煤礦高壓供電短路和漏電的雙重防越級跳閘保護

史志紅

（中煤科工集團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，愈來愈多的煤礦企業(yè)安裝了防越級跳閘系統(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關漏電保護不正確動作的根本原因。漏電保護動作正確率低是目前煤礦短路事故增加和引起越級跳閘的主要原因。漏電是防越級跳閘系統(tǒng)必須考慮的重要因素。深入分析煤礦電網(wǎng)越級跳閘的原因并進行新型防越級跳閘保護產品的研究，對煤礦井下安全生產具有十分重要的意義。

1 煤礦高壓供電系統(tǒng)越級跳閘的原因

煤礦高壓供電網(wǎng)絡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。除地面變電所外，井下實際是一個配電網(wǎng)絡，而井下所謂的變電所實際都是配電所。煤礦高壓配電網(wǎng)絡如圖1所示。

1.1 短路故障導致越級跳閘

系統(tǒng)發(fā)生短路時，常規(guī)速斷主要靠上下級保護整定不同的速斷動作電流值的“幅值鑒別”和上下級保護整定不同的動作延時時間的“時間級差”實現(xiàn)縱向選擇性保護。煤礦供電系統(tǒng)主要特點是網(wǎng)絡大、供電線路短、延伸級數(shù)多。這兩種方法無法滿足煤礦短路縱向速斷保護的需求。

1.1.1 “幅值鑒別”原理引起越級跳閘的原因

“幅值鑒別”原理認為，下級短路時由于線路阻抗，下級短路電流大于上級短路電流。上下級保護設置不同的速斷動作電流值，實現(xiàn)縱向選擇性速斷保護。“幅值鑒別”的速斷保護不能構成煤礦井下高壓有效縱向選擇性速斷保護的原因包括2個方面。

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

（2）短路時，理論上短路電流為無窮大，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。下級短路時，上下級保護通過電流互感器檢測到的短路電流幾乎一樣大。

1.1.2 “時間級差”原理引起越級跳閘的原因

“時間級差”原理是上下級增加保護時限級差構成縱向選擇性速斷保護。一般級差為100～150 ms。構成煤礦井下高壓有效縱向選擇性速斷保護的原因有3個方面。

圖1 煤礦高壓配電網(wǎng)絡

（1）地面變電所開關速斷保護動作時間受供電部門限制，一般不允許有延時。目前，地面高壓開關總的速斷動作時間小于0.2 s，也就是說地面向井下供電的高壓開關速斷保護動作時間不超過0.2 s。

（2）井下高防開關的最快動作時間。高壓防爆開關動作時間=保護器動作時間+高防開關固有動作時間=0.030 s＋0.188 s=0.218 s。其中，微機保護的速斷時間要求不大于0.030 s，幾乎也是目前微機保護能達到的最快速度。高防開關固有動作時間=驅動繼電器動作時間+跳閘機構動作時間+真空斷路器動作時間=0.08 s+0.1 s+8 mm/（1 000×1 mm）s=0.188 s。可見，地面變電所開關動作時間和井下高防開關動作時間很接近。煤礦配電網(wǎng)一般有3～4級，根據(jù)“時間級差”原理，每級保護時限級差不小于100 ms。“時限級差”原理因受上級供電部門對地面變電所繼電保護時限的約束，從理論上就不可能實現(xiàn)縱向選擇性保護[1]。

（3）絕大多數(shù)煤礦的井下開關不是使用同一種開關，各開關的固有動作時間存在區(qū)別。同一種開關由于井下環(huán)境、執(zhí)行機構的靈活程度等因素的影響，開關的固有動作時間也不盡相同。

1.2 漏電故障導致越級跳閘

目前，高防開關的漏電保護是針對中性點不接地系統(tǒng)設計的，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”實現(xiàn)選擇性漏電保護。

“零序電流大小原理”無法實現(xiàn)縱向選擇性漏電保護。若A點漏電，開關1、2、3、4、5、6的保護都能檢測到故障零序電流。對于零序電流的大小，開關1、2、3、4、5、6依次增加，其實際值與系統(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，存在很大的不確定性。通過設置零序電流動作值實現(xiàn)縱向選擇性漏電保護是不可能的。

“零序功率方向原理”無法實現(xiàn)縱向選擇性漏電保護。若A點漏電，開關1、2、3、4、5、6的每一個保護檢測到的零序電流都是從下級流向上級，其相位都滿足“零序功率方向原理”動作條件。

“時間級差”原理理論上可以實現(xiàn)縱向選擇性漏電保護，但是和短路“時間級差”一樣，因為級數(shù)多，開關性能差異，很難實現(xiàn)“時間級差”的縱向選擇性漏電保護。

1.3 失壓保護動作導致越級跳閘

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設備帶負載直接啟動，井下高壓開關均裝設有失壓脫扣器。失壓脫扣器是不能設置延時的機械速斷動作機構。系統(tǒng)發(fā)生短路時，伴隨著系統(tǒng)電壓的降低，失壓脫扣器有可能會先于設置延時的速斷保護動作。如果上級開關失壓保護動作，就形成了越級跳閘故障。

1.4 保護裝置性能差造成越級跳閘

以前煤礦一直使用性能較差的綜合保護器，而現(xiàn)在的新設備中的綜合保護器市場價大都不到電力微機保護裝置的一半。煤礦綜合保護裝置大多存在檢測精度低、誤差大、動作緩慢、保護的實際動作值與計算設定值不一致等問題，致使發(fā)生短路故障時保護裝置不能按照要求動作而誤動或拒動造成越級跳閘。

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

2 防越級跳閘事故的解決方案

2.1 控制原則

關聯(lián)開關同時檢測到短路大電流時下級保護閉鎖上級保護。圖1中如A點發(fā)生短路故障，開關1、2、3、4、5、6、7、8都是關聯(lián)開關。開關7、8檢測不到短路大電流，其保護不會發(fā)出短路信號和閉鎖上級保護信號；而開關1、2、3、4、5、6都能檢測到短路大電流，都發(fā)出對上一級速斷保護的閉鎖信號，只有開關6因開關7檢測不到短路電流不發(fā)出短路閉鎖信號而速斷保護不被閉鎖，速斷保護能夠正常跳閘。如果開關6開關拒動時，它的上一級開關5保護定速斷延時動作，作為下級開關6的后備保護[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的信息傳輸?shù)奖Ｗo主機，由保護主機根據(jù)控制原則統(tǒng)一發(fā)出動作指令。分散控制由各并聯(lián)開關保護之間互換信息，各保護根據(jù)控制原則自行發(fā)出閉鎖和動作指令。

3 短路和漏電雙重防越級跳閘的思考

3.1 煤礦防越級跳閘存在的問題

目前，煤礦安裝的防越級跳閘都是以短路故障為控制對象，沒有解決漏電的防越級跳閘。一方面，煤礦高壓供電消弧線圈接地系統(tǒng)沒有成熟的漏電保護原理，單級漏電保護問題沒有真實解決[3]。另一方面，漏電保護不可靠往往表現(xiàn)為短路的越級跳閘。高防開關的漏電保護失效，漏電發(fā)展為短路，短路形成越級跳閘。無論是漏電本身的越級跳閘，還是漏電發(fā)展為短路引起的越級跳閘，表現(xiàn)結果都是越級跳閘。

3.2 單純的短路防越級跳閘的危害性

沒有解決中性點經(jīng)消弧線圈漏電保護問題，漏電保護發(fā)展為短路的可能性增加而引起事故擴大，是煤礦生產的安全隱患。中性點經(jīng)消弧線圈接地的漏電保護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越級跳閘，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，增加單純針對短路的防越級跳閘設備，實際是等故障擴大再解決問題，是防越級跳閘系統(tǒng)的一個誤區(qū)。防越級跳閘只有考慮漏電的防越級跳閘，才能既防止故障擴大又杜絕越級跳閘。

3.3 短路和漏電雙重防越級跳閘的可行性

（1）可靠的漏電保護，解決消弧線圈接地系統(tǒng)漏電保護問題。

（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)絡已經(jīng)形成，很多煤礦已經(jīng)安裝了防越級跳閘系統(tǒng)，載體已經(jīng)形成。

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

4 結 論

本文闡述開展煤礦高壓供電系統(tǒng)短路和漏電的雙重越級跳閘保護問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)自動化網(wǎng)絡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的防越級跳閘系統(tǒng)將是必然的發(fā)展趨勢。