煤礦高壓電網漏電保護系統的改進方案研究

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

【關鍵詞】礦山機電；高壓電網；漏電保護；接地方式；供電可靠性；負荷波動；特征信號

0 引言

隨著煤礦現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可靠性、連續性和安全性的要求越來越高，同時，由于煤礦井下工作環境惡劣，負荷波動大，工況很不穩定，瓦斯煤塵積聚，滴水冒頂事故等會使電氣設備絕緣強度逐漸降低，而且由于操作人員維護不當或操作錯誤、輸電線路的導線斷裂等原因，經常會出現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，長時運行將導致對地絕緣擊穿，甚至發生三相或兩相短路事故。單相接地、相間短路故障發生時產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。為此，研究高性能的礦井高壓電網選擇性漏電保護系統具有重要的現實意義和重大的經濟價值。

1 零序功率方向式漏電保護原理

零序功率方向式漏電保護利用零序電流或零序電壓幅值的大小來判斷保護的供電單元內是否發生漏電，同時利用各支路的零序電流與零序電壓的相位關系來判斷故障支路，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

當電網中某支路發生漏電故障或人身觸電事故時，由取樣電路分別從電網中取出零序電壓和各支路的零序電流信號，經放大整形后，由相位比較電路來判別故障支路，最后啟動執行電路，切斷故障支路的電源，從而實現有選擇性的漏電保護。簡言之，就是對零序電壓和零序電流進行幅值和相位綜合處理以判斷故障支路，進而切除故障支路電源的原理。對于中性點不接地系統，它的靈敏較高，選擇性也好，這是零序功率方向保護優點。

但目前煤礦高壓電網當單相接地電流大于20A時，普遍采用的是中性點經消弧線圈并聯高阻的接地方式，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1/wl<3wc時，為欠補償方式，故障電流（零序電流）為容性，由于受并聯高阻的影響，其相位滯后零序電壓30°-60°；當1/wl>3wc時，為過補償方式，故障電流為感性，其相位超前零序電壓30°-60°，可見從欠補償到過補償的相位變化為60°-120°。

該特點使得零序功率方向型漏電保護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靈敏度不能得到保證。若能采用自適應保護原理，使欠補償方式與動作值整定跟隨電網運行狀態的變化，則零序功率方向型漏電保護系統就能適應中性點經消弧線圈并聯高阻的接地方式。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方案雖能夠同時適應各種不同的中性點接地方式電網的選擇性要求，但其靈敏度較低。故需要一種靈敏度高、選線準確，能同時適用于不同接地方式的新型礦井高壓電網選擇性漏電保護方案。

2 改進的漏電保護方案

圖2 系統原理框圖

本文考慮采用一種新的礦井高壓電網微機自適應選線式漏電保護方案，采用自適應欠補償方式、隨機整定與相敏比較，并以微機處理控制單元為核心，通過在線檢測電網對地電容的大小來決定自適應自動補償的數值和漏電保護的整定值，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成選線判據，根據選線判據準確、靈敏的切除漏電故障。這種新型的漏電保護方案在適應不同的接地方式的同時也能提高選線的靈敏度和可靠性。該方案的保護原理圖如圖2所示。

2.1 消弧線圈隨機補償抽頭的確定

由于電網不斷發生變化，在此選用的自動跟蹤補償消弧線圈與老式固定補償消弧線圈相比，具有較好的調節性。消弧線圈的補償原理見圖3，所謂消弧線圈補償，即在變壓器中性點與地之間接一適當電感，用電感電流抵消接地點電容電流。

圖3 消弧線圈補償原理

當無接地故障時，0 點電位■■= 0，電感L上無電流，即■■=0。當 A 相接地時，0點出現電壓■■。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，則接地點電流為0，稱全補償，若L取得過大，使電感電流不足以全部抵消電容電流，稱欠補償，反之則稱之為過補償。在沒有實現自動跟蹤補償前，消弧線圈只能分段調整，因此，不可能與電網分布電容形成完全補償，不是欠補償即為過補償。為避免全補償可能引發串聯諧振，形成危險過電壓，故以前實際電網的消弧線圈均處于過補償運行，并設置一定的脫諧度（5-10%）。

2.2 自適應隨機整定

自適應繼電保護是 20 世紀 80 年代提出的研究課題。其基本思想是使保護裝置盡可能地適應電力系統的各種變化，改善保護性能，即能夠適應電力系統各種運行方式和復雜故障類型，有效地處理故障信息，從而獲得更可靠的保護。本方案整定原理與傳統的零序功率方向型漏電保護相同，但有兩點改進：一是，利用自適應保護原理而采用的隨機整定，即在每個巡檢周期內均要預算出此時發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，作為判定是否發生漏電故障的判據，因而具有足夠的靈敏度；二是，由于采用了自適應欠補償方式，實際發生單相接地時，接地電流基本上是被固定在 5～15A 的范圍內，相應的零序電壓也將在一定的范圍之內，因而容易設置。

2.3 縱向選擇性的保證

我國礦井高壓（6kV）供電網絡一般分為三級，即地面變電所、井下中央變電所和采區變電所。為了實現漏電保護選擇性的要求，這些變電所都應裝設選擇性的漏電保護裝置，從而構成三級選擇性漏電保護系統。

第一級漏電保護裝置為綜合保護，裝在采區變電所 6kV 隔爆型高壓真空配電箱中，其作用是當單相漏電發生在采區變電所至移動變電站之間時，該保護裝置迅速動作（<0.1s），通過高壓開關切除故障支路。它是這一級的主保護。第二級漏電保護裝置裝在井下中央變電所，屬于一套完整的獨立裝置，它與礦用一般高壓開關柜配合使用，其作用是當單相漏電發生在中央變電所至采區變電所之間時，延時 0.4-0.5s 動作，通過高壓開關柜切除故障支路，以保證其他支路正常供電。它是中央變電所至采區變電所之問的主保護。第三級漏電保護裝置裝在地面變電所中，也屬于一種完整的獨立裝置，并與高壓開關柜配合使用。其作用是當單相漏電發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，也兼做中央變電所以下線路的后備保護，還可作整個高壓供電網絡漏電的總后備保護。綜上所述，各級裝置之間按照這種時間配合關系，在保護上，稱為時限階段原則，其時限階段△t：0.2-0.5s。根據這種原則配合，就保證了高壓漏電保護系統的縱向選擇性。由于消弧線圈的作用電網始終運行在一定范圍的欠補償狀態下，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，故傳統的以零序電壓相位為基準的相敏比較判斷故障支路的方法仍能適應，從而保證了準確地選線功能。

3 結束語

本文采用的微機自適應選線式漏電保護方案，不僅有穩定的漏電動作值，而且還能準確實現電網橫向選擇性漏電保護。該保護方案靈敏度高，選線準確，可靠性高，并適用于不同接地方式的特點，具有較好的應用前景。

【參考文獻】

[1]金兆民.煤礦6kV電網消弧線圈補償對高壓選擇性接地保護裝置的影響[J].煤炭科學技術，1997（2）.

[2]羅安.電網諧波治理和無功補償技術及裝備[M].北京：中國電力出版社，2006.

[責任編輯：楊揚]