基于礦井整流系統的繼電保護設計

摘 要：基于煤礦架線輸電事故的發生，研究井下整流系統的保護方案。考慮直流牽引供電系統的結構和特點，針對整流機組分析研究，建立整流電路模型，分析直流故障電流，利用MATLAB/ simulink軟件對其進行仿真，最后確定繼電保護方案。

關鍵詞：直流牽引供電系統；直流故障；短路保護；漏電保護

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.10.225

近年來，我國的煤炭行業發展十分緩慢，然鑒于各行各業對于煤炭能源的依賴，我國工業對煤炭的需求仍然十分可觀。現階段，煤炭井下運輸，基本上都是使用礦用架線電力機車，用其運輸物資、機械設備、人員是非常普遍的情況。但井下巷道空間限制，架線電網暴露敷設，而且巷道窄照明不足等情況，容易造成危險事故。從全國煤礦直接觸電事故的情況來看，煤礦架線觸電死亡率大約為30%。本文針對架線直流系統結構及故障特點，探討保護方案。

1 煤礦井下直流牽引電網概述

我國大部分礦井都是采用550V或250V工作電壓等級的架線電機車。一般由高壓6千伏三相交流電經由開關和高壓接觸器，同時送入兩臺動力變壓器，經變壓后將兩個低壓交流電源送到可控硅整流柜，然后經柜內兩個三相半控橋或全控橋線路進行整流，順極性串聯后，輸出整流250V電壓到架線電網。在實際生產過程中一般采用等效24脈波整流機組，由兩組等效12脈波整流機組并聯而成，則能輸出24脈波電壓電流供給架線電網。本文將基于12脈波整流機組建立直流牽引供電系統的仿真模型來分析。

對于移相變壓器，采用三相三繞組變壓器，原邊繞組采用星形聯結方式，副邊兩個繞組分別采用三角形和星形聯結方式，原副邊繞組的匝比為1：1：，兩副邊繞組輸出線電壓幅值相等，三角形繞組側電壓Va"、Vb"、Vc"的相位超前星形繞組側Va'、Vb'、Vc'30°。輸入整流電路，整流輸出平均電壓也相等，并聯向負載供電。同時，由于整流橋Ⅰ和Ⅱ輸出電壓的瞬時值不等，為了保證兩組整流橋可以真正的并聯運行，在整流電路末端加入平衡電抗器。兩組整流橋經平衡電抗器后的輸出電壓vd為：

兩組整流橋經平衡電抗器后的輸出電壓瞬時值為兩組整流橋輸出電壓瞬時值vd1、vd2的平均值。vd1、vd2中的6次諧波電壓互相抵消，輸出電壓vd中最低次諧波為12次。輸出電壓平均值，V1為整流橋輸入線電壓有效值。

2 直流短路故障分析及保護方案

在電力系統的運行中，時常會發生故障，其中大多數是短路故障。在煤礦井下直流牽引供電系統中，由于絕緣的破壞，或有工人在工作過程中掛趴在了機車上，都有可能造成短路故障，甚至引發觸電事故。發生短路時，阻抗減小，短路電流大大增加，通過電氣設備導體時，熱效應、電動力沖擊，也都會對電力系統造和工業生產成損害。

對故障波形做直流穩態短路電流計算。根據井下鋪設直流架線的導線及軌道技術參數，我們假設牽引電網電阻r1為0.00809Ω/km，鋼軌單位電阻r2為0.03436Ω/km，短路電阻rg為0.004Ω，在離牽引變電所距離l為300m處發生牽引網對鋼軌金屬短路故障。

供電網絡及軌道電阻則供電網絡、軌道及短路電弧總電阻為

穩態短路電流為

對此進行暫態分析時，考慮到直流側電感及電阻值對故障波形的影響，短路電流表現為指數分布或沖擊電流，視工況而定。但兩種情況不會影響保護方案，本文就不做討論。

在電力系統繼電保護中一般會設計為三段式電流速斷保護，但井下架線電網鋪設面積有限，不存在輸電線路長、電流降低的情況，不作保護區域劃分，對所在線路作統一的短路故障判定。速斷保護作為線路主保護，保護動作后出口跳閘，短路保護的定值、時間獨立設定，有選擇性的加入低電壓閉鎖速斷保護、諧波閉鎖速斷保護等判定。

（1）主保護判定，電流元件動作條件表達式：I>ISD。（2）整定值確定，計及故障短路電流值，將其折算至電流互感器二次側作為速斷保護電流整定值。以ZK14-7/250型號架線電機車為例，額定工作電壓250V，額定工作電流212A，選擇匝數比20：1的電流互感器。（3）過流整定范圍（折算到二次側）：（0～20）IN，設速斷電流整定值ISD=5IN≈10A，速斷保護動作可以可靠動作。返回系數，電流不小于0.9；動作時間設為3ms。

3 仿真實驗

選取三個相位相差120°、幅值6kV的交流電源，頻率50Hz。整流變壓器模塊一次繞組采用Y型連接，二次繞組分別采用Y型和△型連接，三繞組線電壓高壓/低壓/低壓為6000/185/185V。將兩組全控三相整流橋并聯。設置當t=0.5s時發生短路故障，得到短路電流故障電流錄波。發生故障時，短路電流大大增加，電壓降低。故障電流大于速斷保護電流整定值，3ms后保護動作跳閘出口，切除短路故障。

4 結語

短路保護通過對煤礦井下整流系統的短路故障的故障分析、判別，識別故障類型，向上位機反映，保護動作跳閘出口，在有限的時間內切除短路故障，保護牽引供電系統的安全穩定運行、減少人員傷亡。

參考文獻：

[1]馬義林.自耦式12脈沖整流電路的研究[D].南京航空航天大學碩士學位論文，2009.

[2]王彥文.煤礦供電技術[M].徐州：中國礦業大學出版社，2009.

作者簡介：章蒙亞（1991-），女，浙江人，在讀研究生，研究方向：電力系統微機監控。