井下6KV供電系統常見故障及其綜合保護器設計

山東能源集團棗礦集團蔣莊煤礦機電運輸科 韓套輪

山東三河口礦業有限責任公司 孫德福

介紹了煤礦井下6KV供電系統在運行過程中會出現的幾種故障及其保護原理，并設計了高壓防爆開關綜合保護器，給出了硬件和軟件上的設計方法。在抗干擾方面，也進行了相應的設計介紹。該綜合保護器具有保護動作可靠、快速等優點，對提高目前井下高壓供電系統的安全性具有很高的價值。

1 引言

目前我國部分煤礦企業采用了6kV小電流接地高壓供電系統，變壓器中性點不接地，或者經消弧線圈接地，由地面變電所、井下中央變電所和采區變電所組成。而且隨著煤炭工業的發展和采煤自動化技術的不斷提高,對煤礦井下供電系統的可靠性、安全性和連續性提出了越來越高的要求（石柏虎,煤礦井下高壓供電監控系統研究[D],山東大學,2012）。因此高壓防爆開關綜合保護器的設計非常重要和有意義。本文認真地分析了低壓電網中漏電、短路、過載、過壓與欠壓等礦井高壓開關保護系統中常見故障,并介紹了相應的故障檢測原理，設計了一種具有可靠性高、抗干擾能力強、方便操作、人機交互等功能的高壓防爆開關綜合保護器②。

2 井下供電系統常見故障

2.1 短路故障及其保護

短路就是不同電位的導電部分之間的低阻性短接，如相間短路、相與地之間短路等。煤礦井下一旦發生短路故障，較易引發嚴重的事故。因此短路保護是煤礦井下供電系統中的重要保護，不可或缺。傳統的短路保護采用鑒幅式繼電保護或電子式保護，其保護整定誤差大，動作時間長，可靠性較低，遠不能滿足現代化煤礦供電保護系統。

因此本設計的短路保護選擇相敏短路保護，它是采用功率因數檢測的原理。這是因為煤礦井下的負載均為感性特性，即在大型電機啟動時，電流值和功率因數呈現反比例關系，當它的電流值較大，功率因數就很低，一般cosφ不超過0.5；但是當系統出現短路故障時，線路的功率因數值卻很高，基本達到0.9以上。相敏保護的保護特性如圖1所示.圖中3區是鑒相、鑒幅兩者相結合的短路保護，2區是只有鑒相短路保護，1區是只有鑒幅保護電路（唐會祥,侯坤,金小強.基于RTOS的高壓防爆開關智能綜合保護器[J].煤礦機電,2008(6):93-97）。由圖分析可知，3區要明顯優于1區和2區，因為1區和2區均存在保護死區的現象。

圖1 鑒相鑒幅保護特性

相敏保護的特性函數為：

可見，只要常數C的值大小適當，保護區域都比單獨鑒幅和鑒相的保護區大。采用相敏保護，即使變壓器出口短路，功率因數很小，但是由于電流值很大，只要選擇合適的常數C，保護裝置也能可靠動作。因此由于相敏保護只從兩個電氣參量進行取樣，不僅有靈敏度高的特點，其動作可靠性也很高。

2.2 越級跳閘

越級跳閘也是煤礦井下常發生的事故之一，而且嚴重的情況下會導致井下出現大面積停電，使煤礦生產系統陷入癱瘓。

井下發生越級跳閘的原因包括以下幾個：

（1）當下級回路短路電流較大時，超過上級保護裝置的速斷整定值，就會同時啟動跳閘保護。

（2）開關機構機械原因。存在延遲跳閘，導致上一級的后備保護動作越級跳閘。

（3）整定值設置不當。計算出的整定值不夠準確，或者不能隨情況進行相應地調整。

（4）保護裝置受到周圍環境或者自身壽命的影響，從而出現誤動作。針對越級跳閘，結合技術和現場運行經驗，有的學者在必要的線路上加裝電抗器，使得短路電流在兩級線路之間差距加大，避免縱向的越級跳閘事故；有的學者對重要負荷供電時采取獨立或者雙回路的方式；有的學者在容易發生越級跳閘的線路段，讓進線開關的主保護采用帶有一定延時的過流保護；還有提出盡量避免電源的并列運行。

本文設計采用如圖2所示的設計方案，即在每一級綜合保護裝置中，短路保護除末端外均設有10ms的延時，在延時階段，下級保護裝置將故障信息傳輸到上級保護裝置中。例如在K3點發生短路故障，該級綜合保護裝置將故障信息K32和K31通過CAN口通信傳輸到上級綜合保護裝置中。同理K2點發生短路故障后，該級保護裝置將故障信息傳輸到上級保護裝置中。當上級保護裝置接到下級保護裝置發送過來的故障信息時，就會相應的作出延遲，防止越級跳閘，提高保護裝置的可靠性。

圖2 6kV高壓供電系統

2.3 過載故障及其保護

當電機工作時的電流超過其額定電流、電源電壓過低、重載啟動都會使電動機產生過載情況，在相對時間內的過載是可以的，但是較長時間內過載會導致電纜的熱量積聚，造成定子繞組的絕緣老化，減小電動機的使用年限（高俊嶺,王清靈,朱詠梅.礦用低壓饋電開關中相敏短路保護的研究[J].工況自動化,2006,10(2):60-63）。

針對過載故障，本設計采取反時限過電流保護（郝文延,周晉陽,毛亞波.電機反時限過載保護在煤礦企業中的應用研究[J].煤炭技術,2013,32(12)L58-60）。在線路保護中主要使用的三種反時限特性方程如式(2)、式(3)、式(4)所示。

一般反時限特性：

非常反時限特性：

超反時限特性：

式中I為測量電流，Ip基準電流，通常為額定電流值，t為反時限動作時間，tp為時間常數。普通反時限特性保護動作時間對過載電流值的敏感度較小，多用于一般線路中；超反時限特性保護的動作時間對過載電流的敏感度較高，一般用在線路發生短路時，兩端的電流變化較大的時刻；非常反時限特性保護則在兩者中間，經常用在線路首端或末端有可能出現大電流時。

2.4 欠壓、過壓故障及其保護措施

煤礦井下的故障電壓主要是內部過電壓，因為在該線路的入井處會裝設防雷電裝置，通信線路也裝有熔斷保護器，所以大氣過電壓一般影響不到井下，另外過電壓還可分為暫態和穩態，其中暫態過電壓可用阻容吸收裝置或壓敏電阻來進行抑制。穩態過電壓可用鑒幅保護。當實際電壓小于等于額定電壓的60%-70%，就處于欠電壓狀態，系統就會進入欠電壓保護。如果系統出現短暫的電壓閃變，可以對欠電壓保護增加延時功能，能顯著提高安全性和可靠性。

2.5 漏電保護

在井下供電系統中，漏電一般就是指接地故障，但是絕大部分屬于非金屬接地（徐柏松.井下低壓供電系統漏電保護優化方案研究[J],煤礦現代化,2017(6):102-104）。常用的井下漏電保護原理可以分為零序電流型、零序功率方向型、零序電流5次諧波方向型、首半波型、零序電流有功分量方向型等。

對于中性點不接地系統，此接地方式下的故障與非故障電流大小、方向均不相同，零序電流型、功率方向型保護原理在一定程度上適應此系統。而對于經消弧線圈接地的系統，零序電流型、功率方向型漏電保護原理已不適應選擇性的要求。因為消弧線圈的電感補償作用的存在，使其故障饋線的零序電流可能比非故障線的零序電流還要小，也會影響故障饋線的零序電流方向。

因此，本設計采用采用一種基于自適應算法的軟件相位鑒別法，其原理是發生接地故障時，結合零序電流與零序電壓的相位關系和幅值大小，設置零序電壓和零序電流的啟動值，判斷是否發生漏電故障。這種方法的主要特點是母線零序電壓相位相對于非故障饋線零序電流相位始終滯后90°，故障饋線母線出處流過的零序電流與零序電壓的相位關系如圖3所示，零序電流始終在第三或第四象限。因為過補償可能會引發串聯諧振，導致過電壓，對電網安全運行造成危害，所以實際應用中，電網的消弧線圈采用過補償運行狀態，使故障饋線的零序電流相對于母線零序電壓就落在第三象限。但是過補償運行方式使故障饋線與非故障饋線的零序電流方向接近，難以區分，此時電網中多采用消弧線圈并電阻接地。因此零序電壓滯后故障饋線零序電流θ角為：90°＜θ ≤ 270°。

本設計理論清晰，算法簡單，是對零序電流型、零序功率方向型、零序電流有功分量方向型漏電保護原理的綜合與改進，可以很好的應用到各種不同的中性點接地方式中。

圖3 零序電流與零序電壓的相位關系

2.6 監視線保護

監視線保護就是監視雙屏蔽電纜的監視線和接地線之間有無短路或監視線和接地線有無斷線故障的一種保護。常用的監視線保護原理有三種，包括直接加整流二極管的直流絕緣監視線保護、監視電阻上增設直流電源，利用直流伏安法的絕緣監視線保護，和在回路上增加整流二極管，利用二次諧波的絕緣監視線保護。前兩種監視線保護受雜散電流影響，經常產生拒動和誤動的現象，第三種比前兩種的抗干擾能力有所提高，但依然受雜散電流影響產生拒動和誤動。

本設計終端加電阻的交流監視線保護，其監視線保護原理如圖4所示。

其中，Rj是監視線電阻，Rr是監視線和地線之間的絕緣電阻，Rd是地線電阻，Cr是監視線和地線之間的分布電容，Rz是終端電阻，R1,R3是分壓電阻。本設計通過檢測電阻R2兩端電壓大小來判斷監視線是否有故障。當電壓大于正常電壓，則監視線可能發生斷路故障，反之發生短路故障。

到英國的華工被直接安排去了前線，挖掘戰壕，修筑工事，掩埋尸體，清掃地雷，修路架橋……英國人用華工替代了自己國家的碼頭工人和運輸工人，讓他們承擔了最艱苦、最繁重、最危險的工作。

圖4 監視線保護原理

3 高壓防爆開關綜合保護器的硬件設計

此保護器將和利時的LM3108G型PLC作為保護裝置的中央單元，該PLC本身集成了A/D模塊、開關量輸入輸出模塊和通信模塊，有效簡化了系統，同時也提高了整個保護裝置的抗干擾能力。因此本文設計的高壓防爆開關的保護器具有測量、保護、控制、通信等功能，其硬件系統總體結構如圖5所示，由模擬量采集模塊、開關量輸入輸出模塊、人機接口模塊、通信模塊、電源模塊等組成。

圖5 系統總體結構圖

在電源單元模塊中，本保護裝置只需要+24VDC（對PLC、外部供電）、+5VDC（對液晶顯示器供電）、AC75V（25HZ）即可，取高壓防爆開關柜內互感器二次側的100V（AC）作為供電電源。

在通信單元，其主要功能是負責保護裝置與上位機之間的通信，以做到遠程監控，有利于綜合自動化的實現。在LM3108G中，本裝置通信模塊底層采用其自帶的RS-485通信接口，使用Modbus通信協議。

在人機交互模塊，采用一個小型紅外遙控器通過液晶屏進行控制操作，并用OCM12864_4液晶模塊構成顯示單元，對保護裝置的狀態及故障信息進行顯示。

在采樣和A/D模塊中，本保護裝置采用RPT-202B電壓互感器和RCTRCT-201B電流互感器進行信號的采集處理。兩種互感器均有體積小，重量輕、線性度較好的優點。為了防止井下高壓電網發生故障時產生高次諧波，本裝置在采樣電路之前加了一個單反饋低通濾波器，可以將高頻分量濾除，保證采樣的準確度。

4 綜合保護器的軟件設計

對于綜合保護器而言，硬件電路是基礎，軟件設計才能使所有功能穩定可靠的運行。只有兩者相互配合，才能完成相應數據的采集、存儲、計算處理并精確的輸出各種指令等任務。本保護器采用“PowerPreV4”軟件，其相應的流程圖如圖6所示。保護裝置上電或手動復位之后，進入主程序進行初始化和自檢，如果檢出錯誤，立刻通過液晶屏顯示，反之則進行主循環，對參數進行采集和處理，再根據處理結果調用相應模塊，給出相應的控制輸出。

初始化主要包括對寄存器、開關量輸入輸出接口、模擬量輸入接口、A/D模塊、通信、人機接口等各模塊進行初始化。自檢主要包括處理器自檢、開關量模擬量自檢、整定值自檢、通信自檢等如果系統初始化或者自檢錯誤，程序會發出相應錯誤警告，便于工作人員調試維修。

故障處理模塊中包括各種短路、漏電、過載、過壓和監視線絕緣等保護，分別具有故障判斷、控制跳閘、報警顯示等功能。

通信模塊的功能包括讀取發送參數、整定值發送或修改、遠程復位合閘等接收和發送控制命令、數據、系統狀態，是人員與設備、設備與設備間的橋梁。

5 硬件、軟件抗干擾設計

煤礦井下的干擾很多，并且沿著線路侵入到保護裝置中，也能以磁場的形式從空間輻射到保護裝置。這些干擾會影響保護裝置的正常工作，引發拒動或誤動，造成嚴重的后果。因此要從硬件和軟件兩方面進行抗干擾設計，以保證其穩定可靠的工作。

在硬件方面，PLC自身有相應的抗干擾設計，包括輸入通道采用光電隔離技術、輸出通道采用繼電器隔離等；在電源模塊上會采用DC-DC電源、并聯瓷片電容去耦濾波等措施；

在軟件方面，有合理設計模塊化程序，有數字濾波技術，有上電自檢、用戶自檢、定時自檢等自動檢測技術。

圖6 主程序流程圖

6 結語

本文詳細分析了煤礦井下6KV供電系統常見的幾種故障及其保護原理，包括短路故障、越級跳閘、過載故障、欠過壓故障、漏電故障等，在此基礎上，進行了以LM3108G型PLC為核心的高性能高壓防爆開關綜合保護器的硬件和軟件設計，并給出了一些抗干擾設計方法，提高了煤礦井下高壓供電系統的安全性和可靠性，具有很高的應用價值和前景。