煤礦井下高壓供電保護整定分析及應用

＊閆秀軍

（山西焦煤汾西礦業（集團）有限責任公司供用電分公司 山西 032000）

社會的飛速發展對煤炭的需求量越來越大，因此保證井下煤炭開采連續性，確保煤礦井下高壓供電系統的安全性、可靠性非常關鍵。供電保護整定計算直接關系到系統穩定性。現階段，國家電網和企業供電在地面供電系統保護方面有明確計算辦法，但計算依據大多依照實際情況而定，制定的規范和標準不統一，導致在實際實踐中出現各類問題，諸如越級跳閘等，影響了系統運行的平穩性，因此要對煤礦井下高壓供電保護整定計算方法深入探討和分析。

1.煤礦井下高壓供電保護類型分析

(1)防過流保護類型

短路是煤礦井下高壓供電系統運行期間出現頻率較高的問題，短路現象發生相對常見。如果線路有短路情況發生，電氣設備承擔的壓力會驟然上升，讓設備長時間處在高負荷運轉的狀態，而電網也會有過流現象產生，倘若這一問題不能及時解決，線路很有可能被燒斷，由此而引發火災事故。為了能將這種過流現象快速處理，工作人員首先要分析線路的運行環境和實際情況，對過載或者短路兩種保護方式靈活應用，從根源上將過流現象出現的概率加以降低[1]。

(2)防漏電保護類型

在煤礦高壓供電網絡系統運行環節，電網周圍會安裝絕緣子，達到對電網合理保護的目的，避免系統出現故障問題。由于絕緣子在中間有電阻，在供電設備的長時間運行下，內部溫度的逐步升高，使得絕緣子性能持續降低，長此以往，很有可能導致絕緣子發生漏電問題。所以要做好相應的漏電保護，保證問題不會出現擴大或者蔓延[2]。

(3)接地保護類型

接地保護的實現可以起到對電氣設備有效保護的目的，不會因為絕緣金屬外殼損壞而導致設備帶電工作，對煤礦井下高壓供電系統的安全且穩定運行有很大作用。但如果系統在運行期間出現接地，很有可能威脅到人們的生命安全，相關技術人員在處理和操作時，應該采取切實可行的辦法進行保護。通過對接地保護措施的靈活應用，電氣設備的運轉能更加安全，產生的電流能始終保持在人體接受的范圍內[3]。

(4)高壓和欠壓保護類型

在高壓環境下，供電設備在運行期間不可避免被大電流干擾，如果設備的運行時間長，設備的無用功還會在無形之中增加，導致電氣設備的溫度持續上升，甚至會使得大量電力資源被消耗。如果情況嚴重，電氣設備會有可能出現損壞問題。為將此類問題解決，應該根據設備的運行狀態，合理制定高壓保護措施，倘若電壓超過額定電壓，需要立刻啟動供電保護裝置，避免問題發生，提高設備運行可靠性與穩定性。

2.煤礦井下高壓供電保護整定計算方法分析

(1)井下高壓供電保護整定

現階段，我國煤礦企業在發展期間，井下供電系統對6千伏或者4千伏高壓輸送模式的應用比較普遍，將單臺變壓器或者多臺變壓器作為主要應用設備。這些設備的保護整定必須要有明確的標準和要求，諸如動作要具備較高靈敏度，可靠性和準確性強等特點，能夠與國家制定的規范吻合。上下級之間要有后備保護作用，在計算沒有任何問題的情況下進行整定。同時做好定期試驗工作，如果負荷出現變化，高壓開關保護裝置要重新計算和整定，以免出現計算結果與實際不相符的情況，為設備的安全平穩運行提供保障。

(2)單臺干式變壓器防爆開關保護整定計算方法

煤礦井下供電系統的平穩運行離不開防爆開關或者高壓柜，能夠為變壓器提供所需電源，所以在對此類設備使用過程中，保護功能必須健全，具備過流、短路、接地等功能，具體過程如圖1所示。T1為沒有集成高壓開關的干式變壓器，在此類設備應用階段，要單獨配備高壓防爆開關D1，保障設備運行的平穩性和安全性，減少不必要問題的發生。高壓防爆開關D1，在應用期間要設置瞬時短路保護Ⅰ段，在此過程中，為避免出現跳閘、短路等情況發生，還要設置過載保護Ⅲ段，并確保Ⅲ段帶有時限，以此達到對保護實效性提升的目的。

圖1 煤礦井下帶單臺干式變壓器供電

①應用合理的方式整定計算瞬時短路保護Ⅰ段。對不同保護裝置綜合分析，由于裝置的類型不同，瞬時短路保護Ⅰ段整定計算期間，應用的計算方式存在很大差異，需要結合實際要求選擇計算方式。其中，在整定計算電磁式保護裝置期間，具體應用的計算公式如下：

式中：

IIop表示瞬時短路保護Ⅰ段電流，A；

Kb表示變壓器的變化比；

KX表示變壓器負荷的需用系數，取值范圍為1.5～1；

Iep表示容量大最大1臺或者幾臺幾電機的額定啟動電流，A；

∑Ie表示其余電機的額定電流之和，A。

在對微機或電子式綜合保護器進整定計算過程中，具體應用的計算公式如下所示：

結合公式（2）的計算可以明確，針對保護裝置的靈敏系數，需要對最小運行方式作綜合考量，同時以此為核心，當變壓器二次側兩相出現短路情況時，精準校驗流過一側的短路點電流，應用的計算公式如下：

通過對這種計算方法的靈活應用，在短路故障問題出現時，可以讓發出的動作更為可靠安全，與煤礦井下的供電要求與標準吻合。在這種方式的靈活應用下，最大負荷電流的計算定值非常準確，不會出現定值偏大或者偏小問題，能從根源杜絕計算不精準問題的出現。

②整定計算過載的Ⅲ段。以躲過變壓器二次側最大一臺或某組設備的最高啟動時間為基礎，對啟動時間合理整定計算。在整定的高壓綜合保護器程序中，設備類型一般為微機或者電子式，因此需要以互感器上二次額定電流值的倍數為基礎，對短路保護器靈活計算，將過載保護器的倍數計算出來，提升整定計算的效果和水平。

在大多數的煤礦中，通常將過載電流的倍數作為依據來對短路保護Ⅰ的倍數進行計算，以此獲得精準的整定計算結果，為設備的平穩運用提供保障，降低故障問題出現概率。

(3)整定計算帶單臺移動變電站高壓防爆開關

與干式變壓器存在的差異很大，移動變電站內部結構十分繁瑣，除了本身包含的高壓防爆開關之外，Ⅲ段和Ⅰ段的保護配置也非常健全。在對移動變電站進行整定計算過程中，應用的方式與干式變壓器一致。但不同的是，移動變電站中的高壓防爆開關D2在保護期間，需要增設兩種保護措施，分別是Ⅰ段和Ⅱ段。

①整定計算保護Ⅰ段。在對Ⅰ段保護整定值計算環節，為確保計算結果不會出現誤差，需要將躲過最大運行方式為基礎，對短路電流值合理計算。在獲取相應的計算結果后，對最小兩相短路電流進行校驗，實際計算應用的公式如下所示：

式中：

②整定計算保護Ⅱ段。在對防爆開關D2的Ⅱ段保護整定值計算期間，應該將Ⅰ段保護整定值作為依據，取Ⅰ段的1.1～1.2倍開展整定計算。如果是煤礦井下，倍數最好取1.1，以此提升計算準確性。針對動作時限，應該比Ⅰ段多出一個時間段。

(4)整定計算帶多臺移動變電站高壓防爆開關

移動變電站在多采區工作面中應用的數量較多，假設應用的移動變電站有四臺，具體如圖2所示，T3到T6是高度集成的移動變電站，在保護期間，有Ⅲ段和Ⅰ段保護措施，在整定計算方式的應用和選擇上，與干式變壓器一致。但移動變電站中的高壓防爆開關D3在保護期間，不需要設置太多保護措施，Ⅰ段和Ⅱ段即可，如果情況特殊，會對Ⅲ段保護加以設置。

圖2 煤礦井下帶多臺移動變電站供電

①整定計算保護Ⅰ段。如果將最大運行方式作為計算標準，對四臺變壓器流過一次側的短路電流整定計算，選出短路電流中一個最大的數值并整定，動作時限的計算公式具體如下所示：

式中：

∑Ilei表示其余變壓器一次側額定電流的總和，A。

保護裝置的靈敏系數校驗公式為：

②整定計算保護Ⅱ段。對于保護Ⅱ段的定值，需要將保護Ⅰ段的整定值作為核心展開計算。從保護Ⅰ段保護定值中選擇最小值，動作時限要比其多出一個時間段。如果是高壓綜合保護器，為確保最終的計算能準確無誤，在計算期間，可以利用的公式有：

3.煤礦井下高壓供電保護整定對策

(1)主變壓器保護整定

主變壓器是確保煤礦井供電安全性和穩定性的前提，必須全面性強，具有較高的可靠性和靈敏度。煤礦井下高壓供電保護整定項目涵蓋的內容較多，諸如差動速度以及制度比率等。過負荷整定原則需要將變壓器額定電流1.05倍作為基礎進行整定，同時時間要把控在9s，一般作用于報警和冷風機的啟動，不作用于跳閘。在過流整定時，將變壓器額定電流的1.2倍值作為標準，除以返回系數，根據計算出來的結果進行取值整定。整定過程中要對時間加強控制，以變壓器送電時的勵磁涌流時間為依據，必須比既定的標準值大。差動保護在計算時，為確保計算結果準確，計算人員要先確定制動電流，結合額定電流計算，以此獲得標準的數值。差動速斷針對的是變壓器內部突然出現短路問題或者其他嚴重故障情況，為其提供必要的保護，為系統提供短路保護。

(2)線路、電力變壓器、電動機的保護整定

在線路保護整定過程中，必須包括一段或者多段過流和短路等保護措施，在變壓器保護整定中，包含的方法主要有兩種，分別為短接和過流。高壓電動機保護所涉及的內容也比較多，具體有漏電保護、負荷等。如果多段母線出線或者出線開關，應該進行方向電流整定，保證不會在短路故障出現時有誤動作現象。

線路的過流保護需要根據實際負荷的計算結果進行整定。如果負荷不大，可根據電路的實際運行狀態，在掌握總輸出功率的基礎上加以整定。如果負載較多時，可按相應需要系數加以整定，并依照計算出來的總輸出功率和需用系數相加。針對普通的電力變壓器，通過利用額定電流乘以過流系數的辦法進行計算，之后再除以返回系數獲得最終計算結果。短路保護的整定電流比工作電流與其他裝置工作電流的之和大。在整定計算期間，為節約計算的時間，可選用簡便計算，按照所統計負載額定電流的3～5倍進行整定，逐步朝著電源側進行計算，保證能獲得精準的計算效果。多段母線電壓方向保護整定在出線開關，保護電源一側不能有短路問題的發生，以減少另一個出線開關動作問題發生。中心節點不接地系統線路的保護整定，一般是對零序電壓和較小額定電流接線的選線方式進行利用，以此來對故障線路的具體位置加以明確。針對單臺低電壓設備設定，對零序電壓和零序電壓閉鎖的方法靈活使用，動作于跳閘，而線路和系統在此過程中保護的主要功能就只有報警，不能動作于跳閘，故障允許運行2h以內。系統中漏電電流整定值，供電系統的正常運轉時間差需要將0.2s為基準，從負荷側開始，慢慢向電源側進行整定，提升整定的有序性。電力變壓器和高壓電動機在整定過程中，需要結合設備額定電流，乘以過流系數，根據所取得的計算結果除以返回系數，保證能計算出最終的整定結果。同時對時間靈活控制，啟動時間要小于整定時間。

(3)短路保護校驗

為保證整定的合理化，應該結合具體的標準與規范，做好短路整定值再驗算。以保護末端最小運行方式為基準，對兩相短路電流進行驗算，并加強對靈敏度系數的控制，不能比1.5小。在短路電流計算期間，選擇可行的方式進行計算，對電流快速計算，用各點短路電流除以對應點整定值。

4.結束語

綜合而言，在科學技術水平持續提升的新時期下，供電系統繼電保護裝置中應用的先進技術越來越多，為供電系統的平穩且高效運行提供保障，尤其是電子和微機保護裝置的使用，系統故障問題出現的概率明顯降低。但結合當前煤礦井下高壓供電保護的整定情況分析，在計算方面暴露出的問題較多，需要持續優化與規范，結合企業具體經驗給出不同線路配置下的整定計算方法，以此為煤礦企業的全面發展提供借鑒與參考。