻射狀電網，其階段式電流保護原則為：從電源端至負荷端動作電流應從大至小逐級遞減，動作時間亦應從長到短逐級遞減；本級電流保護的動作電流必須大于下一級線路首端的最大短路電流。

如圖1所示為一條簡化的煤礦供電系統保護配置圖。現行的整定原則為：地面6kV處設兩段式保護，I段速斷按保護本條線路電纜的50%進行整定，II段過流按躲過最大負荷電流進行整定，動作時限為0.9s；中央變和采區變出線處I段按上一級速斷保護的0.9倍整定，II段按最大負荷電流整定；中央變進線處只設速斷保護，按上一級速斷保護的0.9倍進行整定；采區變進線處設兩段式保護，I段按上級速斷的0.9倍進行整定，II段按上級II段定值進行整定。

圖1 煤礦系統現行保護配置圖

由圖中定值與時限的配合，結合煤礦井下供電的特殊性，可以看出煤礦供電系統線路保護中存在的主要問題有：

(1)煤礦井下供電系統是一個單側電源輻射狀電網，由于采區變電所距電源較遠，中間經過的開關級數較多，需要較長的時限和較大的定值配合。

(2)煤礦供電系統繼電保護級數多，井下供電大都采用銅芯電纜且距離短，阻抗較小，故中央變以下各級短路電流值相差很小，不利于保護的整定。

(3)目前煤礦采區變電所的整定原則是確定最遠端的負荷性質和大小，根據計算結果整定供此處負荷的開關定值，然后逐級向采區變電所計算，根據所供負荷中功率最大者確定過流保護定值，以最遠端的短路電流整定速斷保護。依次向上逐級配合，速斷保護和過載保護的定值和時限從采區變電所向下逐級降低。由于目前速斷保護整定值過小，一旦出現短路故障，必然是所有速斷保護同時動作，使得繼電保護沒有選擇性，出現越級跳閘，擴大了停電故障影響范圍。

(4)瞬時速斷的整定原則是先確定地面6kV處定值，依次向下按0.9倍整定。這種原則有明顯的缺陷：由于整定值過小，并且逐級減小，一旦出現短路故障，必然是所有速斷保護同時動作，使得保護的選擇性差，出現越級跳閘，從而擴大停電故障的影響范圍。

(5)采區變電所進線開關定值與上一級定值配合，雖在一定程度上增加了保護的可靠性，但大大降低了選擇性，不符合供電系統對繼電保護的要求。并且采區變電所保護一般采用反時限過流保護，一直以來沒有進行很好的定值配合計算，采區變電所出線故障時，保護沒有選擇性。

3 解決方法。對于其它幾個問題，可通過改進線路保護每段的整定原則和各級之間時限的配合兩個方面對煤礦供電系統繼電保護進行優化，以最大限度滿足煤礦供電特殊情況的要求。(1)考慮到地面6kV出線開關的重要性，設置為三段式保護，瞬時速斷動作電流按躲過下井線路末端最大三相短路電流來整定，在最小運行方式下發生兩相短路時，至少具有線路全長約20%的保護范圍，剩下的80%由限時速斷來解決。

中央變電所和采區變電所的出線開關，瞬時速斷用常規的按躲過線路末端最大三相短路電流的整定原則代替原有的按上級速斷保護的0.9倍進行整定的原則。雖然由于電纜線路太短，在最小運行方式下線路末端兩相短路時保護區很短，但由于Ⅱ段的限時速斷保護靈敏度較高，并具有短延時，可以在較短時間內就切除故障，因此不需要I段有很高的靈敏度。

中央變電所和采區變電所的進線開關，考慮到優先保證保護的選擇性，不設瞬時速斷。

(2)根據煤礦井下電網的特殊情況，各母線間短路電流的差距很小，雖在地面6kV至中央變之間增設電抗器，中央變之后多級保護之間動作電流的差距仍不能保證系統縱向的選擇性。為解決這個問題，改變傳統的II段時限與相鄰線路I段時限配合的整定原則，在各出線處II段時限按與相鄰線路出線處II段時限配合的原則進行整定；進線保護II段亦與相鄰線路出線處II段進行配合。此原則降低了越級跳閘的可能性。

(3)一般定時限過流保護均按能躲過正常最大工作電流整定，但考慮煤礦特點是沒有自啟動現象，故按躲過被保護線路的尖峰電流來整定，或用尖峰電流來代替正常最大工作電流。線路尖峰電流的概念是：該線路其它設備正在以半小時最大負荷運行，而線路中一臺最大容量的電動機正在啟動時，在線路中產生的短時最大工作電流。啟動電流倍數根據井下防爆電動機的實際情況可取5～6倍。定時過流要求能保護全長，故應用線路末端最小兩相短路電流來校驗其靈敏度，應不小于1.5。

根據前面分析，考慮到煤礦供電系統的特點，以及井下電纜網絡發生短路故障的幾率遠高于地面6kV架空線路等，總體的線路保護系統優化方案，既要限制井下發生短路時大電流對上級變電所主變壓器的沖擊，又要兼顧井上、井下保護動作值的配合，還要考慮全線電壓損失和保護系統的可靠性，選擇性等要求。

采區變電所出線保護保持原有兩段式保護不變,I段的動作電流突破常規方法按保護線路全長處理，但應躲過定時過流的動作電流：Ⅱ段延時改為為0.2s。有利于快速切除故障，并能在時限上更好的與上級保護配合。

中央變出線開關設置瞬時速斷和具有短階梯時限的限時速斷和定時過流三段式保護，采區變電所進線保護Ⅱ段時限與出線Ⅱ段配合，動作時限整定為0.4s。由于從下井線路到采區變電所線路上沒有負荷，同一條線路的出線和進線可以整定為同一時限。每段母線的進線和出線的Ⅱ段保護時限級差為0.2s。從-270變和十采變進線直到6kV出線，Ⅱ段保護時限按階梯時限整定，級差為0.2s。

在地面6kV出線開關上設置三段式電流保護，定時過流時限與變壓器過流保護配合，整定為0.9s；本級限時速斷整定為0.6s，動作電流應保護下井線路的全長(包括電抗器)，本級瞬時速斷按常規主要保護下井線路的前段線路。限時速斷動作電流因有電抗器的存在也可以拉開一定的數值，以使縱向的選擇性更為可靠。

從地面6kV母線直至采區變，因全部線路均為6kV電纜組成，而且最大長度應該非常短，故短路電流相差很小，所以限時速斷的動作電流也相差很小，但其縱向的選擇性可以由短階梯時限來保證。考慮到瞬時速斷的選擇性較差，一般只能保護線路全長的25%，各級保護以限時速斷為主保護，而由本級定時過流作為近后備保護，同時，上一級的保護均可作為本級保護的遠后備保護，提高了保護的可靠性。

[1]劉國良.繼電保護基礎管理的幾點探討.《科學技術與工程》，2008.

[2]李京捷.煤礦6KV電力網的繼電保護措施探析.《煤礦機電》，2005.