煤礦供電系統電源快速切換裝置的應用與實測數據分析

劉錫柱

（山西省節能中心有限公司 山西 太原 030045）

1 背景

潘莊風井35 kV 變電站位于沁水縣嘉豐鎮潘莊村，主要擔負著寺河礦東五盤區場地的生產及生活供電。站內有兩回35 kV主電源供電，其35 kV系統為單母線分段接線方式；站內裝設兩臺有載調壓變壓器，額定電壓35/6.3 kV；站內6 kV系統亦采用單母線分段接線方式。變電站內35 kV 及6 kV 開關柜均為室內布置。變電站站內二次系統選用南瑞繼保變電站綜合自動化RCS-9700系列微機保護裝置，其中35 kV母聯使用備用電源自投裝置RCS-9652B。

備自投供電方式，當工作電源跳閘時，工作電源輔助接點經低壓繼電器、延時繼電器，先跳開工作電源，經一定延時，后合上備用電源，實現由工作電源向備用電源切換[1]。備自投在電網切換中存在以下問題[2]：

（1）切換時間長，在恢復送電前，風機或瓦斯抽放泵可能會停運；

（2）無相頻檢測，沖擊電流大，電動機負荷及備用變壓器極易受沖擊損壞或絕緣老化縮短使用壽命；

（3）自投成功率低；

（4）如果為母線永久性故障，會擴大事故范圍。

由于以上原因，若發生礦井無計劃停電事故，采用的仍是人工恢復送電。這種事故處理模式需要一定的固有時間，在這固有的時間內，對于高瓦斯礦來說，個別局面就可能出現瓦斯超限。

快切裝置實現電源切換比備自投裝置更迅速[3]，傳統備自投是進線主保護動作失電后，由低電壓啟動，屬于被動切換，一般800 ms～1 500 ms內完成，而快切是由進線主保護直接啟動切換，屬于主動切換，一般在100 ms以內完成，可以看做是真正的瞬時切換[4]。

本文介紹了潘莊風井35 kV變電站站內的備自投裝置更換為電源快切裝置，減少了設備停電時間，提高安全運行和自動控制水平，。

2 電源快速切換裝置的應用

2.1 電源快速切換裝置使用情況

將潘莊風井35 kV 站35 kV 母聯備用電源自投裝置RCS-9652B 更換為電源快速切換裝置PCS-9655S，見圖1。

圖1 接線圖

為實現電源快速切換功能，電源快速切換裝置需接入如下所列開入信號和模擬量，具體配置為[5]：

（1）兩段母線各自的三相電壓；

U1bsa，U1bsa’，U1bsb，U1bsb’，U1bsc，U1bsc’：Ⅰ段母線電壓（三相），取相電壓。

U2bsa，U2bsa’，U2bsb，U2bsb’，U2bsc，U2bsc’：Ⅱ段母線電壓（三相），取相電壓。

（2）兩回進線各一路相電壓或線電壓；

U1，U1’：Ⅰ回進線電壓，可取線電壓或相電壓。

U2，U2’：Ⅱ回進線電壓，可取線電壓或相電壓。

（3）兩回進線各自的A、C相電流；

I1a，I1a’，I1c，I1c’：Ⅰ回進線的a 相、c 相電流輸入。

I2a，I2a’，I2c，I2c’：Ⅱ回進線的a 相、c 相電流輸入。

（4）兩回進線開關的常開輔助接點，開關合位狀態時該開入為1；

（5）母聯分段開關的常開輔助接點，開關合位狀態時該開入為1；

（6）必要的保護起動和保護閉鎖信號接點。

2.2 電源快速切換裝置在故障情況下的分析

下面分析圖2 所示的配置方式中，在可能發生故障的3 處故障點發生故障時，電源快速切換裝置的動作情況。

圖2 故障點總覽

（1）K1 處故障，393 線路差動保護動作，差動動作信號啟動快切裝置，快切跳開393開關，合上390開關，切換成功。

（2）K1處故障，上級變電站過流保護動作，快切裝置檢測到電流下降、頻率下降，無流低頻啟動快切，快切跳開393開關，合上390開關，切換成功。

（3）在K2 處故障時，正常情況下由潘莊Ⅰ回側保護裝置過流保護跳開本側開關，同時送出后備保護動作跳閘出口節點閉鎖PCS-9655S；若由于保護定值等原因導致393開關保護不動作，越級跳閘，則故障會跳開上一級變電所饋線339開關，表面上造成了35 kV站進線失電的假象，快切會有可能啟動，因此為保證防止快切裝置誤投故障線路，在PCS-9655S 內設置了大電流閉鎖（可帶方向性），當出現大電流時，通過大電流閉鎖PCS-9655S，在故障解除后自動解除閉鎖，以免由于電源的誤投而再次擴大事故的范圍。大電流的檢測是通過潘莊Ⅰ回593 的電流互感器電流值，大電流一般設置進線開關的過流值。

（4）在K3 處故障時，正常情況下，主變高、低后備保護動作，跳開主變兩側開關，35 kV變電站站供電系統保持不變，仍有潘莊Ⅰ回供電，若故障電流較大，主變開關未能及時跳開，導致潘莊Ⅰ回線393 開關越級跳閘，此時快切裝置通過自身檢測到393 開關的大電流，超過定值后迅速閉鎖快切裝置，不再執行快切，全站停電排查故障。

3 現場應用實測數據分析

操作項目：Ⅰ回進線393 開關切至母聯390，切換前，為正常大分列運行，35kV母聯熱備用。

3.1 電壓及開關動作分析

（1）錄波可以看到，正常運行時，35 kVⅠ段母線電壓約為105 V（線電壓、二次有效值）。

圖3 母線電壓錄波圖

（2）負55.8 ms，Ⅰ回進線393 開關開始跳閘，負5 ms 393開關分閘完成，但電壓未發生明顯，如圖4示。

圖4 393跳閘錄波圖

經過50.8 ms，393開關分閘完成。據試驗報告，進線393開關柜的固有分閘時間為43 ms，存在誤差。

（3）負5 ms時，母聯390開始合閘，如圖5示。

圖5 390合閘錄波圖

經過約70 ms，第65 ms 時，母聯390 開關合閘完成，切換成功，切換條件為快速切換，據試驗報告，母聯斷路器的固有合閘時間為58.7 ms，存在誤差。

（4）快切報文記錄全過程用時121 ms，由錄波圖得出全過程用時 115.8 ms（負55.8 ms 到 65 ms），兩者時間基本一致，如圖6示。

圖6 快切裝置動作報文

3.2 電流及開關動作分析

（1）負55.8 ms，Ⅰ回進線393開關開始跳閘。此時393 最大電流為0.14 A（二次有效值），為正常負荷電流，Ⅱ回進線394電流最大值為1.61 A（二次有效值），如圖7示。

圖7 393開關開始跳閘錄波圖

（2）負5 ms，393開關分閘完成，此時393電流基本為0 A，394電流為1.6 A，如圖8示。

圖8 393開關分閘錄波圖

（3）從第負 5 ms 到第 65 ms，390 開關完成合閘，394電流逐漸增大，并在第65 ms，390合閘完成的瞬間達到最大值：1.96 A，如圖9示。

圖9 390開關完成合閘錄波圖

4 實施效果

通過對現場數據分析，可以看出，潘莊風井35 kV站安裝的電源快速切換裝置，在完成快速恢復送電的同時，確保了電網安全、穩定、可靠、連續供電，不會發生二次故障，擴大事故范圍，再次造成停電事故，不會對受電設備造成損壞，也不會對電網造成沖擊。

5 結論

電源快速切換裝置在潘莊風井35 kV站供電系統的成功應用，解決了供電系統主供回路故障時，人工恢復送電時間長導致井下風機停電，瓦斯超限的問題，實現了快速切換，達到不停電的目的，具有重要的推廣和借鑒意義。