煤礦高壓開關(guān)柜中電弧光保護裝置的研究

王玉晴

(西山煤電(集團) 天安電氣有限責(zé)任公司,太原 030000)

煤礦高壓開關(guān)柜中電弧光保護裝置的研究

王玉晴

(西山煤電(集團) 天安電氣有限責(zé)任公司,太原 030000)

電弧光保護系統(tǒng)能夠有效地減少礦山電網(wǎng)系統(tǒng)中的安全隱患。結(jié)合某礦實際,使用自主研發(fā)的電弧光保護裝置PCS-9656,該裝置采用光纖傳感器作為電弧光探測單元,弧光傳感器與保護裝置間采用模擬光信號傳輸將光信號轉(zhuǎn)化為電信號。結(jié)果表明,該裝置能夠快速定位短路故障點,在最短時間內(nèi)快速切除故障,最大限度縮小礦山停電范圍,保證供電系統(tǒng)的穩(wěn)定可靠運行,電弧光保護系統(tǒng)不僅對高壓開關(guān)柜起到了保護作用,而且提高了煤礦安全系數(shù)和促進了礦山企業(yè)的經(jīng)濟效益。

弧光保護;光纖傳感器;高壓開關(guān)柜

隨著改革開放成果的引進和國民經(jīng)濟的不斷發(fā)展,我國煤礦的機械化程度不斷提高,所需用電量也在逐年增加,中低壓(35 kV 及以下電壓等級)配電系統(tǒng)的在礦山生產(chǎn)系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用。配電系統(tǒng)中的中、低開關(guān)柜的數(shù)量越來越多,中低電壓等級的母線由于所處環(huán)境復(fù)雜,技術(shù)設(shè)備故障和人為因素等原因,易引發(fā)母線短路,存在很大的安全隱患。由于母線發(fā)生故障時,采用變壓器的后備保護來切除母線上的故障,無法在發(fā)生故障的第一時間解決,設(shè)備損壞幾率增加,嚴(yán)重時導(dǎo)致燒毀。據(jù)報道,我國供電系統(tǒng)中開關(guān)柜每年有200多面被燒毀,而開關(guān)柜短路事故更是經(jīng)常發(fā)生,有時甚至造成更大的電網(wǎng)事故,直接造成礦山機械設(shè)備的損失和經(jīng)濟損失。因此,在應(yīng)用供電系統(tǒng)時,如何在保證礦山生產(chǎn)效率的同時保證礦山設(shè)備及人員保護,是我們必須研究和攻克的難題[1-3]。

1 弧光的參數(shù)及危害

1.1弧光的參數(shù)

1)空氣弧光產(chǎn)生時的最大的瞬時功率較大,可達40MW;

2)內(nèi)部溫度較高,可升至10 000 °C以上;

3)中壓范圍內(nèi)弧光產(chǎn)生時和結(jié)束時的溫度可達 4 500 °C;

4)弧光的最大電壓可達500 V ～ 1 000 V;

5)弧光的光強超過正常的照明光強2 000倍。

1.2弧光的危害

弧光在毫秒時間級別發(fā)生消失,釋放的能量卻很驚人,對礦山機械設(shè)備和人身安全都有巨大的破壞性[4-5]。

1)電弧溫度驚人,可達10 000 ℃,超過一定溫度損害電網(wǎng);

2)電弧引起火災(zāi),燒毀電纜;

3)穩(wěn)定過高導(dǎo)致開關(guān)柜內(nèi)開關(guān)裝置爆炸,使其失效;

4)容易造成人員傷害,對人員臉部和皮膚形成永久性傷害;

5)爆炸時產(chǎn)生的氣體,技術(shù)人員吸入會損傷其呼吸系統(tǒng)。

2 弧光保護技術(shù)的現(xiàn)狀和措施

1995年,中國引進了第一套弧光保護裝置。近年來,人們注意到切除母線時產(chǎn)生的過流保護動作時間過長的問題,分析了電弧故障時產(chǎn)生的聲、光、熱和電磁等效應(yīng)。采用理論與實際相結(jié)合的方法,分析電弧效應(yīng),開發(fā)研制出各種用來檢測電弧的保護裝置,并在礦山中得到了加速應(yīng)用。如此,既對礦山人員起到了安全保護作用,也使得礦山的生產(chǎn)效率得到進一步提高。例如:有的利用電弧的熱效應(yīng),研制出能通過感應(yīng)電弧的熱量而產(chǎn)生動作的采閥式電弧保護繼電器;有的利用電弧的電磁效應(yīng),通過電弧接地保護裝置及時切斷發(fā)生故障的開關(guān)裝置,以便及時的維修;有的檢測故障裝置中的臭氧濃度,保護報警裝置以便工作人員能在第一時間保證人員的安全,不至于給礦山企業(yè)帶來巨大的人員和經(jīng)濟損失。隨著科技的發(fā)展,利用電弧的多種效應(yīng)開發(fā)更具敏感性和準(zhǔn)確性的新型電弧保護裝置已成主流[6-7]。

現(xiàn)在,功能型感器和非功能型傳感器等新型傳感器在礦山供電系統(tǒng)中應(yīng)用最廣,這種新型傳感器不僅靈敏度和精確度較高,而且絕緣性能較好,具有抗電磁干擾。這兩者主要以其中的光纖所起的作用不同區(qū)分開來。前者的光纖對被測信號具有傳輸和敏感的作用;后者僅起傳輸?shù)淖饔?。光纖傳感器在電力系統(tǒng)的電弧光保護中起到了重要的作用,它在強電磁干擾和高電壓的環(huán)境里,能顯示出獨特的能力[8]。

電弧故障的危害程度取決于電弧電流及切除時間,電弧產(chǎn)生的能量成指數(shù)規(guī)律快速上升。發(fā)生故障時,技術(shù)人員在85 ms內(nèi)切除故障部分,才能保證相關(guān)設(shè)備免遭遇難,避免不必要的損失,一旦時間超過100 ms,相關(guān)設(shè)備則會遭到損害,嚴(yán)重時會對礦山企業(yè)造成不可挽回的損失[9-10]。

目前常用保護裝置:

1) 變壓器后備過流保護,但此方案的問題是快速性不過,不能達到開關(guān)柜內(nèi)部電弧故障的有效保護。

2)簡易母線保護方案,采用傳統(tǒng)方法識別故障,此方案目前應(yīng)用最為廣泛。

3)電弧光母線保護方案,利用電弧的相關(guān)特性作為判別依據(jù),可快速切除內(nèi)部故障。

4)其他母線保護方案。就投入成本及實施效果綜合對比,電弧光保護方案優(yōu)勢明顯,其使用比例在礦山配電系統(tǒng)中最廣。

3 重點研究內(nèi)容

電弧光保護主要動作依據(jù)兩個不同因素:孤光及電流增量。通過研究傳統(tǒng)過流型保護、弧光非電量型保護和級差的配合,為弧光保護裝置的研究發(fā)現(xiàn)新的切入點,進而研究更為先進的弧光保護裝置。其一,傳統(tǒng)過流型保護和級差配合。以阻抗接地系統(tǒng)分析即接地跳閘時間很短分析:采樣15 ms～30 ms;接點閉合5 ms;整定延時30 ms～350 ms;斷路器分閘50 ms～80 ms;整體故障切除時間:出線130 ms+AR,進線 450 ms,見圖1。其二,弧光非電量型保護和級差配合。以阻抗接地系統(tǒng)分析,弧光信息1 ms;過流判據(jù)1 ms;接點閉合5 ms;斷路器分閘50 ms～80 ms;整體故障切除時間:出線87 ms,進線 87 ms,見圖2。本文重點研究內(nèi)容為:

1)分析電弧對礦山造成的危害,研究電弧保護裝置的動作原理。

2)根據(jù)不同礦山的實際生產(chǎn)狀況研究母線故障變化情況,研究開發(fā)符合當(dāng)?shù)氐V山實際生產(chǎn)狀況的電弧保護裝置。

3)在故障狀況下,分析各種電弧保護裝置的敏感度和精確定位程度。

4)分析電弧保護裝置的優(yōu)缺點并具體分析該裝置對礦山配電系統(tǒng)所產(chǎn)生的安全隱患。

通過研究某礦的配電系統(tǒng),得出了一套適合該礦山實際生產(chǎn)的電弧光保護裝置的技術(shù)設(shè)施方案,既能保證弧光保護裝置的利用最大化,也能把對煤礦供電系統(tǒng)的沖擊破壞程度降到最低,從而避免安全隱患,加強對專業(yè)維修人員的培訓(xùn),防止人為操作錯誤帶來不必要的損失,并為今后電弧保護裝置新的開發(fā)提供可靠依據(jù)。

圖1 傳統(tǒng)過流型保護和級差配合Fig.1 Traditional overcurrent protection and stage difference coordination

圖2 弧光非電量型保護和級差配合Fig.2 Arc non-electricity protection and stage difference coordination

4 實施方案

1)針對某礦實際生產(chǎn)狀況,采用PCS-9656電弧光保護裝置就地安裝6 kV進線柜,該裝置滿足數(shù)字化廠站需要,適應(yīng)智能電網(wǎng)未來發(fā)展趨勢。

2)PCS-9656SH弧光傳感器安裝在開關(guān)柜內(nèi),監(jiān)測各開關(guān)裝置的運行,若有開關(guān)出現(xiàn)異常狀況,立刻實施保護措施。

3)采用以太網(wǎng)或串口103送后臺監(jiān)控系統(tǒng)。

4)具有友好的人機接口,調(diào)試維護方便。

某煤礦使用的電弧光保護裝置為變電站、電廠、工業(yè)企業(yè)用戶等場合的中、低壓母線提供快速保護。當(dāng)發(fā)生弧光短路時,被弧光傳感器覆蓋區(qū)域的弧光短路可被快速定位,電弧光保護系統(tǒng)快速動作,切斷故障電流,最大限度降低電弧光對設(shè)備的損害以及人員傷害。電弧光保護裝置通過不同插件的組合,結(jié)合實際應(yīng)用場所的供電系統(tǒng),組建成符合實際需要的保護系統(tǒng)。

電弧光保護裝置也可實現(xiàn)對電流信號的全方位采集,進而完成對電弧光、短路器的保護,CT斷線、傳感器異常、裝置硬板故障等的報警,測控以及信息保護功能。在發(fā)生故障時,能夠精確定位故障點,跳閘出口提供跳閘矩陣整定,跳開相關(guān)斷路器,實現(xiàn)分區(qū)域保護,最大限度縮小事故停電范圍。具有強電磁兼容性,調(diào)試維護方便,具有友好的人機接口,方便的現(xiàn)場安裝測試功能。

5 配置方案

電弧光保護裝置配置方案如表1所示。

表1 變電所配置方案Table 1 Allocation scheme of power substation

6 結(jié)束語

1) 電弧光保護系統(tǒng)有效的減少了礦山電網(wǎng)系統(tǒng)中的安全隱患,降低了因短路故障造成的設(shè)備損害和人員傷害,提高了礦山企業(yè)的經(jīng)濟效益。

2)能夠快速定位短路故障點,在最短時間內(nèi)快速切除故障,最大限度縮小礦山停電范圍,保證供電系統(tǒng)的穩(wěn)定可靠運行,使礦山生產(chǎn)能夠正常有序進行。

3)目前某礦存在大批設(shè)備老化現(xiàn)象,礦山開關(guān)柜也不例外,由于近些年礦山趨勢的低谷,使得資金以及技術(shù)更新都得不到有效支持,這種背景下,如果低價高效的國產(chǎn)電弧光保護裝置能夠及時開發(fā),既可保證礦山設(shè)備以及人員的安全性,又能夠合理控制礦山預(yù)算成本,在保證安全的基礎(chǔ)上實現(xiàn)具有極高的經(jīng)濟和社會效益。

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ArcProtectionDeviceinHighVoltageSwitchgearinMines

WANGYuqing

(Tian’anElectricityCo.,Ltd.,XishanCoalandElectricityGroup,Taiyuan030000,China)

Arc protection system could effectively reduce the safety hazards in power grid system in mines.Combined with the actual situation,a self-developed arc protection device (PCS-9656) was used in a mine.Fiber optic sensors were used to detect the arc.The arc sensors and protecting device adopted analog light signal to transmit by transforming light signal into electronic signal.The results show that the device could rapidly locate the short-circuit fault points,remove the faults in the shortest time,reduce the power outage range,and ensure the stable and reliable operation of the power supply system.The arc protection system could not only protect the high voltage switchgear but also improve the safety and economical benefits of the mine.

arc protection; fiber optic sensor; high voltage switchgear

1672-5050(2017)04-0047-04

10.3919/j.cnki.issn1672-5050sxmt.2017.08.014

2017-06-20

王玉晴(1987-),男,山西靜樂人,大學(xué)本科,助理工程師,從事高低壓配電設(shè)備的研發(fā)和制造工作。

TD611.5

A

(編輯:樊 敏)