煤礦短距離供電線路瞬時速斷保護可靠性分析

王黎春

（山西錦興能源有限公司，山西 呂梁 033000）

1 研究背景

電力系統的各種輸配電設備以及供電線路可能出現故障和非正常運行狀態，最常見的有接地、斷線、短路等，其中破壞性最強的是各種類型的短路故障，也是電氣事故中最為危險一類事故，特別是在煤礦井下供電線路發生短路事故時，電弧火花不但使線路燒毀、設備損壞，還會使局部線路的電壓大幅度下降，甚至使電力系統瓦解，造成大面積停電。更為嚴重的是在爆炸氣體環境中容易引發瓦斯、煤塵等爆炸，引發重大安全生產事故，造成人員傷亡并帶來不可估量的經濟損失。

引入繼電保護是為了及時處理電力系統故障和預警非正常運行狀態。它是一種能檢測電力系統發生故障并能切除故障或對不正常的運行狀態發出警示的自動化裝置，一般來講，繼電保護裝置必須在技術層面滿足速動性、靈敏性、選擇性以及可靠性四個最基本的要求，四個要求相互制約、對立統一，所以在繼電保護方面各個環節都要根據運行的需要協調關系，才能發揮最大保護作用，同時避免誤動造成不必要的損失。

眾所周知，供電線路一般采用瞬時電流速斷保護、限時電流速斷保護、定時限過電流保護構成一套完整的保護。其中電流速斷保護不帶延時，為瞬時性，反應最快，要求在發生故障時第一時間做出保護動作。筆者在所在單位作為供電系統管理人員，負責整定計算工作，在整定瞬時電流速斷的保護定值時，特別是選擇整定值的確定方法時發現一些誤區和實際計算方式與理論的偏差，在這里根據瞬時電流速斷的保護原理作出分析，探討在極短距離輸電線路中，瞬時速斷保護的保護范圍和可靠性。

2 短路電流的計算和系統運行方式的確定

短路計算是繼電保護的基礎，根據電力系統的分析，系統發生三相短路電流計算公式如下：

由計算公式可知在一定的系統運行方式下，短路電流的大小和短路發生點距離電源的距離成反比，距離越近，短路電流就越大，反之，距離遠了，短路電流就小了。當短路點距電源越遠時，短路點至保護安裝處之間的阻抗Zk越大，短路電流Id越小，系統運行方式小。當短路點距電源越近時，短路點至保護安裝處之間的阻抗Zk越小，短路電流Id越大，系統運行方式大，當系統運行方式及故障類型改變時，短路電流也在變化。因此，在繼電保護整定計算中，需要確定可能的最大短路電流和最小短路電流，對于保護裝置來說，流過保護安裝處短路電流最大的方式視之為系統最大運行的方式，反之，則稱為系統最小運行方式。

供電系統在最大運行方式情況下，線路末端發生三相短路時候，電流速斷保護范圍為最大，而當系統最小運行方式并發生兩相短路時，電流速斷的保護范圍為最小。最小保護范圍因此成為來衡量電流速斷保護的性能最重要的指標。

3 瞬時電流速斷保護保護范圍與校驗

對于筆者所在的煤礦企業而言，輸電距離短，10 kV入井線路從地面110 kV變電站到中央變電所再到采區變電所，采煤工作面也只有不足10 km的長度，個別線路只有幾千米，甚至只有幾百米，較短的線路組成的供電網絡就會出現線路末端最大三相短路電流值和線路首段最小兩相短路電流值大小區分不明，容易造成保護范圍延長超過本級線路，甚至到變壓器的低壓側，在這種情況下，低壓側發生短路故障的時候，上級線路的瞬時速斷保護可能先于本級線路保護動作，如此則產生了越級跳閘。由此看出，前文所述繼電保護的需滿足的四項基本技術要求在實際應用中比較難以兼顧，特別是選擇性和靈敏性更是不可調和。

在煤炭企業中，大負荷較為集中，礦井通風、排水、瓦斯抽排等涉及安全生產的一級負荷又較多，一般對輸電線路保護裝置的動作速動性要求非常高，同時要求選擇性較強。因此在輸電系統上，裝設反映電流增大而瞬間動作的瞬時電流速斷保護是必須要求投入的。以表示能夠使保護裝置啟動的最小電流值，當被保護線路的一次側電流大于等于這個值時候，保護裝置就發出指令，切斷故障線路電源。

3.1 保護裝置的動作電流

3.2 靈敏度校驗

保護動作的靈敏度是保護性能好壞的標志，對于電流而言，最小運行方式下計算出的首端兩相短路電流，與保護裝置設定的整定值之比應該大于1.5，以滿足動作的靈敏度。

按照首端最小兩相短路電流校驗：

按照最小保護范圍校驗，一般規定在最小運行方式下線路發生兩相短路時，瞬時速斷電流對線路的最小保護范圍，要求大于線路全長的15%。計算公式如下：

校驗公式如下：

式（4）（5）中：Lmin為最小保護范圍，km；Z1為被保護線路單位長度的阻抗，Ω/km；Uφ為系統等效電源的相電壓，V；Xs.min為系統在最小運行方式下所對應的系統最大電抗值，Ω；Lmin%為瞬時電流速斷保護的最小保護范圍百分比；LA－B為被保護線路的全長，km。

綜上，線路瞬時速斷保護必須滿足最小保護范圍的規定和靈敏度要求。

3.3 舉例分析

煤礦采區供電線路長度是動態的，由采區變電所供工作面的線路長度隨著煤礦采煤工作面的推進在不斷縮短，隨著線路的縮短，初始設定的線路瞬時速斷保護整定值是否還能滿足不小于被保護線路長度的15%，現以以下供電線路為例逐步分析，如圖1所示。

圖1 供電線路

當線路長度LA－B=6 km時：

保護范圍能夠滿足要求。

當線路長度LA－B=4 km時：

保護范圍已不能滿足要求。

當線路長度為LA－B=2 km時：

此時，保護已經沒有了動作范圍，不能起到保護作用。

4 結論

經過分析，當供電線路逐漸縮短時候，通過系統阻抗確定的短路電流計算出的保護裝置動作電流將增大，瞬時電流速斷保護的范圍將快速縮短，甚至成為理論上的負值，以至于沒有保護范圍，瞬時速斷電流保護不再起作用，需要后備保護啟動以切除線路故障。那么在此種情況下，保護裝置的瞬時速斷保護電流整定值需要重新確定，按照最小保護范圍不小于線路全長15%的要求進行逆向整定，以保證同時滿足靈敏度與可靠性。