借助失壓保護延時功能提升煤礦供電系統的可靠性分析

郝小鵬

（西山礦務局馬蘭煤礦，山西太原 030205）

0 引言

煤礦企業的井下變電所、泵房等重要場所，必須嚴格遵守煤礦安全生產準則規范，實行雙電源線路供電。因此，長時間停電事故基本上能夠完全避免。但是相比之下，由于供電系統瞬間低壓閃變造成的，引發低壓保護動作跳閘從而造成礦井短時間停電事故，因此礦井短時間停電事故的發生率相對較高。一些停電事故雖然發生的時間不長，但給礦井帶來巨大危害的幾率極大。如通風機瞬間斷電，造成掘進工作面通風不暢，極有可能引起瓦斯聚集。以及排水設備瞬間斷電，造成積水聚集在巷道和水泵房內無法排出[1]。

1 變電所母線低電壓瞬間閃變

通常沖擊負載、直接啟動大功率電動機以及供電系統中存在短路故障、上級電網遇雷電保護動作導致下級瞬間失壓是造成煤礦變電所母線低電壓瞬間閃變的主要原因。在某煤礦中，前兩種對變電所母線低電壓瞬間閃變并未產生多大影響，后兩種是造成該煤礦變電所母線低電壓瞬間閃變的主要原因。只有進行合理的供電設計，大型電動機采用變頻啟車的方法，沖擊負載和直接啟動大功率電動機對變電所母線低電壓瞬間閃變造成的影響才能有效避免。

1.1 供電系統短路故障引起低電壓閃變

煤礦井下環境十分惡劣，同時電力系統中礦井供電電纜線路繁多，電纜損壞引發短路故障，故障線路產生的短路電流強度很大，引發故障線路跳閘，因此短路故障經常頻繁發生；除此之外，在短路跳閘前會引起供電系統短時間低電壓，還會導致低壓閃變產生。短路故障點離電源越近，也就是變電所，則相應產生的短路電流越大，促使變電所母線電壓下降幅度越大，從而對電網系統產生的危害越大。

35 kV以下電壓等級的速斷保護時限通常低于0.5～1 s，若合理啟動速斷保護，則短路故障引發低電壓的持續時間將更短。切除故障線路后，系統電壓能迅速恢復到原來的狀態[2]。

1.2 遇雷擊供電系統發生低電壓閃變

煤礦井下變電所遭遇雷擊的概率不大，遇雷擊是供電系統發生低電壓閃變的首要原因，上級35 kV變電站遭遇雷擊時，其架空線路引發電網瞬間低壓閃變，上級變電站高壓柜的過壓保護導致下級井下10 kV變電所進線失壓。

雷擊過電壓基本有直擊雷和感應雷兩種形式。由于全程覆蓋避雷針和避雷線，因此感應雷在變電站附近發生的概率較大，而直擊雷發生的概率較小。

2 低壓閃變對礦用一般型高壓柜的影響

2.1 礦用一般型高壓柜失壓脫扣器的原理

礦用一般型高壓柜的失壓脫扣器的構成，通常為失壓線圈和彈簧兩部分組成，其電源直接從PT變壓器的二次引取，工作電壓為交流100 V。其工作原理是：高壓柜處于合閘狀態，是由于線圈得電吸合舌簧從而使斷路器持續處于合閘狀態；反之，失壓線圈失電后，舌簧被釋放使斷路器處于分閘狀態。其技術指標要求為，當線圈電壓高于65%額定電壓時，禁止釋放；當線圈電壓高于85%額定電壓時，應可靠吸合。當線圈電壓低于35%額定電壓時，鐵芯可靠地釋放；因此，依據失壓線圈的工作原理可知，無論是PT斷電，還是電壓下降100 V都會導致高壓柜不能正常合閘或分閘現象產生[3]。

2.2 母線低壓瞬間閃變對礦用高壓柜的影響

由于礦用一般型高壓柜無失壓保護延時功能，因此其低電壓保護動作的實現，主要憑借其斷路器本身的失壓線圈完成。無論是失壓線圈電壓低于35%額定電壓引發失壓跳閘，還是母線電壓發生低壓瞬間閃變引發100 V電壓失電，均會造成大范圍停電。

某礦在使用礦用一般型高壓柜保護器時，雷擊引發的停電事故發生次數頻繁。當35 kV變電站遇雷擊引發跳閘時，其10 kV的高壓柜保護器顯示過壓報警，并未發生跳閘，但是井下高壓柜顯示失壓分閘。由于綜合保護器具有過壓和失壓保護延時調整功能，故35 kV變電站使用該保護器。上級過壓保護動作將導致下級失壓跳閘。

除此之外，造成變電所母線電壓閃變的還有變電所母線附近區域發生的短路故障，促使失壓線圈電壓值比規定值低，引發失壓跳閘以及一系列大范圍停電事故[4]。

3 煤礦高壓供電系統失壓保護延時技術

3.1 投入失壓保護延時功能的原理

該礦原來采用的是礦用一般型高壓柜保護器，現要進行改造升級，采用具有失壓延時控制功能的施耐德保護器，并且拆除饋出柜的失壓線圈。

保護器的欠壓保護檢測判斷其是否失壓依據的是從PT引取的100 V，當保護器檢測到100 V失壓或低于設定值后，可人為設定保護器延時幾秒，從而使高壓柜斷路器分閘回路閉合[5]。

短路通常在幾秒內引發母線電壓閃變，但是毫秒級為雷擊上級過壓保護動作的時限級別，因此，欠壓保護延時設置只要設計得合理，母線電壓閃變造成的低壓跳閘故障就能夠避免。50 ms～300 s為施耐德Sepam40系列保護器的欠壓延時設定區間。經過幾年改造后的實踐證明，礦井供電系統的可靠性有了明顯提高，主要得益于母線低壓閃變造成的大面積停電事故發生頻率大幅降低。

同時定期進行電纜絕緣值測試，加強線路檢查和管理。地面35 kV變電站和架空線路加裝防雷設施，可以有效降低高壓線路短路故障的發生率，并將導致低壓閃變故障率降到最低[6]。

3.2 加裝失壓延時控制器的改造方法

將失壓延時斷開裝置安裝到高壓開關里，并與失壓脫扣線圈線路并聯，是其它礦井單位對該類型高壓柜進行改造的工作原理[7]。

失壓脫扣器的類型不同，其RS和R的參數指標也不同，因此必須進行調試，這是由于其線圈參數和彈簧彈力不同引起的。調試規范指標要求如下：首先確定其RS參數值，當失壓脫扣線圈電壓高于80%額定電壓時，鐵芯可靠吸合；低于35%額定電壓時，鐵芯能可靠脫扣；其次再確定其R參數值，要保證失壓延時保護功能實現，則鐵芯可靠脫扣[8]，需要失壓脫扣線圈工作電源喪失1.5～3s。

4 結論

在整個煤礦供電系統中，短路故障和落雷故障會導致短時低電壓，給煤礦安全生產造成嚴重影響。借助失壓保護延時功能，能成功避免變電所母線低電壓瞬間閃變導致的跳閘故障。實踐證明，失壓保護延時功能能有效提高礦井供電系統的可靠性。