基于智能變電站的煤礦高壓電網(wǎng)選擇性接地保護(hù)探究

張新鐵 李春燕 劉磊 趙杰 郭宇

摘要：從智能變電站煤礦高壓電網(wǎng)的運(yùn)行實(shí)際來(lái)看，當(dāng)前階段存在的主要問(wèn)題是電網(wǎng)接地保護(hù)功能的適用性范圍過(guò)窄，以及實(shí)現(xiàn)接地保護(hù)原理本身的技術(shù)缺陷問(wèn)題導(dǎo)致的選擇性失效。基于此，本文首先對(duì)煤礦電網(wǎng)的運(yùn)行環(huán)境以及單片微機(jī)保護(hù)的不足問(wèn)題進(jìn)行分析，而后提出實(shí)現(xiàn)零序全電流多支路方向判定功能的電網(wǎng)優(yōu)化策略，希望可以為提高煤礦供電系統(tǒng)運(yùn)行的安全可靠性能，提供一些理論幫助。

關(guān)鍵詞：智能變電站;煤礦高壓電網(wǎng);選擇性接地

前言：井工開(kāi)采的礦場(chǎng)在智能變電站高壓電網(wǎng)建設(shè)時(shí)，為了避免一些大型功率機(jī)械設(shè)備或者電纜電線(xiàn)因絕緣層破壞失效，導(dǎo)致人員觸電、機(jī)械損壞、瓦斯爆炸或井下發(fā)火，通常會(huì)將接入6kV高壓電網(wǎng)的所有負(fù)荷設(shè)備不帶電部分的金屬外殼進(jìn)行接地保護(hù)，這樣的接地保護(hù)網(wǎng)可以限制故障支路的大電流現(xiàn)象。因此深入探究煤礦的高壓電網(wǎng)選擇性接地保護(hù)方案，是煤礦高壓電網(wǎng)安全運(yùn)行生產(chǎn)的重要保障。

1. 煤礦智能電網(wǎng)的運(yùn)行分析

1.1電網(wǎng)接地故障問(wèn)題分析

煤礦高壓電網(wǎng)通常采用中性點(diǎn)不接地的供電方案，這樣的電網(wǎng)線(xiàn)路中，負(fù)荷設(shè)備的對(duì)地電容將直接影響整個(gè)電網(wǎng)的單相接地電流。電網(wǎng)中各個(gè)負(fù)荷端的實(shí)際供電間距較短，所以通常情況下不容易發(fā)生接地點(diǎn)的電弧燃燒現(xiàn)象。但若是電網(wǎng)中某一負(fù)荷的其中一相被短接接地，那么會(huì)直接導(dǎo)致另外兩相的對(duì)地電壓驟升至原本的 倍，導(dǎo)致其他兩相過(guò)載運(yùn)行。由于煤礦電網(wǎng)的電纜線(xiàn)路以及各個(gè)負(fù)載設(shè)備長(zhǎng)期處于條件惡劣的井下作業(yè)環(huán)境，實(shí)際有效保養(yǎng)存在一定客觀難度，因此若相線(xiàn)局部存在著破損或薄弱點(diǎn)位，那么很容易因絕緣失效或擊穿導(dǎo)致二相接地短路或者相間短路，從而影響整個(gè)煤礦智能電網(wǎng)的安全運(yùn)行。

1.2接地保護(hù)功能的不足問(wèn)題

煤礦電網(wǎng)的接地保護(hù)功能主要是通過(guò)橫向選擇與縱向選擇的工作原理實(shí)現(xiàn)的，其中橫向選擇是指在各級(jí)接地保護(hù)裝置的支路上利用單臺(tái)微機(jī)來(lái)生成選擇保護(hù)邏輯，進(jìn)而提高電網(wǎng)接地保護(hù)動(dòng)作的選線(xiàn)可靠性的。而縱向選擇則是指上級(jí)用電負(fù)荷與下級(jí)用電負(fù)荷之間，依靠電位、電容、電流等電網(wǎng)運(yùn)行檢測(cè)信息的生成時(shí)間差來(lái)提供故障支路信息。但這種電網(wǎng)組網(wǎng)方案存在的主要問(wèn)題在于，由于單臺(tái)微機(jī)保護(hù)裝置在電網(wǎng)中交互聯(lián)動(dòng)性較差，難以獲得其他支路的運(yùn)行情況，因此難以很好地完成線(xiàn)路的橫向保護(hù)功能[1]。且另一方面，整個(gè)煤礦接地保護(hù)網(wǎng)的保護(hù)動(dòng)作值設(shè)定上，都必須要依照電纜與設(shè)備的絕緣參數(shù)以及接地安裝方案不同來(lái)做出適應(yīng)調(diào)整，因此在煤礦電網(wǎng)中一旦出現(xiàn)更換、拆換或新接入某些大負(fù)載機(jī)械設(shè)備，很容易導(dǎo)致上下級(jí)負(fù)載配合動(dòng)作參數(shù)設(shè)置出現(xiàn)錯(cuò)誤，使得單微機(jī)保護(hù)裝置無(wú)法合理完成縱向選擇保護(hù)功能。上述兩方面問(wèn)題，經(jīng)常導(dǎo)致煤礦電網(wǎng)的接地保護(hù)選擇性失效問(wèn)題，使電網(wǎng)出現(xiàn)誤掉閘、誤跳脫或者切斷不及時(shí)的問(wèn)題。

2. 基于智能電網(wǎng)的選擇性接地保護(hù)優(yōu)化策略

2.1諧波繼電保護(hù)故障支路判斷

煤礦智能高壓電網(wǎng)的接地故障支路的選擇判斷，可以借助諧波繼電保護(hù)來(lái)實(shí)現(xiàn)。它的基本選線(xiàn)保護(hù)原理為如下：

當(dāng)煤礦電網(wǎng)某處負(fù)載端或線(xiàn)纜出現(xiàn)相線(xiàn)接地故障時(shí)，由于絕緣層破損或者燒焦導(dǎo)致線(xiàn)阻值出現(xiàn)不規(guī)律變化，使局部線(xiàn)路具有了非線(xiàn)性電阻的特性。此時(shí)盡管煤礦的輸出電源的電勢(shì)為基波，但故障支路中卻出現(xiàn)了諧波分量，而在故障支路接地相中，由于接地端也具有電阻非線(xiàn)性變化的特性，會(huì)綜合引起故障支路的諧波分量增大[2]。這種諧波電流分量出現(xiàn)時(shí)，會(huì)導(dǎo)致電網(wǎng)變壓器的勵(lì)磁電流增大，加劇煤礦電網(wǎng)的輸電損耗，所以在不同支路的負(fù)載端分別接入一個(gè)諧波電流斷相保護(hù)裝置，就可以在煤礦電網(wǎng)出現(xiàn)接地故障時(shí)迅速反應(yīng)切斷故障支路。這種諧波電流斷相器的內(nèi)部，由一個(gè)電流互感器與次級(jí)燒組串聯(lián)組成諧波檢測(cè)裝置，由于三次諧波電流始終為同相位，所以這個(gè)斷相器本身相當(dāng)于零序系統(tǒng)。當(dāng)支路處于正常工況時(shí)，繼電器在速飽和電流互感器的動(dòng)作指令下吸合繼電器兩端，斷相器抱死維持線(xiàn)路供電;而當(dāng)支路出現(xiàn)接地故障產(chǎn)生諧波分量時(shí)，此時(shí)故障支路缺相，互感器釋放使故障支路斷開(kāi)供電。但這種基于諧波繼電保護(hù)的選線(xiàn)邏輯只能檢測(cè)出煤礦電網(wǎng)的故障支路，無(wú)法檢測(cè)出故障發(fā)生的實(shí)際部位，所以還需要借助其他保護(hù)裝置動(dòng)作來(lái)實(shí)現(xiàn)故障點(diǎn)位選擇性功能。

2.1零序全電流功率方向故障點(diǎn)位判斷

從上文煤礦電網(wǎng)的運(yùn)行實(shí)際分析，想要保證電網(wǎng)的接地保護(hù)功能的選線(xiàn)準(zhǔn)確性，就必須要采用集中保護(hù)的方式，在整個(gè)接地保護(hù)網(wǎng)中建立信息共享，依靠全站底層數(shù)據(jù)的數(shù)字共享來(lái)優(yōu)化故障點(diǎn)位判斷邏輯。在此基礎(chǔ)上，零序全電流功率方向判斷電網(wǎng)接地的基本原理與依據(jù)為如下：

當(dāng)煤礦電網(wǎng)出現(xiàn)局部接地故障時(shí)，由于中性點(diǎn)不接地，所以此時(shí)接地故障相線(xiàn)相比于正常相線(xiàn)來(lái)說(shuō)零序電壓滯后90°，那么若是將整個(gè)電網(wǎng)的基準(zhǔn)零序電壓為坐標(biāo)縱軸，將相線(xiàn)之間的零序電壓矢量變化作為坐標(biāo)橫軸，那么此時(shí)任何一相都存在著對(duì)地絕緣電阻的有功電流分量。而正常情況下的電網(wǎng)負(fù)載支路，零序全電流的有功功率分量理應(yīng)全部落于坐標(biāo)正半軸，所以根據(jù)各個(gè)支路的零序電壓與有功電流分項(xiàng)的象限分布，可以直接用于區(qū)分故障支路與非故障支路。當(dāng)接地保護(hù)電網(wǎng)中性點(diǎn)經(jīng)過(guò)消弧線(xiàn)圈的零序全電流功率矢量落在第一象限時(shí)，該支路為正常運(yùn)行狀態(tài)，反之則為故障支路。而零序全電流功率矢量在其他象限的分布i，還可以根據(jù)具體情況區(qū)分為過(guò)補(bǔ)、全補(bǔ)以及欠補(bǔ)三種動(dòng)作情況。

結(jié)語(yǔ)：綜上所述，在集中電氣量比較的選線(xiàn)策略下，煤礦智能電網(wǎng)的選擇性保護(hù)功能，主要由諧波繼電保護(hù)斷相器與微機(jī)控制的零序全電流功率方向檢測(cè)裝置來(lái)實(shí)現(xiàn)。其中前者負(fù)責(zé)檢測(cè)出高壓電網(wǎng)中存在的接地故障支路，后者則根據(jù)故障支路中的零序電壓與全電流功率矢量變化區(qū)分故障點(diǎn)位。這樣的選擇性接地保護(hù)方案的優(yōu)點(diǎn)在于適用范圍大、準(zhǔn)確性高、橫向縱向選擇可靠，進(jìn)而確保煤礦高壓智能電網(wǎng)得以長(zhǎng)期穩(wěn)定地供電，顯著提高煤礦井下供電系統(tǒng)的安全生產(chǎn)性能。

參考文獻(xiàn)：

[1]李建忠. 煤礦電網(wǎng)安全分析研究[D].中國(guó)礦業(yè)大學(xué)，2021.

[2]張斌.電網(wǎng)智能技術(shù)在煤礦供電系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].石化技術(shù)，2020，27（07）：144-145.