煤礦高壓供電短路和漏電的雙重防越級(jí)跳閘保護(hù)

史志紅

（中煤科工集團(tuán)北京華宇工程有限公司，北京 100120）

0 引 言

隨著煤礦智能化發(fā)展的需求，愈來(lái)愈多的煤礦企業(yè)安裝了防越級(jí)跳閘系統(tǒng)。煤礦高壓供電系統(tǒng)一般都采用消弧線圈接地方式，以限制單相接地電容電流。消弧線圈是目前煤礦高防開(kāi)關(guān)漏電保護(hù)不正確動(dòng)作的根本原因。漏電保護(hù)動(dòng)作正確率低是目前煤礦短路事故增加和引起越級(jí)跳閘的主要原因。漏電是防越級(jí)跳閘系統(tǒng)必須考慮的重要因素。深入分析煤礦電網(wǎng)越級(jí)跳閘的原因并進(jìn)行新型防越級(jí)跳閘保護(hù)產(chǎn)品的研究，對(duì)煤礦井下安全生產(chǎn)具有十分重要的意義。

1 煤礦高壓供電系統(tǒng)越級(jí)跳閘的原因

煤礦高壓供電網(wǎng)絡(luò)一般分為地面變電所、井下中央變電所、水平變電所和采區(qū)變電所4級(jí)。除地面變電所外，井下實(shí)際是一個(gè)配電網(wǎng)絡(luò)，而井下所謂的變電所實(shí)際都是配電所。煤礦高壓配電網(wǎng)絡(luò)如圖1所示。

1.1 短路故障導(dǎo)致越級(jí)跳閘

系統(tǒng)發(fā)生短路時(shí)，常規(guī)速斷主要靠上下級(jí)保護(hù)整定不同的速斷動(dòng)作電流值的“幅值鑒別”和上下級(jí)保護(hù)整定不同的動(dòng)作延時(shí)時(shí)間的“時(shí)間級(jí)差”實(shí)現(xiàn)縱向選擇性保護(hù)。煤礦供電系統(tǒng)主要特點(diǎn)是網(wǎng)絡(luò)大、供電線路短、延伸級(jí)數(shù)多。這兩種方法無(wú)法滿足煤礦短路縱向速斷保護(hù)的需求。

1.1.1 “幅值鑒別”原理引起越級(jí)跳閘的原因

“幅值鑒別”原理認(rèn)為，下級(jí)短路時(shí)由于線路阻抗，下級(jí)短路電流大于上級(jí)短路電流。上下級(jí)保護(hù)設(shè)置不同的速斷動(dòng)作電流值，實(shí)現(xiàn)縱向選擇性速斷保護(hù)。“幅值鑒別”的速斷保護(hù)不能構(gòu)成煤礦井下高壓有效縱向選擇性速斷保護(hù)的原因包括2個(gè)方面。

（1）短路時(shí)，上下級(jí)短路電流很接近。我國(guó)煤礦井下的高壓供電系統(tǒng)一般為單側(cè)電源四級(jí)干線式縱向供電網(wǎng)絡(luò)，如圖1所示。由于上下級(jí)“距離短，300～3 000 MΩ，電纜阻抗小，每公里0.06～0.08Ω/km”，上下級(jí)短路電流幅值相差不大。

（2）短路時(shí)，理論上短路電流為無(wú)窮大，電流互感器已經(jīng)飽和。電流互感器飽和后，二次電流不隨一次電流增加而增加。下級(jí)短路時(shí)，上下級(jí)保護(hù)通過(guò)電流互感器檢測(cè)到的短路電流幾乎一樣大。

1.1.2 “時(shí)間級(jí)差”原理引起越級(jí)跳閘的原因

“時(shí)間級(jí)差”原理是上下級(jí)增加保護(hù)時(shí)限級(jí)差構(gòu)成縱向選擇性速斷保護(hù)。一般級(jí)差為100～150 ms。構(gòu)成煤礦井下高壓有效縱向選擇性速斷保護(hù)的原因有3個(gè)方面。

圖1 煤礦高壓配電網(wǎng)絡(luò)

（1）地面變電所開(kāi)關(guān)速斷保護(hù)動(dòng)作時(shí)間受供電部門(mén)限制，一般不允許有延時(shí)。目前，地面高壓開(kāi)關(guān)總的速斷動(dòng)作時(shí)間小于0.2 s，也就是說(shuō)地面向井下供電的高壓開(kāi)關(guān)速斷保護(hù)動(dòng)作時(shí)間不超過(guò)0.2 s。

（2）井下高防開(kāi)關(guān)的最快動(dòng)作時(shí)間。高壓防爆開(kāi)關(guān)動(dòng)作時(shí)間=保護(hù)器動(dòng)作時(shí)間+高防開(kāi)關(guān)固有動(dòng)作時(shí)間=0.030 s＋0.188 s=0.218 s。其中，微機(jī)保護(hù)的速斷時(shí)間要求不大于0.030 s，幾乎也是目前微機(jī)保護(hù)能達(dá)到的最快速度。高防開(kāi)關(guān)固有動(dòng)作時(shí)間=驅(qū)動(dòng)繼電器動(dòng)作時(shí)間+跳閘機(jī)構(gòu)動(dòng)作時(shí)間+真空斷路器動(dòng)作時(shí)間=0.08 s+0.1 s+8 mm/（1 000×1 mm）s=0.188 s。可見(jiàn)，地面變電所開(kāi)關(guān)動(dòng)作時(shí)間和井下高防開(kāi)關(guān)動(dòng)作時(shí)間很接近。煤礦配電網(wǎng)一般有3～4級(jí)，根據(jù)“時(shí)間級(jí)差”原理，每級(jí)保護(hù)時(shí)限級(jí)差不小于100 ms。“時(shí)限級(jí)差”原理因受上級(jí)供電部門(mén)對(duì)地面變電所繼電保護(hù)時(shí)限的約束，從理論上就不可能實(shí)現(xiàn)縱向選擇性保護(hù)[1]。

（3）絕大多數(shù)煤礦的井下開(kāi)關(guān)不是使用同一種開(kāi)關(guān)，各開(kāi)關(guān)的固有動(dòng)作時(shí)間存在區(qū)別。同一種開(kāi)關(guān)由于井下環(huán)境、執(zhí)行機(jī)構(gòu)的靈活程度等因素的影響，開(kāi)關(guān)的固有動(dòng)作時(shí)間也不盡相同。

1.2 漏電故障導(dǎo)致越級(jí)跳閘

目前，高防開(kāi)關(guān)的漏電保護(hù)是針對(duì)中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)設(shè)計(jì)的，有“零序電流大小”和“零序功率方向”兩種原理。分別根據(jù)“故障支路零序電流最大”和“故障線零序電流滯后零序電壓，非故障線零序電流超前零序電壓”實(shí)現(xiàn)選擇性漏電保護(hù)。

“零序電流大小原理”無(wú)法實(shí)現(xiàn)縱向選擇性漏電保護(hù)。若A點(diǎn)漏電，開(kāi)關(guān)1、2、3、4、5、6的保護(hù)都能檢測(cè)到故障零序電流。對(duì)于零序電流的大小，開(kāi)關(guān)1、2、3、4、5、6依次增加，其實(shí)際值與系統(tǒng)電容電流每條支路的分布、每次漏電的漏電程度等因素有關(guān)，存在很大的不確定性。通過(guò)設(shè)置零序電流動(dòng)作值實(shí)現(xiàn)縱向選擇性漏電保護(hù)是不可能的。

“零序功率方向原理”無(wú)法實(shí)現(xiàn)縱向選擇性漏電保護(hù)。若A點(diǎn)漏電，開(kāi)關(guān)1、2、3、4、5、6的每一個(gè)保護(hù)檢測(cè)到的零序電流都是從下級(jí)流向上級(jí)，其相位都滿足“零序功率方向原理”動(dòng)作條件。

“時(shí)間級(jí)差”原理理論上可以實(shí)現(xiàn)縱向選擇性漏電保護(hù)，但是和短路“時(shí)間級(jí)差”一樣，因?yàn)榧?jí)數(shù)多，開(kāi)關(guān)性能差異，很難實(shí)現(xiàn)“時(shí)間級(jí)差”的縱向選擇性漏電保護(hù)。

1.3 失壓保護(hù)動(dòng)作導(dǎo)致越級(jí)跳閘

在煤礦井下高壓供電系統(tǒng)中，為了避免斷電后再次送電時(shí)設(shè)備帶負(fù)載直接啟動(dòng)，井下高壓開(kāi)關(guān)均裝設(shè)有失壓脫扣器。失壓脫扣器是不能設(shè)置延時(shí)的機(jī)械速斷動(dòng)作機(jī)構(gòu)。系統(tǒng)發(fā)生短路時(shí)，伴隨著系統(tǒng)電壓的降低，失壓脫扣器有可能會(huì)先于設(shè)置延時(shí)的速斷保護(hù)動(dòng)作。如果上級(jí)開(kāi)關(guān)失壓保護(hù)動(dòng)作，就形成了越級(jí)跳閘故障。

1.4 保護(hù)裝置性能差造成越級(jí)跳閘

以前煤礦一直使用性能較差的綜合保護(hù)器，而現(xiàn)在的新設(shè)備中的綜合保護(hù)器市場(chǎng)價(jià)大都不到電力微機(jī)保護(hù)裝置的一半。煤礦綜合保護(hù)裝置大多存在檢測(cè)精度低、誤差大、動(dòng)作緩慢、保護(hù)的實(shí)際動(dòng)作值與計(jì)算設(shè)定值不一致等問(wèn)題，致使發(fā)生短路故障時(shí)保護(hù)裝置不能按照要求動(dòng)作而誤動(dòng)或拒動(dòng)造成越級(jí)跳閘。

隨著微機(jī)保護(hù)技術(shù)的日益成熟和電力企業(yè)進(jìn)入煤礦行業(yè)，煤礦綜合保護(hù)器質(zhì)量有了很大提高，失壓保護(hù)也通過(guò)增加失壓延時(shí)控制器等方法得到了改善。目前，造成煤礦高壓系統(tǒng)越級(jí)跳閘事故的主要原因是短路故障和漏電故障。

2 防越級(jí)跳閘事故的解決方案

2.1 控制原則

關(guān)聯(lián)開(kāi)關(guān)同時(shí)檢測(cè)到短路大電流時(shí)下級(jí)保護(hù)閉鎖上級(jí)保護(hù)。圖1中如A點(diǎn)發(fā)生短路故障，開(kāi)關(guān)1、2、3、4、5、6、7、8都是關(guān)聯(lián)開(kāi)關(guān)。開(kāi)關(guān)7、8檢測(cè)不到短路大電流，其保護(hù)不會(huì)發(fā)出短路信號(hào)和閉鎖上級(jí)保護(hù)信號(hào)；而開(kāi)關(guān)1、2、3、4、5、6都能檢測(cè)到短路大電流，都發(fā)出對(duì)上一級(jí)速斷保護(hù)的閉鎖信號(hào)，只有開(kāi)關(guān)6因開(kāi)關(guān)7檢測(cè)不到短路電流不發(fā)出短路閉鎖信號(hào)而速斷保護(hù)不被閉鎖，速斷保護(hù)能夠正常跳閘。如果開(kāi)關(guān)6開(kāi)關(guān)拒動(dòng)時(shí)，它的上一級(jí)開(kāi)關(guān)5保護(hù)定速斷延時(shí)動(dòng)作，作為下級(jí)開(kāi)關(guān)6的后備保護(hù)[2]。

2.2 控制方式

控制主要有集中控制和分散控制兩種方式。集中控制把所有保護(hù)的信息傳輸?shù)奖Ｗo(hù)主機(jī)，由保護(hù)主機(jī)根據(jù)控制原則統(tǒng)一發(fā)出動(dòng)作指令。分散控制由各并聯(lián)開(kāi)關(guān)保護(hù)之間互換信息，各保護(hù)根據(jù)控制原則自行發(fā)出閉鎖和動(dòng)作指令。

3 短路和漏電雙重防越級(jí)跳閘的思考

3.1 煤礦防越級(jí)跳閘存在的問(wèn)題

目前，煤礦安裝的防越級(jí)跳閘都是以短路故障為控制對(duì)象，沒(méi)有解決漏電的防越級(jí)跳閘。一方面，煤礦高壓供電消弧線圈接地系統(tǒng)沒(méi)有成熟的漏電保護(hù)原理，單級(jí)漏電保護(hù)問(wèn)題沒(méi)有真實(shí)解決[3]。另一方面，漏電保護(hù)不可靠往往表現(xiàn)為短路的越級(jí)跳閘。高防開(kāi)關(guān)的漏電保護(hù)失效，漏電發(fā)展為短路，短路形成越級(jí)跳閘。無(wú)論是漏電本身的越級(jí)跳閘，還是漏電發(fā)展為短路引起的越級(jí)跳閘，表現(xiàn)結(jié)果都是越級(jí)跳閘。

3.2 單純的短路防越級(jí)跳閘的危害性

沒(méi)有解決中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈漏電保護(hù)問(wèn)題，漏電保護(hù)發(fā)展為短路的可能性增加而引起事故擴(kuò)大，是煤礦生產(chǎn)的安全隱患。中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地的漏電保護(hù)是煤礦高壓供電亟需解決的課題。漏電不僅本身存在漏電保護(hù)越級(jí)跳閘，而且是造成短路的主要原因。短路故障危害性要比漏電故障大，增加單純針對(duì)短路的防越級(jí)跳閘設(shè)備，實(shí)際是等故障擴(kuò)大再解決問(wèn)題，是防越級(jí)跳閘系統(tǒng)的一個(gè)誤區(qū)。防越級(jí)跳閘只有考慮漏電的防越級(jí)跳閘，才能既防止故障擴(kuò)大又杜絕越級(jí)跳閘。

3.3 短路和漏電雙重防越級(jí)跳閘的可行性

（1）可靠的漏電保護(hù)，解決消弧線圈接地系統(tǒng)漏電保護(hù)問(wèn)題。

（2）智能化礦山是煤礦發(fā)展的方向，煤礦井下光纖通信網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)形成，很多煤礦已經(jīng)安裝了防越級(jí)跳閘系統(tǒng)，載體已經(jīng)形成。

（3）現(xiàn)有防越級(jí)跳閘系統(tǒng)和新的漏電保護(hù)原理有機(jī)結(jié)合，實(shí)現(xiàn)高壓供電系統(tǒng)短路和漏電的雙重越級(jí)跳閘保護(hù)。這不僅解決了短路和漏電的縱向選擇性保護(hù)，而且減少了漏電發(fā)展成短路的可能性，為煤礦生產(chǎn)提供安全可靠的供電保障。

4 結(jié) 論

本文闡述開(kāi)展煤礦高壓供電系統(tǒng)短路和漏電的雙重越級(jí)跳閘保護(hù)問(wèn)題研究的必要性和可行性。隨著礦井智能化的發(fā)展，供電系統(tǒng)自動(dòng)化網(wǎng)絡(luò)逐漸由地面延伸至井下，煤礦井下供電系統(tǒng)需要統(tǒng)一考慮各類供電設(shè)備的配合和管理。煤礦需要可靠安全的高壓供電系統(tǒng)，而煤礦高壓供電系統(tǒng)短路和漏電的雙重保護(hù)的防越級(jí)跳閘系統(tǒng)將是必然的發(fā)展趨勢(shì)。