基于快速斷電技術的防越級跳閘方案分析

祁吉成，李亞松，鄭 達

（中國礦業大學（北京） 機電與信息工程學院，北京 100083）

0 引 言

煤礦井下供電網絡多為多級輻射狀供電系統，線路距離較短，發生短路故障時，上下級電流差值小，在目前井下斷路器切除故障出口時間較長的情況下，動作電流整定困難，容易引起越級跳閘[1-3]。解決煤礦井下越級跳閘對煤礦安全可靠生產有重要意義。因此，近些年人們針對越級跳閘提出了很多解決方案，如基于光纖縱聯差動保護的越級跳閘解決方案、基于電氣信號閉鎖保護的防越級跳閘解決方案以及基于總站與分站保護原理的防越級跳閘解決方案等[4]。盡管上述3種方案都有成功應用案例，但是都需要以可靠快速的通信線路為基礎。隨著開關技術的發展，可設計出切除故障出口時間小于10 ms的快速斷電裝置。在目前供電部門允許短路時間小于0.5 s的情況下，煤礦井下越級跳閘主要是現有斷路器關斷速度太慢引起整定困難所導致。因此充分利用固態斷路器技術具有快速關斷特性和易于整定的優點，無疑是解決越級跳閘的一個有效思路。

本文基于現有的《煤礦安全規程》要求，結合當前的固態斷路器快速斷電技術，提出了解決防短路引起的越級跳閘解決方案，并進行了可行性分析[5]。

1 快速斷電技術闡述

根據技術路線的區別，快速斷電裝置大體可以分為3類，分別是基于電弧電壓建立原理的空氣式斷路器、基于電力電子器件的固態斷路器以及基于功能分解組合的混合型斷路器[6]。其中，空氣式斷路器早已在礦用配電裝置中實現應用，具有應用經驗豐富且技術成熟的優點，但存在分斷時間長和限流效果差等問題[7-9]。針對礦井供電系統斷電裝置的快速性問題，中國礦業大學（北京）成功研制了基于DSP的煤礦井下快速斷電開關裝置，采用以絕緣柵雙極晶體管（Insulated-Gate Bipolar Transistor，IGBT）為主要元件的固態斷路器拓撲結構，能夠實現全切斷時間不大于3 ms的目標[10]。但是，固態斷路器在正常工作時，由IGBT承擔額定電流，與機械開關相比存在通態損耗大和價格昂貴的缺點。

近年來，混合型斷路器在直流輸配電領域成為研究熱點，很多學者提出不同的電路拓撲和技術方案[11,12]。相較于固態斷路器，混合型斷路器在正常工作時，由機械開關支路承擔額定電流，開關通態損耗小，具有良好的靜態特性。當需要分閘時，電流轉移至固態開關支路，利用電流換路減小電弧燃燒時間來縮短機械開關分斷時間，具有良好的動態特性。本文采用基于晶閘管的混合型斷路器的電路拓撲結構，具有雙向分斷的功能，因此可應用在交流場合的礦井供電系統[13]。

2 快速斷電技術在防越級跳閘中的應用分析

由于煤礦井下供電系統的電壓等級大多在10 kV以下，選用混合型斷路器可以輕松滿足容量要求。另外GB/T50062—2008《電力裝置的繼電保護和自動裝置設計規范》中規定，當過流保護的動作時限大于0.5～0.7 s時，應裝設瞬時電流速斷保護，國家電網對電力系統末端負荷保護時間要求一般不超過0.5 s，因此整個保護系統的最大動作時間不能超過0.5 s。而基于換流技術的混合型斷路器，切除故障出口時間大多小于10 ms，在多級供電線路中，上下相鄰兩級動作時限差Δt可以取得很小，使各級斷路器明顯分級，可以使用傳統的設置縱向時間極差的整定方法進行整定來防止越級跳閘。

2.1 煤礦井下供電系統保護分析

根據煤礦井下多級式供電系統要求，井下每級供電系統都應該配有保護裝置。以三級式煤礦井下供電系統為例，整個供電系統中的一回路保護裝置位置如圖1所示。其中自地面變電所至移動變電站，負荷端共有中央變電所、采區一所以及采區二所三級。

圖1 煤礦井下保護裝置安裝位置圖

當第一級設置為電流速斷保護，保護裝置可在半個工頻周期內檢測到短路故障并發出分閘信號，考慮到保護裝置分閘時間，第一級斷開時間為不大于25 ms，考慮到一定裕度，第一級最大分閘時間為35 ms。若每一級時間極差設置為90 ms，那么各級斷路器動作時限關系如圖2所示，圖中以中央變電所為中心，移動變電站為遠距離端，t1為最遠端發生短路時第一級保護的分閘時間。

圖2 各級斷路器動作時限關系

在每級級差Δt為90 ms的情況下，整個煤礦供電系統一共可設置為六級，從圖中可以看出，采區發生短路故障時，最多需要485 ms切斷故障電流，能滿足我國絕大部分煤礦供電系統對最大動作時間不能超過0.5 s的要求。

2.2 越級跳閘案例分析

以三級式煤礦井下供電系統為例對幾種防越級跳閘方案進行分析。越級跳閘現象大多是由線路短路故障引起的，針對短路故障引起的越級跳閘，在線路末端負荷保護裝置設置為電流速斷保護，在自地面回路到井下中央變電所的保護裝置設置為時限0.5 s的定時限限流保護，而中間各級根據各煤礦井下供電系統的構成分別設置定時限限流保護。在圖2中，一級設置為限流速斷保護，第二級設置為含0.2 s延時的定時限限流保護，第三級設置為含0.4 s延時的定時限限流保護，每一級保護裝置限流整定值設置為本級線路末端發生短路電流最小值。另外，考慮到煤礦井下異步電機啟動電流可達額定工作電流的4～7倍，當啟動電流值大于保護裝置短路電流整定值時會造成斷路器的誤動作，因此限流保護整定時間需要躲過異步電機啟動沖擊電流時間，而異步電機的啟動時間一般大于0.5 s，所以不能通過延長保護裝置的動作時間來解決由電機啟動引起的保護裝置誤動作。由于煤礦井下供電系統中的負載均為感性負載，在電機啟動時的功率因數較低，一般都低于0.5，而短路故障發生時功率因數在0.9以上，因此通過判斷電壓電流幅值和相位關系即可區分短路故障和電機啟動。短路故障時和電機啟動時的電壓電流波形如圖3所示。

圖3 線電壓與相電流波形圖

從圖3中可以看出，發生短路故障時，故障相間線電壓為零，而異步電機啟動時三相線電壓不為零，因此當有線路電流超過設定閾值時，只要判斷是否有線電壓為零即可分辨出電機啟動與短路故障。即便如此，異步電機啟動時也要避免重載直接啟動，應采取合適的啟動方式防止電流過大對電機和供電系統造成危害，同時也需要相應的過載保護使電機安全穩定運行。

但是過載保護也可能引起越級跳閘，一般過載保護動作時間與線路電流幅值成反比，當脫扣器過載保護特性設計不合理時就可能發生越級跳閘現象。按照經驗，過載倍數β與允許過載時間t的關系為：

式中，α為電機繞組允許升溫倍數，一般取1.2。除此之外，若在不同供電級過載保護中加設相應的延時動作時間tx，既能實現過載保護功能，又能有效防止越級跳閘現象的發生。β與t關系為：

另外，為防止煤礦井下帶載起動和保護異步電動機，煤礦供電系統的高低壓開關均設有高低壓脫扣器。MT871—2011《礦用防爆低壓交流真空饋電開關》中指出，當脫扣器的電壓在其額定控制電源電壓值的35%～70%時，應引起饋電開關跳閘。針對由短路故障引起的欠電壓保護越級跳閘，使用基于快速斷電技術的保護裝置可在0.5 s內將故障切除，因此使欠電壓保護裝置的動作時間帶有0.5 s以上的動作延時即可防止欠電壓保護越級跳閘。同樣針對雷電影響時間短的特點，使欠電壓保護整定時間躲過雷電的最大影響時間。雷電持續時間約為0.01 s，遠小于0.5 s，因此若采用有0.5 s延時動作的欠電壓保護即可防止因欠電壓保護引起的越級跳閘。

除此之外，發生漏電故障時，漏電保護也可能引起越級跳閘。煤礦電網在中性點不接地運行方式下發生漏電故障時，從故障線路到接近電源側聯絡線的零序電流逐漸變小，且與正常線路方向相反，因此漏電保護通過采用時間極差的方式來滿足縱向選擇性。但是隨著我國煤礦開采面的不斷延伸擴展，煤礦供電線路對地分布電容越來越大，對于分布電容電流超過定值時應裝設消弧線圈，而消弧線圈一般在過補償狀態，使故障線路與非故障線路零序電流相位相同，雖然對接地電弧有較大的抑制作用，但是同時使漏電保護選線方法失效，不僅不能滿足縱向選擇性，對橫向選擇性也有影響。目前，煤礦井下選擇性漏電保護技術還在不斷研究和發展中，各種保護原理相繼提出，但是其可靠性與可行性還有待商榷。盡管如此，使用快速斷電裝置還是能夠提高現有漏電保護裝置性能，可通過減小斷路器分斷時間來提高中性點不接地系統漏電保護縱向選擇可靠性，同時也能為新型保護原理的實施提供有利的條件。

3 結 論

在煤礦供電系統中，由于發生越級跳閘會帶來安全隱患，因此本文針對目前越級跳閘的原因和解決越級跳閘的幾種原理進行了闡述，針對其存在的問題，本文提出基于快速斷電技術的防短路越級跳閘方案。