煤礦高壓電網(wǎng)漏電保護(hù)系統(tǒng)的改進(jìn)方案研究

【摘 要】隨著礦井高壓電網(wǎng)容量的不斷增大，為限制超出20A的單相接地電流，以滿足《煤礦安全規(guī)程》第457條的規(guī)定，需要在高壓電網(wǎng)中接入消弧線圈，這樣就使得漏電保護(hù)的選擇性受到了影響。對于當(dāng)前應(yīng)用的兩種主流漏電保護(hù)，零序功率方向型漏電保護(hù)具有選線準(zhǔn)確的優(yōu)點(diǎn)，但不適用于中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地的電網(wǎng)；諧波方向型漏電保護(hù)具有適用于不同接地方式的優(yōu)點(diǎn)，但靈敏度較低。因此，研究靈敏、準(zhǔn)確、性能更理想的選擇性漏電保護(hù)具有重要意義。

【關(guān)鍵詞】礦山機(jī)電；高壓電網(wǎng)；漏電保護(hù)；接地方式；供電可靠性；負(fù)荷波動；特征信號

0 引言

隨著煤礦現(xiàn)代化程度的不斷提高和井下高壓供電距離的增加，對煤礦井下供電系統(tǒng)可靠性、連續(xù)性和安全性的要求越來越高，同時，由于煤礦井下工作環(huán)境惡劣，負(fù)荷波動大，工況很不穩(wěn)定，瓦斯煤塵積聚，滴水冒頂事故等會使電氣設(shè)備絕緣強(qiáng)度逐漸降低，而且由于操作人員維護(hù)不當(dāng)或操作錯誤、輸電線路的導(dǎo)線斷裂等原因，經(jīng)常會出現(xiàn)漏電及單相接地故障。接地故障若不及時排除，非故障相的對地電壓會升為線電壓，長時運(yùn)行將導(dǎo)致對地絕緣擊穿，甚至發(fā)生三相或兩相短路事故。單相接地、相間短路故障發(fā)生時產(chǎn)生的電弧能量會引起瓦斯、煤塵爆炸，直接危及人身安全和礦井的安全生產(chǎn)。為此，研究高性能的礦井高壓電網(wǎng)選擇性漏電保護(hù)系統(tǒng)具有重要的現(xiàn)實(shí)意義和重大的經(jīng)濟(jì)價值。

1 零序功率方向式漏電保護(hù)原理

零序功率方向式漏電保護(hù)利用零序電流或零序電壓幅值的大小來判斷保護(hù)的供電單元內(nèi)是否發(fā)生漏電，同時利用各支路的零序電流與零序電壓的相位關(guān)系來判斷故障支路，而后動作，有選擇性地切除故障。

圖1 單相接地故障等值電路

當(dāng)電網(wǎng)中某支路發(fā)生漏電故障或人身觸電事故時，由取樣電路分別從電網(wǎng)中取出零序電壓和各支路的零序電流信號，經(jīng)放大整形后，由相位比較電路來判別故障支路，最后啟動執(zhí)行電路，切斷故障支路的電源，從而實(shí)現(xiàn)有選擇性的漏電保護(hù)。簡言之，就是對零序電壓和零序電流進(jìn)行幅值和相位綜合處理以判斷故障支路，進(jìn)而切除故障支路電源的原理。對于中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)，它的靈敏較高，選擇性也好，這是零序功率方向保護(hù)優(yōu)點(diǎn)。

但目前煤礦高壓電網(wǎng)當(dāng)單相接地電流大于20A時，普遍采用的是中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈并聯(lián)高阻的接地方式，此時單相非金屬性接地故障的等值電路如圖1所示。

由理論分析可得，當(dāng)1/wl<3wc時，為欠補(bǔ)償方式，故障電流（零序電流）為容性，由于受并聯(lián)高阻的影響，其相位滯后零序電壓30°-60°；當(dāng)1/wl>3wc時，為過補(bǔ)償方式，故障電流為感性，其相位超前零序電壓30°-60°，可見從欠補(bǔ)償?shù)竭^補(bǔ)償?shù)南辔蛔兓癁?0°-120°。

該特點(diǎn)使得零序功率方向型漏電保護(hù)失去利用相位選擇故障支路的條件，并使按零序電流大小來整定的保護(hù)靈敏度不能得到保證。若能采用自適應(yīng)保護(hù)原理，使欠補(bǔ)償方式與動作值整定跟隨電網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)的變化，則零序功率方向型漏電保護(hù)系統(tǒng)就能適應(yīng)中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈并聯(lián)高阻的接地方式。可見，此時零序功率方向型已不能滿足選擇性要求。而諧波方向型漏電保護(hù)方案雖能夠同時適應(yīng)各種不同的中性點(diǎn)接地方式電網(wǎng)的選擇性要求，但其靈敏度較低。故需要一種靈敏度高、選線準(zhǔn)確，能同時適用于不同接地方式的新型礦井高壓電網(wǎng)選擇性漏電保護(hù)方案。

2 改進(jìn)的漏電保護(hù)方案

圖2 系統(tǒng)原理框圖

本文考慮采用一種新的礦井高壓電網(wǎng)微機(jī)自適應(yīng)選線式漏電保護(hù)方案，采用自適應(yīng)欠補(bǔ)償方式、隨機(jī)整定與相敏比較，并以微機(jī)處理控制單元為核心，通過在線檢測電網(wǎng)對地電容的大小來決定自適應(yīng)自動補(bǔ)償?shù)臄?shù)值和漏電保護(hù)的整定值，同時提取漏電故障特征信號中的零序電壓和零序電流信號，通過其幅值和相位的變化特征構(gòu)成選線判據(jù)，根據(jù)選線判據(jù)準(zhǔn)確、靈敏的切除漏電故障。這種新型的漏電保護(hù)方案在適應(yīng)不同的接地方式的同時也能提高選線的靈敏度和可靠性。該方案的保護(hù)原理圖如圖2所示。

2.1 消弧線圈隨機(jī)補(bǔ)償抽頭的確定

由于電網(wǎng)不斷發(fā)生變化，在此選用的自動跟蹤補(bǔ)償消弧線圈與老式固定補(bǔ)償消弧線圈相比，具有較好的調(diào)節(jié)性。消弧線圈的補(bǔ)償原理見圖3，所謂消弧線圈補(bǔ)償，即在變壓器中性點(diǎn)與地之間接一適當(dāng)電感，用電感電流抵消接地點(diǎn)電容電流。

圖3 消弧線圈補(bǔ)償原理

當(dāng)無接地故障時，0 點(diǎn)電位■■= 0，電感L上無電流，即■■=0。當(dāng) A 相接地時，0點(diǎn)出現(xiàn)電壓■■。在■■作用下，有一電感電流■■=■■/jωC=-j■■/ωC流入地。

若電感值L取得合適，使3ωC-1/ωL=0，則接地點(diǎn)電流為0，稱全補(bǔ)償，若L取得過大，使電感電流不足以全部抵消電容電流，稱欠補(bǔ)償，反之則稱之為過補(bǔ)償。在沒有實(shí)現(xiàn)自動跟蹤補(bǔ)償前，消弧線圈只能分段調(diào)整，因此，不可能與電網(wǎng)分布電容形成完全補(bǔ)償，不是欠補(bǔ)償即為過補(bǔ)償。為避免全補(bǔ)償可能引發(fā)串聯(lián)諧振，形成危險過電壓，故以前實(shí)際電網(wǎng)的消弧線圈均處于過補(bǔ)償運(yùn)行，并設(shè)置一定的脫諧度（5-10%）。

2.2 自適應(yīng)隨機(jī)整定

自適應(yīng)繼電保護(hù)是 20 世紀(jì) 80 年代提出的研究課題。其基本思想是使保護(hù)裝置盡可能地適應(yīng)電力系統(tǒng)的各種變化，改善保護(hù)性能，即能夠適應(yīng)電力系統(tǒng)各種運(yùn)行方式和復(fù)雜故障類型，有效地處理故障信息，從而獲得更可靠的保護(hù)。本方案整定原理與傳統(tǒng)的零序功率方向型漏電保護(hù)相同，但有兩點(diǎn)改進(jìn)：一是，利用自適應(yīng)保護(hù)原理而采用的隨機(jī)整定，即在每個巡檢周期內(nèi)均要預(yù)算出此時發(fā)生單相接地時的零序電壓和零序電流的大小，并分別除以 2，作為判定是否發(fā)生漏電故障的判據(jù)，因而具有足夠的靈敏度；二是，由于采用了自適應(yīng)欠補(bǔ)償方式，實(shí)際發(fā)生單相接地時，接地電流基本上是被固定在 5～15A 的范圍內(nèi)，相應(yīng)的零序電壓也將在一定的范圍之內(nèi)，因而容易設(shè)置。

2.3 縱向選擇性的保證

我國礦井高壓（6kV）供電網(wǎng)絡(luò)一般分為三級，即地面變電所、井下中央變電所和采區(qū)變電所。為了實(shí)現(xiàn)漏電保護(hù)選擇性的要求，這些變電所都應(yīng)裝設(shè)選擇性的漏電保護(hù)裝置，從而構(gòu)成三級選擇性漏電保護(hù)系統(tǒng)。

第一級漏電保護(hù)裝置為綜合保護(hù)，裝在采區(qū)變電所 6kV 隔爆型高壓真空配電箱中，其作用是當(dāng)單相漏電發(fā)生在采區(qū)變電所至移動變電站之間時，該保護(hù)裝置迅速動作（<0.1s），通過高壓開關(guān)切除故障支路。它是這一級的主保護(hù)。第二級漏電保護(hù)裝置裝在井下中央變電所，屬于一套完整的獨(dú)立裝置，它與礦用一般高壓開關(guān)柜配合使用，其作用是當(dāng)單相漏電發(fā)生在中央變電所至采區(qū)變電所之間時，延時 0.4-0.5s 動作，通過高壓開關(guān)柜切除故障支路，以保證其他支路正常供電。它是中央變電所至采區(qū)變電所之問的主保護(hù)。第三級漏電保護(hù)裝置裝在地面變電所中，也屬于一種完整的獨(dú)立裝置，并與高壓開關(guān)柜配合使用。其作用是當(dāng)單相漏電發(fā)生在地面變電所至中央變電所之間時，延時 0.9-1s 動作，通過高壓開關(guān)柜切除故障支路，以保證非故障支路正常供電。它是地面變電所至中央變電所之間的主保護(hù)，也兼做中央變電所以下線路的后備保護(hù)，還可作整個高壓供電網(wǎng)絡(luò)漏電的總后備保護(hù)。綜上所述，各級裝置之間按照這種時間配合關(guān)系，在保護(hù)上，稱為時限階段原則，其時限階段△t：0.2-0.5s。根據(jù)這種原則配合，就保證了高壓漏電保護(hù)系統(tǒng)的縱向選擇性。由于消弧線圈的作用電網(wǎng)始終運(yùn)行在一定范圍的欠補(bǔ)償狀態(tài)下，使得故障支路零序電流與非故障之路零序電流的相位差亦始終保持較大的差值，故傳統(tǒng)的以零序電壓相位為基準(zhǔn)的相敏比較判斷故障支路的方法仍能適應(yīng)，從而保證了準(zhǔn)確地選線功能。

3 結(jié)束語

本文采用的微機(jī)自適應(yīng)選線式漏電保護(hù)方案，不僅有穩(wěn)定的漏電動作值，而且還能準(zhǔn)確實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)橫向選擇性漏電保護(hù)。該保護(hù)方案靈敏度高，選線準(zhǔn)確，可靠性高，并適用于不同接地方式的特點(diǎn)，具有較好的應(yīng)用前景。

【參考文獻(xiàn)】

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[責(zé)任編輯：楊揚(yáng)]