基于礦井整流系統(tǒng)的繼電保護設(shè)計

摘 要：基于煤礦架線輸電事故的發(fā)生，研究井下整流系統(tǒng)的保護方案。考慮直流牽引供電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和特點，針對整流機組分析研究，建立整流電路模型，分析直流故障電流，利用MATLAB/ simulink軟件對其進行仿真，最后確定繼電保護方案。

關(guān)鍵詞：直流牽引供電系統(tǒng)；直流故障；短路保護；漏電保護

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.10.225

近年來，我國的煤炭行業(yè)發(fā)展十分緩慢，然鑒于各行各業(yè)對于煤炭能源的依賴，我國工業(yè)對煤炭的需求仍然十分可觀。現(xiàn)階段，煤炭井下運輸，基本上都是使用礦用架線電力機車，用其運輸物資、機械設(shè)備、人員是非常普遍的情況。但井下巷道空間限制，架線電網(wǎng)暴露敷設(shè)，而且巷道窄照明不足等情況，容易造成危險事故。從全國煤礦直接觸電事故的情況來看，煤礦架線觸電死亡率大約為30%。本文針對架線直流系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及故障特點，探討保護方案。

1 煤礦井下直流牽引電網(wǎng)概述

我國大部分礦井都是采用550V或250V工作電壓等級的架線電機車。一般由高壓6千伏三相交流電經(jīng)由開關(guān)和高壓接觸器，同時送入兩臺動力變壓器，經(jīng)變壓后將兩個低壓交流電源送到可控硅整流柜，然后經(jīng)柜內(nèi)兩個三相半控橋或全控橋線路進行整流，順極性串聯(lián)后，輸出整流250V電壓到架線電網(wǎng)。在實際生產(chǎn)過程中一般采用等效24脈波整流機組，由兩組等效12脈波整流機組并聯(lián)而成，則能輸出24脈波電壓電流供給架線電網(wǎng)。本文將基于12脈波整流機組建立直流牽引供電系統(tǒng)的仿真模型來分析。

對于移相變壓器，采用三相三繞組變壓器，原邊繞組采用星形聯(lián)結(jié)方式，副邊兩個繞組分別采用三角形和星形聯(lián)結(jié)方式，原副邊繞組的匝比為1：1：，兩副邊繞組輸出線電壓幅值相等，三角形繞組側(cè)電壓Va"、Vb"、Vc"的相位超前星形繞組側(cè)Va'、Vb'、Vc'30°。輸入整流電路，整流輸出平均電壓也相等，并聯(lián)向負(fù)載供電。同時，由于整流橋Ⅰ和Ⅱ輸出電壓的瞬時值不等，為了保證兩組整流橋可以真正的并聯(lián)運行，在整流電路末端加入平衡電抗器。兩組整流橋經(jīng)平衡電抗器后的輸出電壓vd為：

兩組整流橋經(jīng)平衡電抗器后的輸出電壓瞬時值為兩組整流橋輸出電壓瞬時值vd1、vd2的平均值。vd1、vd2中的6次諧波電壓互相抵消，輸出電壓vd中最低次諧波為12次。輸出電壓平均值，V1為整流橋輸入線電壓有效值。

2 直流短路故障分析及保護方案

在電力系統(tǒng)的運行中，時常會發(fā)生故障，其中大多數(shù)是短路故障。在煤礦井下直流牽引供電系統(tǒng)中，由于絕緣的破壞，或有工人在工作過程中掛趴在了機車上，都有可能造成短路故障，甚至引發(fā)觸電事故。發(fā)生短路時，阻抗減小，短路電流大大增加，通過電氣設(shè)備導(dǎo)體時，熱效應(yīng)、電動力沖擊，也都會對電力系統(tǒng)造和工業(yè)生產(chǎn)成損害。

對故障波形做直流穩(wěn)態(tài)短路電流計算。根據(jù)井下鋪設(shè)直流架線的導(dǎo)線及軌道技術(shù)參數(shù)，我們假設(shè)牽引電網(wǎng)電阻r1為0.00809Ω/km，鋼軌單位電阻r2為0.03436Ω/km，短路電阻rg為0.004Ω，在離牽引變電所距離l為300m處發(fā)生牽引網(wǎng)對鋼軌金屬短路故障。

供電網(wǎng)絡(luò)及軌道電阻則供電網(wǎng)絡(luò)、軌道及短路電弧總電阻為

穩(wěn)態(tài)短路電流為

對此進行暫態(tài)分析時，考慮到直流側(cè)電感及電阻值對故障波形的影響，短路電流表現(xiàn)為指數(shù)分布或沖擊電流，視工況而定。但兩種情況不會影響保護方案，本文就不做討論。

在電力系統(tǒng)繼電保護中一般會設(shè)計為三段式電流速斷保護，但井下架線電網(wǎng)鋪設(shè)面積有限，不存在輸電線路長、電流降低的情況，不作保護區(qū)域劃分，對所在線路作統(tǒng)一的短路故障判定。速斷保護作為線路主保護，保護動作后出口跳閘，短路保護的定值、時間獨立設(shè)定，有選擇性的加入低電壓閉鎖速斷保護、諧波閉鎖速斷保護等判定。

（1）主保護判定，電流元件動作條件表達(dá)式：I>ISD。（2）整定值確定，計及故障短路電流值，將其折算至電流互感器二次側(cè)作為速斷保護電流整定值。以ZK14-7/250型號架線電機車為例，額定工作電壓250V，額定工作電流212A，選擇匝數(shù)比20：1的電流互感器。（3）過流整定范圍（折算到二次側(cè)）：（0～20）IN，設(shè)速斷電流整定值ISD=5IN≈10A，速斷保護動作可以可靠動作。返回系數(shù)，電流不小于0.9；動作時間設(shè)為3ms。

3 仿真實驗

選取三個相位相差120°、幅值6kV的交流電源，頻率50Hz。整流變壓器模塊一次繞組采用Y型連接，二次繞組分別采用Y型和△型連接，三繞組線電壓高壓/低壓/低壓為6000/185/185V。將兩組全控三相整流橋并聯(lián)。設(shè)置當(dāng)t=0.5s時發(fā)生短路故障，得到短路電流故障電流錄波。發(fā)生故障時，短路電流大大增加，電壓降低。故障電流大于速斷保護電流整定值，3ms后保護動作跳閘出口，切除短路故障。

4 結(jié)語

短路保護通過對煤礦井下整流系統(tǒng)的短路故障的故障分析、判別，識別故障類型，向上位機反映，保護動作跳閘出口，在有限的時間內(nèi)切除短路故障，保護牽引供電系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行、減少人員傷亡。

參考文獻：

[1]馬義林.自耦式12脈沖整流電路的研究[D].南京航空航天大學(xué)碩士學(xué)位論文，2009.

[2]王彥文.煤礦供電技術(shù)[M].徐州：中國礦業(yè)大學(xué)出版社，2009.

作者簡介：章蒙亞（1991-），女，浙江人，在讀研究生，研究方向：電力系統(tǒng)微機監(jiān)控。