煤礦供電保護系統技術改造方案研究

李 輝

(西山煤電建筑工程集團 礦建第一分公司，山西 太原 030053)

0 引言

基于我國缺油少氣的國情，煤炭是我國儲量最大、使用最廣的能源。隨著我國國民經濟發展的日益提速，煤炭的生產需求也越來越大，因此采煤安全不僅是煤礦企業，更是全社會關注的重點課題。隨著綜采工作面的發展，采煤已經從人工階段發展為電氣化和智能化階段，礦井中的用電設備越來越多，供電系統的保護裝置也越來越重要。目前井下供電的保護系統存在兩大重要問題：一是短路保護整定困難、設備缺陷多，容易造成越級跳閘事故；二是漏電保護形同虛設，起不到選擇性和保護人身安全的作用。本文根據實際供電保護系統的改造經驗，總結分析了越級跳閘改造方案和漏電保護改造方案，對提高礦井供電系統的安全性和可靠性具有重要意義。

1 煤礦供電系統缺陷分析

1.1 短路故障越級跳閘問題

井下高壓供電網絡為縱向干線式，電纜最長不過數百米，最短甚至只有50 m，各級電纜的首尾短路電流幅值幾乎相等，根據短路電流幅值設計的反時限電流速斷保護極易失去選擇性。當距離長、負荷大的供電線路發生故障時，故障電流大到可能觸發上一級線路的短路保護，造成沿線保護動作跳開。總體而言，煤礦井下供電網絡的越級跳閘是由于煤礦線路供電距離短、線路阻抗小引起的，在各礦井主要表現為以下幾個方面：

(1)繼電保護參數整定困難或設計不當。非金屬性短路電流和最大工作電流相近，很難進行準確整定。供電公司要求的0.5S級差難以滿足多條饋電線路級數的保護時限整定。

(2)高爆開關的電壓互感器或電源出現問題。由于高爆開關柜空間狹小，電壓互感器兼作保護裝置的電源，當此電源短路時電壓迅速降低，觸發欠壓釋放繼電器動作。電壓互感器的整流電路導致電壓畸變，影響短路保護的判定結果。分合閘電容性能下降，也會導致分閘速度變慢，從而導致上級開關跳閘。

(3)系統中其他電氣設備原理上或性能上存在缺陷。以下原因均能導致線路出現越級跳閘事故：分合閘傳動系統的機械部分卡澀、跳閘線圈燒毀；感性負載特別是電機的啟動電流大、啟動時間長；電流互感器發生磁飽和；保護裝置的采樣電路精度不夠。

1.2 漏電保護問題

在礦井的低壓系統和高壓系統中都存在漏電保護失靈的問題。高壓系統的漏電往往是由于線路老化引起的，接地電流小的情況下表現不明顯，等到接地電流足夠大的時候，整個系統的零序電流都會增大。由于低壓系統要求測量變壓器出線的接地電阻，此測量回路導致線路經電阻和電壓互感器接地，另外由于歷史原因也有經電容接地的情況，因此低壓系統的漏電保護幾乎完全不起作用。對于不接地系統，漏電保護的判據是零序電流的方向和大小，因此引起漏電保護的原因主要有以下兩點：

(1)零序電流互感器性能問題。零序電流互感器二次回路引出線長，容易受到其他線路的電磁干擾。電流互感器的原邊匝數小，一般只有一匝，而小電流接地系統的接地電流只有幾安，因此無法滿足保護裝置的要求。

(2)零序電流互感器方向裝反。開關柜廠家只注重測試零序電流的大小，忽略其方向，因此在現場不改變電流線的情況下，只設置零序電流的大小，不設置方向，導致零序保護沒有選擇性。

2 防越級跳閘改造方案

(1)光纖縱差保護加母差保護。建設時間較久的煤礦變電所連接線主保護大多為階段電流保護，將這種主保護升級為光纖縱差保護，后備保護為過流Ⅱ段。這種方案雖然不會發生越級跳閘，但是缺點也很明顯，母差保護要求每個開關柜內引出CT信號到一集中地點，改造的工作量較大，另一點是光纖保護和母差保護的成本也較高，因此不是最佳選擇。

(2)采用雙回路分裂運行。井下供電線路原來為一回運行，另一回備用，當發生越級跳閘事故后，備用的線路送電時間長，容易引起瓦斯濃度上升，安全系數不高。井下供電系統采用雙回路運行后，兩段母線平均帶相等負荷，利用分段開關將兩段母線的電源形成互為備用，一段母線停電不影響二段母線上的負荷，利用分段開關合上送電的時間明顯較備用線路送電的時間短很多。

(3)控制信號采集與傳輸方案。在電流保護裝置基礎上，可以設計安裝一種控制信號采集與傳輸控制器，將開關的運行狀態傳輸至保護系統，具體的保護裝置改造方案如圖1所示。圖1中共有3級開關，一級開關編號為10～1A，二級開關編號為20～2A，三級開關編號為30～3A，每個開關的開關量和保護信息通過保護器采集，并上傳至本級控制器，由于各級接線方式均為單母線分段，系統的運行方式變化會導致同一個開關有不同的上級開關，因此我們安裝了中間控制器，避免了運行方式改變所帶來的上下級關系變化引起的保護調整問題。

圖1 基于控制信號采集與傳輸的防越級跳閘改造方案

3 漏電保護改造方案

選擇性是漏電保護最重要的特征之一，選擇性漏電保護之所以發展成為現代供電系統的重要保護，其意義在于兩方面：①保護人體，防止觸電；②保護電力系統和其他用電設備。當礦井的某一電纜發生絕緣破壞時，供電系統迅速將該故障支路的饋電開關斷開，其他支路正常供電，縮小停電范圍和時間。漏電保護的配置結構有縱向和橫向兩種，裝置一般安裝在高低壓饋線的出線端，配合漏電閉鎖裝置，可形成完整的漏電保護系統。

改造前，礦井供電系統的漏電保護配置如圖2(a)所示，風機M1和掘進設備M2、M3分別通過啟動器A1、A2、A3由總饋電開關BKD供電，該系統的主要漏電保護裝置為總饋電開關上的附加直流電源，該系統一定程度上能夠檢測出饋線上的漏電現象，但是選擇性不佳，總饋電開關跳閘會導致多個支路停電。例如當掘進設備d1、d2處發生漏電，BKD跳閘會導致工作面風機停運，掘進設備低壓停電，工作人員面臨危險。改造后的漏電保護系統如圖2(b)所示，在保留啟動器的基礎上，在掘進設備支路串接了F1、F2開關，當d1處漏電后F1跳閘，d2處漏電后F2跳閘，在整個保護過程中，風機和采煤設備不會受到影響。

圖2 選擇性漏電保護改造方案

4 結束語

井下供電系統的越級跳閘是由繼電保護參數整定困難、電壓互感器或電源等問題引起的。采用母線分段分裂運行的方式，并配置防越級跳閘控制器，將各級開關信號共享，增強了井下短路電流速斷保護的選擇性。井下環境嚴峻容易導致電纜絕緣老化，引起漏電，將工作面動力線路均加裝漏電保護開關，實現了漏電保護的選擇性，避免了漏電保護觸發總饋電開關跳閘，導致停電范圍增大。