數字式快速保護裝置在礦山電力機車上的應用研究

(金堆城鉬業股份有限公司礦冶分公司露天礦，陜西 渭南 714102)

1 概述

直流配電網絡系統與交流配電網相比較，直流配電網供電容量大、可控性強、供電可靠性高、線路成本低、損耗小，非常適于各類分布式負載接入。直流配電網廣泛應用于地鐵、輕軌、礦山等軌道交通領域。

直流斷路器作為直流系統中重要的控制和保護設備，是直流電網可靠、安全供電的重要保證。直流斷路器必須能夠限制并切斷故障電流，維持直流電網安全穩定運行。

采用直流機械斷路器，基本可以滿足直流供電系統的需要，但在露天礦電機車車間直流網絡實際運行過程中，仍存在許多缺限。其典型的事例：由于直流機械斷路器本身的缺限，工礦直流電網當出現短路故障時易發生供電系統越級跳閘現象，工礦電網越級跳閘造成工礦大面積停電，嚴重影響到工礦采掘設備、運輸設備的正常運行，不僅嚴重影響工礦生產，而且很容易誘發安全事故。露天礦電機車車間直流網絡越級跳閘事故的頻繁發生，影響工礦生產效率，增加露天生產及供礦成本。因此，解決工礦直流供電系統短路引起的越級跳閘問題，對工礦安全生產和提高工礦生產效率非常必要。

針對露天礦電機車車間直流網絡越級跳閘現象，對直流快速機械開關進行技術改造，在改型開關上增加新近研發的快速數字式過載過流保護裝置，構成新型電子脫扣系統，避免電力機車供電網絡越級跳閘的現象發生。使用新型直流快速開關可極大提高工礦電力機車運行效率。

2 露天礦直流電網越級跳閘原因分析

直流斷路器是直流供電系統中不可或缺的控制和保護設備。直流斷路器有三種類型，即機械式直流斷路器、直流固態斷路器、混合型直流斷路器。目前最廣泛應用的是機械式直流斷路器。機械式直流斷路器主要包括脫扣電磁系統、觸頭系統、操作機構系統和滅弧系統四大部分。脫扣電磁系統的功能是當負載過流或過載故障發生時完成檢測與脫扣，保證斷路器可靠分閘；觸頭系統的功能是長時間承載額定電流、短時承受過載和故障電流；操作機構的功能是實現斷路器的分合閘動作，保證觸頭系統的分合閘速度要求；滅弧系統的功能是拉伸、切割、冷卻電弧，建立電弧電壓，限制短路電流上升，實現分斷任務。

露天礦直流網絡越級跳閘事故的頻繁發生，其原因比較復雜。有技術管理方面的原因，更多的是直流斷路器本身的原因。

2.1 速斷動作電流值整定困難

機械式直流斷路器的保護特性為反時限特性，當短路電流達到一定值時進入速斷動作區實現快速跳閘。傳統斷路器的速斷動作電流值整定方法不科學、不合理。在實際生產作業中，現場技術人員通常是依據自身工作經驗，并參照負荷最大時最大工作電流來整定線路電流保護速定值。這種整定簡單方便，但動作電流值估算很困難，動作計算值存在較大誤差，整定值沒有辦法做到很準確。或者由于運行方式改變后，沒有重新計算動作電流定值 。當直流供電系統發生短路故障時，由于上下級機械式直流斷路器常常能夠同時越過反時限動作區、達到各自的速斷動作值，其沿線斷路器都會發出保護動作，易發生越級跳閘現象，擴大了停電范圍，從而影響了電力系統的正常運行。

2.2 斷路器固有延時特性

機械式直流斷路器的功能動作主要包括繼電保護裝置的動作、繼電器信號輸出、跳閘電磁鐵的動作、跳閘機構動作、真空斷路器動作等，每一動作運作都需要固有時間。同時，較為繁復的運行動作使機械式直流斷路器在露天太惡劣環境中作業時，動作機構發生疲勞，使用性能將逐漸降低，如較大濕度引發開關機構卡澀、難以靈活作業，增加開關固有動作時間，當出現線路故障后，開關會發生誤動、保護動作遲緩或拒動，致使供電系統越級跳閘問題發生。

2.3 其他設備原因

其他設備原因包括機械工藝原因造成動作遲緩；因供電設計原因，造成保護死區或保護上下級；由于操作電源原因，造成開關拒動或者保護動作后不能跳閘；由于設備的質量較差，因質量原因導致回路速斷保護拒動，越級造成上級區域保護動作。

3 工礦電力機車供電保護技術改造方案

150 t大噸位電力機車運輸牽150 t大噸位電力機車運輸牽引，由于這種機車電氣保護系統不完善，快速開關過流過載脫扣是通過機構執行，是經過電流線圈電磁鐵整定電流值通過機構扛桿來推動分閘機構脫扣斷電，但是這種電流脫扣跳閘方式是依靠機構傳動外力，所以跳閘斷電時間過長，加上執行機構過江過程動作延長，導致本機車快速開關有時不能速斷跳閘漏電，當本機車故障時直接越級到上級供電系統跳閘停電，造成供電系統大面積斷電影響了前端設備生產正常運行。

針對露天礦電機車車間直流網絡越級跳閘事故的頻繁發生，經過廣泛調研，采用對電力機車直流快速開關進行改造，增加快速數字式過載過流保護裝置，形成新型快速電子脫扣系統，該型開關及配套的二次電子脫扣裝置能夠實現安全可靠脫扣，避免了脫扣裝置拒動作的現象發生，避免電力機車供電網絡越級跳閘的現象發生，提高了電機車運行效率同時保護供電系統正常運行。

數字式直流過載過流快速保護裝置是湖南科通電氣設備制造有限公司新近研發的工礦電力機車保護裝置，主要針對露天礦電力機車直流網絡頻繁發生越級跳閘事故的現狀專門研究開發的專用保護裝置。

數字式直流過載過流快速保護裝置功能完善，其基本功能：①具有過電流、過載保護功能，可以設定過電流、過載電流整定值和過載時間。過電流、過載電流設定值顯示于小數碼管。②過電流、過載采用分別獨立控制方式。過電流過載保護輸出類型為繼電器式。③復位方式有自動復位和手動復位兩種方式。④自動采集并顯示被測的實際電流值，并自動捕捉電流的最大值和最小值。實際電流值顯示于大數碼管。⑤裝置面板設有過電流、過載指示燈，保護裝置安裝了報警蜂鳴器。當出現過電流、過載現象時，指示燈亮并通過蜂鳴器報警。

數字式直流過載過流快速保護裝置的基本電路包括單片機處理單元、電流采樣單元、保護動作信號輸出單元、過載電流和過電流整定值設定單元、過載時間設定單元、電流值顯示單元、過電流過載指示與報警單元。數字式直流過載過流快速保護裝置的基本原理是：電流采樣單元實時檢測供電電流大小，單片機處理單元保存分析檢測到的電流值，通過與動作電流整定值和過載時間整定值比較判斷，如達到跳閘條件，立刻輸出保護動作信號，驅動執行機構實現跳閘斷電功能。

針對露天礦實際情況研發的新型直流快速開關二次脫扣裝置技術參數如下：電流測量范圍為10-9999A(可設置保護動作電流整定值)，繼電器最小相應時間約35 ms，輸出繼電器容量為7A/250VAC或7A/30VCD(阻性負載)，防護等級為IP30。安裝方式采用開孔安裝。

針對我礦電力機車現用的快速開關和新型快速開關安裝尺寸不一致的問題，與湖南科通電氣設備制造有限公司雙方經過探討重新設計了快速開關安裝裝置，達到了我礦電力機車安裝要求。

對開關原配置的消弧裝置進行了改造，更換滅弧裝置的材料，增強滅弧裝置的可靠性。針對原開關消弧罩安裝方式不便于檢修的問題，結合我礦電力機車實際情況，經過研究分析，確定改進方案，對快速開關滅弧裝置進行改造，達到便于拆裝、檢修及維護的目的。

針對脫扣裝置時限整定值過長導致不便于整定的問題，我們與湖南科通電氣設備制造有限公司雙方就此問題進行了給定值重新設定及現場調試，保證了二次脫扣系統整定值在系統要求范圍內，解決了快速開關在電流達到整定電流值時反應慢的問題。

4 結語

新型快速直流開關的應用極大地降低了電力機車越級跳閘事故，經試驗表明，越級跳閘事故率由未安裝前的90%降低為5%，極大地降低了成本，提高了檢修效率、運礦作業效率，應用新型直流快速開關能夠極大降低露天礦運礦成本，提高運礦作業效率及檢修效率。

使用新型直流快速開關預計可使我礦電力機車運行效率得到極大提高，人員檢修效率提高80%，設備故障率降低90%。對露天礦電機車車間電力機車及配電站安裝新型直流快速開關，可以提高作業人員的安全可靠性，改善設備作業效率，降低作業人員檢修強度。露天礦現有8臺電力機車，通過安裝新型直流快速開關進行綜合保護技術改造后，可以明顯提高露天礦的經濟效益和社會效益。