煤礦高壓防爆開關保護裝置的設計應用

路廣

【摘 要】隨著我國科學技術的發(fā)展，在煤炭行業(yè)中，高壓防爆開關保護裝置的研究工作有了一定的進步。在實際的工作應用中，仍然存在許多問題和不足。對這些保護裝置進行深入的研究，有利于煤炭行業(yè)的供電安全。本文介紹了防爆開關在短路保護和漏電保護上的方法，詳細闡述了保護裝置的設計方案。

【關鍵詞】煤炭行業(yè)；高壓防爆開關；保護裝置；方案

煤礦開采的現(xiàn)代化程度不斷提高，要求井下供電系統(tǒng)要有更高的安全性和可靠性。由于井下工作環(huán)境惡劣，短路、漏電事故經(jīng)常發(fā)生，會危及到人身安全和正常的生產(chǎn)工作。所以，對高壓防爆開關進行特別的保護和實時監(jiān)視，是必不可少的工作環(huán)節(jié)。

1 短路保護技術

就目前而言，煤礦高壓防爆開關在短路保護和過流保護方面的問題已經(jīng)得到了解決。但是，在實際的工作運行中仍有一些難題。第一，開展煤礦井下工作中，每個開關輸電線路之間的距離并不大，在幾十米到幾百米之間。第二，作為線路中的下級，其末端的電流最小值往往高于上級的保護整定值。這樣一來，就會大大增加越級跳閘現(xiàn)象的發(fā)生，從而造成供電不穩(wěn)定和不可靠的局面，從側(cè)面影響到煤炭的正常生產(chǎn)工作。

針對于越級跳閘問題，經(jīng)過分析，得出主要存在的問題根源在于保護裝置的靈敏度不高。并且，很有可能不符合安全規(guī)范的要求。對此，要在不對電流保護整定方法進行改動的前提下，采用通信閉鎖短路保護技術，來實現(xiàn)短路保護的目的。

通信閉鎖短路保護技術的工作原理在于：當下級開關發(fā)生短路情況時，該裝置會迅速向上一級發(fā)出短路保護閉鎖信號，及時將短路故障信息傳遞給整個線路。當短路保護閉鎖信號傳遞到上一級開關后，就會立即進行短路保護閉鎖，從而及時解決短路故障。

另外，考慮到下級開關或保護裝置由于臨時故障而無法解決短路問題，對上級閉鎖功能的持續(xù)時間做出了嚴格的限制，一般為100—200毫秒。如果時間超出了這個范圍，不論閉鎖信號是否已經(jīng)解除，短路保護都會重新恢復為正常的工作狀態(tài)。

2 漏電保護技術

目前煤礦井下工作中采取的漏電保護技術都是以國家的相關規(guī)范制度進行制定的。具體來說分為兩種：一是，零序電流型漏電保護；二是，零序功率方向型漏電保護。這兩種方法在漏電保護上具有針對性，應用對象都是中性點不接地電網(wǎng)。

隨著煤礦內(nèi)供電距離的不斷增加，電網(wǎng)對地電容電流不斷增大，這就要求原來的煤礦供電方式要進行調(diào)整。經(jīng)過運行方式的調(diào)整與轉(zhuǎn)變，目前大多數(shù)采用的是中性點消弧線圈接地方式。原來的供電方式和目前的相比，其缺點有兩個方面：第一，不能滿足漏電保護的準確性要求。第二，漏電故障接地電阻在一定程度上影響漏電保護裝置的正常運行。采取中性點消弧線圈接地方式后，能夠顯著提升漏電保護的準確性和適應性。

如圖1所示，是煤礦高壓電網(wǎng)漏電零序網(wǎng)絡的示意圖，從圖中可以看出，第K條線路出現(xiàn)漏電情況，當DL1處于打開狀態(tài)時，就是中性點不接地系統(tǒng)；當DL1處于閉合狀態(tài)時，就是中性點消弧線圈接地系統(tǒng)。Ln和Gn則表示消弧線圈電感和預調(diào)式消弧線圈。一般情況下，煤礦高壓電網(wǎng)的對地絕緣電阻比較大，所以在計算時，就不用對每個線路的對地電阻都進行考慮。

當中性點不接地電網(wǎng)出現(xiàn)了漏電問題時，對發(fā)生故障的線路進行檢測，其零序電流與以下兩個因素有關：第一，電網(wǎng)對地電容；第二，漏電故障的接地電阻。目前所使用的高壓防爆漏電保護裝置，進行整定的基礎依據(jù)是零序電流。如果整定的結(jié)果低于要求的水平，就會導致誤動問題的出現(xiàn)；如果整定的結(jié)果高于要求的水平，就會導致高阻接地的拒動問題出現(xiàn)。在實際的工作中，一旦發(fā)生漏電故障，電阻的阻值就會發(fā)生改變。因此，誤動問題和拒動問題的解決，不能僅僅依靠整定，而是應該采取節(jié)點導納法（以電路中節(jié)點電壓為待求量，求解電路問題的方法）的漏電保護進行處理。

判斷故障線路，可以通過檢測導納的大小和方向的方式來實現(xiàn)。在這個過程中，為了防止出現(xiàn)對沒有發(fā)生故障的線路進行錯誤判斷，就會在方向拒判的前提下，對它的大小作出判斷。一般情況下，防爆開關的電纜長度是固定的，與整個電網(wǎng)相比，這部分電纜的導納可以忽略不計。對總的電容值進行估算時，需要考慮的因素有互感器誤差、測量誤差、電網(wǎng)的電纜總長等。

除此之外，中性點消弧線圈接地電網(wǎng)和中性點不接地電網(wǎng)相比，對于沒有發(fā)生故障的線路進行開關檢測零序電流特性而言，兩者的差別并不大。而對于發(fā)生故障的線路進行檢測時，大小和方向的主要影響因素在于消弧線圈補償電流。

3 裝置設計方案

根據(jù)以上的保護原理為出發(fā)點，設計的高壓防爆開關保護裝置示意圖如圖2 所示。

從示意圖中可以看出，該裝置的設計中，主控單元的微控制器是DSP（TMS320F2812），其性能十分優(yōu)越。而邏輯控制單元選用的是CPLD，從而使分離元件的數(shù)量能夠得到有效的控制，PCB板的面積也會大大減小。通過這些設計，能夠大大提升本裝置的安全性。至于A/D芯片，則是14位高速模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片。整個裝置的零序電壓，由電壓互感器開口三角電壓提供。

最后，為了驗證該高壓防爆開關綜合保護裝置的系統(tǒng)正確性，針對通信閉鎖式短路保護和中性點等不同的運行方式，進行漏電保護的實驗。在實驗的過程中，在同一時間，將大小相同的電流輸入到兩臺保護裝置中，從而驗證越級跳閘問題的解決情況。在這個實驗的設計中，主要涉及到的是上級保護和下級保護兩種類型，分別對應的是保護1和保護2，且整定值分別設置為10A和8A。經(jīng)過實驗，結(jié)果證明利用通信閉鎖方案，能夠防止出現(xiàn)越級跳閘故障的目的。

因此，短路保護和漏電保護新技術的提出，是在原有技術基礎上的改進和創(chuàng)新。高壓防爆開關保護裝置的設計，也能夠?qū)崿F(xiàn)電力運行過程中的安全性和可靠性需求。所以，該裝置可以應用于煤礦開采的井下工作中。

4 結(jié)語

短路保護新技術和漏電保護新技術的提出，能夠有效解決當前煤礦工作中短路越級跳閘和漏電保護不精準的問題。這些新技術的應用，一方面跳脫出漏電保護的制約性因素，另一方面也提高了適用范圍。采用新的裝置設計方案，能夠提高煤礦井下工作的安全性，提高工作效率，增加經(jīng)濟效益。

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[責任編輯：曹明明]