注入式漏電保護方法在礦山配電網中的應用

馬永兵

（山西晉城無煙煤礦業集團有限責任公司寺河煤礦二號井，山西晉城048000）

0 引言

近年來，煤礦的安全生產受到了全社會的廣泛關注，我國相關部門也制定了詳細全面的規范，其中，國家安全生產監督管理總局于2011年就正式出版了《煤礦安全規程》，并于2016年對其進行了修訂再版。《煤礦安全規程》中有條款對煤礦用電安全做出了明確要求，煤礦電力安全是煤礦安全生產的重要內容，由于環境特殊、條件惡劣，井下電纜和電氣設備常因外力干擾而使得絕緣遭到破壞，時常導致發生漏電故障，這就給煤礦生產帶來了安全隱患。目前，我國煤炭行業井下高壓電網普遍采用中性點非有效接地系統，此類系統發生接地故障時，由于故障電流易受系統運行方式、線路長短影響，故障特征不穩定，單相接地故障線路難以準確辨識，導致了煤礦井下漏電保護誤動、據動情況時有發生。這也是數十年來國內外電力系統繼電保護領域一直關注的技術難題和研究課題。

1 基于信號注入、分散檢測新原理的選擇性漏電保護

1.1 原理介紹

以某配電網系統為例，如圖1所示，采用典型的輻射式結構連接。當正常運行時，系統處于三相對稱狀態，且無零序分量。此時A、B、C三相電壓均為正常相電壓，PT二次側電壓分別為UAN=UBN=UCN=57.74 V，U0=0 V。

圖1 信號注入法選線定位原理圖

當系統出現單相接地故障時，若圖1中Ln線路的C相發生單相接地故障，導致故障相C相的對地電壓降為0，PT處的C相一次繞組發生短接，二次繞組中也不存在感應電壓，將導致PT的故障相處于“閑置”狀態下。因此，可利用本特性將PT的故障相信號電流注入到故障一次系統中。

在接地相PT的二次繞組和接地間外接一個信號源，如圖1中虛線①所示。該信號源主要產生一個頻率不同于工頻及其諧波頻率的電流信號，并施加在PT的二次繞組中。處于短路狀態的PT一次繞組則會感應到該電流信號，其流通回路如圖中虛線②所示。這就是信號注入法的基本原理。

1.2 注入信號、分散檢測的漏電保護系統構成

整套漏電保護系統主要由ZBT-11C級聯縱差保護器、SY3603智能選漏保護終端、SY3601信號注入裝置構成。ZBT-11C、SY3603都安裝在高爆開關中，作用是在發生單相接地故障時判斷注入信號的大小，并根據預設值進行選擇性跳閘。SY3601注入裝置可以安裝在地面任一10 kV（6 kV）變電所中，一般每段母線安裝一臺SY3601信號注入裝置，其作用是在發生接地故障時向系統中注入信號供分散安裝的保護器檢測并實施跳閘。

2 采用注入原理的煤礦電網漏電保護實施方案

下面以某礦山為例，探討基于注入原理的分散式漏電保護系統在煤礦電網漏電保護中的實施過程。某礦山井下部分供電系統示意圖如圖2所示，中央變電所共有10條出線和12個測點，其中出線1經聯絡線后至膠帶機配電點，該配電點共有5個測點和4條負荷分支；出線2經聯絡線后至三盤區配電點，該點共有8個測點和6條負荷分支，再到3105二部皮帶配電點，該點共有4個測點和3條負荷分支。所有的聯絡線和負荷分支均安裝有開關柜。

圖2 某礦山井下供電線路及其系統配置

為了能夠準確切除接地故障，按照信號注入法的要求，在中央變電所的12條出線處、全部配電點的聯絡線和負荷分支處均安裝具有注入信號檢測功能的ZBT-11C級聯縱差綜合保護器。保護器中均設計有高精度的濾波器，用于對接收的信號進行提取和分離，在此基礎上可以判斷該系統是否發生單相接地故障。當出線2#的聯絡線F1點出現單相接地故障時，中央變電所剩余的11條出線及故障點F1下游安裝的保護單元均無法檢測到注入信號，因此狀態保持不變，保護裝置Q1僅需要在延時整定時間后切除整條2#出線。

當F2處發生故障，注入的信號流經保護點Q1、Q2、Q3和Q10后再經過故障點F2返回。此時，單靠注入信號的大小判定難以保證縱向選擇的準確性。而對注入信號而言，電氣上有連接的供電網絡只有一個信號源，那么就像過流保護一樣，上下級變電所保護可以通過時限級差配合來保證動作的選擇性。該時間級差一般須躲過斷路器固有分閘時間和保護動作時間，可將150 ms作為一個時間級差單位。位于同一出線上的保護單元，距離線路末端越遠則延時越長。因此，可在同一級母線處的聯絡線和負荷分支兩端進行注入信號，并以幅值來判斷故障是否發生在本出線上，這就需要有相同的動作時限。如出線2的保護單元Q11、Q12和Q13都位于系統的最末端，如若設定延時為0 s，則在瞬間動作時會對故障進行切除。而對Q3和Q10而言，為了確保F3點發生短路時依然可以有動作的選擇性，若設置時間級差Δt=150 ms，則Q3和Q10的保護動作時限為150 ms。

根據上述原理，下級保護的動作時限均應比上級保護的動作時限至少要低一個時間差Δt，以此來實現同一注入電流下各級保護的縱向選擇的準確性和安全性。

采用此保護配置方案不僅可以實現在保護單元相互獨立的條件下完成配電網系統的故障自動定位和線路切除，還可在同一出線上將上一級保護單元作為下級保護單元的后備保護，確保故障切除的可靠性。

3 結語

綜上，采用注入信號、分散檢測原理的漏電保護是目前較為合理的解決煤礦高壓電網漏電保護選擇性動作問題的方法，適合煤礦運行的實際情況。從試運行及實際工程應用案例來看，動作準確性高，施工簡單，很好地解決了煤礦供電電網中存在的漏電保護誤動問題。