煤礦高壓供電系統過流保護問題的研究

訾 強

（晉煤集團長平公司， 山西 晉城 048006）

引言

煤礦生產中，一旦發生過流故障，將產生大量的熱能使電氣設備遭到損害。在某些特殊的環境下，過高的溫度或電氣設備燃燒產生的明火，可能導致瓦斯爆炸，造成嚴重事故。因此，過流保護對提高煤礦供電穩定性、安全性有著重要的意義。

1 過流產生的原因及危害

1.1 短路過流

根據歐姆定律I=U/R，當短路發生時，電流沒有流經負載，而直接形成回路。此時電阻僅為導線電阻，R無限接近于0，I接近于無窮大。根據P=I2R，功率也趨于無窮大，短時間將產生大量能量。這些能量將會以熱能的形式釋放，快速達到導線或電氣設備的熔點或燃點，將導線熔斷或將電氣設備損毀。造成短路故障的原因主要是電路的絕緣層遭到破壞，因此，需要加強電路的檢查和維護，如果有必要，需要加裝短路保護裝置。

1.2 過載過流

過載過流是指通過電氣設備和電線的電流超過了設備的額定。如果過載時間過長，電能轉化來的熱量出現積聚，導致電纜絕緣層或電氣設備燒毀，甚至出現漏電和短路事故。過載是導致井下電機燒毀的主要原因。

過載出現的本質原因是電流超過了額定值。如果電氣設備或電纜本身選擇不當，額電流過小，就極其容易出現過載。還有誤操作導致過載。例如，某些輸送機啟動電流過大，連續點動啟動，瞬時電流過大沖擊電機，局部過熱使電機燒毀。電源電壓過低，電機內異物堵轉等也都會導致電機過載。

1.3 斷相過流

現有的煤礦電氣設備所用電流都是三相電流，斷相就是指三相中一相短路或電機的一相繞阻斷路。當斷路發生時，電氣設備變為單相運行，轉矩減小，通過的電流增大為三相下的1.7～2.0 倍。如果不及時斷電，必然會燒毀電氣設備。

導致斷相出現的原因有以下幾種：一是電機繞阻接線不牢脫落，這種情況發生較多；二是電纜和電機接線不牢；三是熔斷器選用不當或其他情況導致的熔斷；四是電纜選用不當或其他意外情況導致的電纜斷路。為防止斷相情況導致的嚴重后果，電機和電纜都應裝有過流保護裝置。

2 對過流保護裝置的要求

為了防止過流故障的發生，需要安裝過流保護裝置。過流保護裝置必須滿足以下幾個要求：高選擇性。當某條線路發生過流時，不能影響到正常電路的運行，縮小影響范圍；可靠性。隨時處于準備狀態，當過流發生時，不能拒動。當沒有過流現象時，不能誤動。通常導致誤動的原因有：電壓波動，電流非周期分量過大，電機反向啟動，電機啟動電流過大導致超過保護電流設置范圍。而導致拒動的主要原因是：保護回路不通和設置不當。在故障沒有發生前，電流已經切斷，不使熱量積聚，燒毀電氣設備[1]。如果要保證保護裝置的選擇性、可靠性以及靈敏性，除了保護裝置本身的質量外，還需要對其進行設置和整定，避免出現誤動以及拒動。

3 過流保護裝置的整定

過流保護一般采用三段式保護，即瞬時電流速斷保護（過流Ⅰ段）、限時電流速斷（過流II 段）和定時限過流保護（過流III 段）。

3.1 瞬時電流速斷

瞬時速斷是為了保證過流保護的高選擇性和靈敏性。當故障發生時，快速切除故障電路，避免越級跳閘，減小事故的影響范圍[2-3]。

在煤礦中每段電纜僅有1～2 km，因此，本級瞬時速斷整定范圍對于下級末端也有一定的靈敏度，導致下級的保護效果為零。所以，常規的瞬時速斷整定方法在煤礦中是不適用的。一般采用“逆向整定”的思路，先設置一個大于1.5 的系數Kr，根據下式計算整定值：

3.2 限時電流速斷

瞬時速斷保護范圍較窄，無法對整個電路系統全長進行保護，所以需要增加一個后備保護。該后備保護應與瞬時速斷保護相結合。通常使用的是帶有延時的限時電流速斷，延時時間一般在0.25～0.3 s左右。要求其必須滿足選擇性、可靠性和靈敏性的要求。

限時速斷電流IdzII的整定公式為：

式中：Idz2I為下級線路的瞬時斷路整定值；Kr'為可靠性系數，為1.1～1.2。延時時間一般在0.25 s。

整定完成后需要進行靈敏度驗證。校驗方法為短路時兩端的最小兩相電流除以保護裝置的動作參數。作為后備保護時，靈敏度不應小于1.15。作為主保護時，靈敏度不應小于1.25。

3.3 定時過流保護

定時電流保護是一般作為主保護的后備保護。除了保護線路全長外，還應能保護相鄰線路全長以及相鄰元件，起到進后備和遠后備保護的作用[4]。它的工作原理見圖1。

圖1 定時過流保護原理示意圖

當短路電流大于保護裝置1、2、3 的動作電流時，1、2、3 將會啟動。為了滿足選擇性要求，保護時間應滿足式（3）：

式中：T1、T2、T3分別為到達點1、點2、點3 時的時間；ΔT為兩點之間的時間差。

由此可見，接近電源，定時過流保護的動作時間也會相應延長。可以看出，定時過流保護的動作時間是固定的，和電流大小沒有關系[5]。它的整定原則為：

1）最大負荷電流流過被保護線路時，保護裝置不動作。

2）切除了相鄰線路的短路故障后，保護能可靠的返回。

式中：Ire表示系統的短路保護電流值；Is.max表系統的短路電流值

3.4 自適應過保護系統

目前部分煤礦已經開發并應用了自適應的過電流保護系統，如圖2 所示，它的主要特征是整定值能夠隨電流變化進行調整[6]。

圖2 自適應過保護系統結構示意圖

它的每段都有瞬時速斷和反時限的過流保護，并采用了連鎖控制，整個數據采集都在短路的暫態過程中完成。它的暫態時間一般為0.2 s，所以各級保護都延時0.2 s。

4 結論

通過對供電系統在各階段的整定原理進行分析，表明自適應過流保護能夠實現對供電系統的有效保護，顯著提升供電系統的穩定性和安全性，具有靈敏度高、可靠性好的優點。