煤礦供電系統(tǒng)中繼電保護(hù)及故障檢測(cè)研究

黃振華

（中國煤炭科工集團(tuán)太原研究院有限公司，太原 030006）

0 引言

作為煤礦生產(chǎn)的主要?jiǎng)恿碓?，煤礦供電系統(tǒng)占據(jù)十分重要的位置。繼電保護(hù)系統(tǒng)是供電系統(tǒng)安全運(yùn)行的基本保障，采煤期間大多事故問題均與繼電保護(hù)裝置不正確使用存在直接或間接關(guān)系。對(duì)此，應(yīng)采用文獻(xiàn)分析與案例調(diào)查的方法，研究煤礦供電系統(tǒng)中繼電保護(hù)及故障檢測(cè)的具體情況，以保證供電系統(tǒng)的正常運(yùn)行［1］。相較于國外大型煤礦，中國供電系統(tǒng)中的繼電保護(hù)技術(shù)依然比較落后，安全方面相差較大，零件加工與設(shè)計(jì)理念也存在較多亟待解決的問題。對(duì)此，應(yīng)加大對(duì)煤礦供電系統(tǒng)中繼電保護(hù)技術(shù)的研究力度，及時(shí)采用合理科學(xué)的故障檢測(cè)方法，及時(shí)解決問題，從而確保供電系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。

1 煤礦供電系統(tǒng)繼電保護(hù)應(yīng)用

1.1 繼電保護(hù)類型

瓦斯保護(hù)裝置、電流保護(hù)裝置以及電壓保護(hù)裝置等均屬于常見的繼電保護(hù)裝置。瓦斯保護(hù)裝置主要應(yīng)用于油浸式變壓器供電系統(tǒng)，當(dāng)發(fā)生內(nèi)部故障時(shí)，線路會(huì)發(fā)生短路問題，電流產(chǎn)生的電弧會(huì)分解變壓器內(nèi)部油與絕緣物，產(chǎn)生氣體壓力，當(dāng)達(dá)到一定程度后，便會(huì)啟動(dòng)瓦斯保護(hù)裝置；電流保護(hù)裝置較為常見，當(dāng)電流量設(shè)定大于標(biāo)準(zhǔn)值時(shí)，系統(tǒng)會(huì)啟動(dòng)保護(hù)；欠壓、過電壓以及零序電壓保護(hù)等均屬于電壓保護(hù)裝置的組成部分，為了避免供電系統(tǒng)運(yùn)行期間出現(xiàn)瞬間電壓變化問題，供電系統(tǒng)應(yīng)有效采用電壓保護(hù)裝置，以免燒毀電力設(shè)備［2］。除了上述3種繼電保護(hù)裝置，差動(dòng)保護(hù)、方向保護(hù)以及距離保護(hù)等也屬于保護(hù)裝置。

1.2 繼電保護(hù)作用

煤礦開采期間較常使用電力能源，供電系統(tǒng)占據(jù)十分重要的位置，但實(shí)際運(yùn)行期間，供電系統(tǒng)較易發(fā)生短路故障問題，嚴(yán)重影響正常運(yùn)行，甚至還會(huì)降低企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益。對(duì)此，煤礦企業(yè)應(yīng)合理采用繼電保護(hù)措施，提高運(yùn)行的穩(wěn)定性。繼電保護(hù)裝置可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)煤礦供電系統(tǒng)的運(yùn)行情況，一旦發(fā)生故障，可以準(zhǔn)確及時(shí)地預(yù)測(cè)，并在整體供電系統(tǒng)中隔離故障部分。除此之外，繼電保護(hù)系統(tǒng)還可以監(jiān)控供電系統(tǒng)電氣設(shè)備的工作情況，及時(shí)預(yù)警異常工況，保證工作人員了解系統(tǒng)的運(yùn)行情況，從而采用合理的解決措施。

1.3 繼電保護(hù)要求

在煤礦生產(chǎn)過程中，供電系統(tǒng)具備十分重要的作用，具有可靠、選擇、靈敏以及速動(dòng)等特點(diǎn)。速動(dòng)指繼電保護(hù)裝置可以快速隔離并排除故障，避免損壞設(shè)備；靈敏指供電系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，繼電保護(hù)裝置可以針對(duì)故障類型有針對(duì)性地選擇保護(hù)措施［3］；可靠性指繼電保護(hù)裝置可以確保供電系統(tǒng)的穩(wěn)定安全運(yùn)行；選擇性指在供電系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，繼電保護(hù)裝置可以合理判斷并及時(shí)隔離。

2 煤礦供電系統(tǒng)常見故障及檢測(cè)方法

2.1 常見故障

短路故障在煤礦供電系統(tǒng)中最為常見，且還包括過熱故障、瓦斯故障以及電壓故障等問題，這些均會(huì)導(dǎo)致供電系統(tǒng)發(fā)生短路，降低電壓，嚴(yán)重影響供電系統(tǒng)與電力設(shè)備的正常運(yùn)行。

2.2 故障檢測(cè)方法

（1）短接檢測(cè)法

煤礦供電系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，工作人員判斷短接線情況，在一定范圍內(nèi)限定故障，切實(shí)提高故障檢測(cè)效率。供電系統(tǒng)電路回路開路一般采用短接檢測(cè)方法，繼電器不動(dòng)作時(shí)也會(huì)發(fā)生保護(hù)行為。

（2）替換檢測(cè)法

煤礦供電系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，故障元件可以利用新元件或正常元件替換，以明確故障發(fā)生范圍。

（3）參照檢測(cè)法

工作人員在確定故障范圍時(shí)應(yīng)利用正常與非正常技術(shù)進(jìn)行參數(shù)對(duì)比，以判斷接線錯(cuò)誤類型。比如在校正定值時(shí)，當(dāng)檢測(cè)值與預(yù)期值存在差異時(shí)，無法準(zhǔn)確判斷故障原因，此時(shí)便可以采用參照檢測(cè)方法。

（4）直觀檢測(cè)法

煤礦供電系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，應(yīng)觀察跳閘線圈或合閘接觸器的工作情況，判斷回路是否存在故障［4］。當(dāng)繼電器內(nèi)部發(fā)黃時(shí)，工作人員可以直接聞元件的味道，根據(jù)燒焦味道明確故障的發(fā)生位置。

3 煤礦供電系統(tǒng)繼電保護(hù)措施

煤礦供電系統(tǒng)在發(fā)生故障問題時(shí)，應(yīng)采用科學(xué)方法進(jìn)行檢測(cè)，采用繼電保護(hù)措施，以便及時(shí)準(zhǔn)確切除，避免發(fā)生大面積的停電事故。繼電保護(hù)措施主要包括單相接地故障保護(hù)措施、過電流速斷保護(hù)措施以及過負(fù)荷保護(hù)措施。

3.1 過負(fù)荷保護(hù)措施

煤礦供電系統(tǒng)運(yùn)行過程中較易發(fā)生過負(fù)荷故障問題，且大多由重載啟動(dòng)因素引起。當(dāng)保持在允許溫度范圍內(nèi)時(shí)，供電系統(tǒng)中的電力設(shè)備會(huì)繼續(xù)運(yùn)行，因此變壓器、電動(dòng)機(jī)等電力設(shè)備均具備過載能力。當(dāng)負(fù)荷電流過大，超出允許范圍時(shí)，則極易引起負(fù)荷故障問題，從而影響供電系統(tǒng)的正常運(yùn)行。為了有效保護(hù)供電系統(tǒng)各元件，減少過流發(fā)生時(shí)間，應(yīng)及時(shí)采用繼電保護(hù)裝置，完成過負(fù)荷保護(hù)動(dòng)作，降低負(fù)荷故障的發(fā)生幾率。

3.2 過電流與電流速斷保護(hù)措施

煤礦供電系統(tǒng)運(yùn)行期間，井下電纜相間短路會(huì)導(dǎo)致過電流與電流速斷問題，以致瞬間增大母線電流，降低電壓。在發(fā)生此類故障后，短時(shí)間內(nèi)煤礦供電系統(tǒng)中的電力設(shè)備便會(huì)被燒毀。過電流與電流速斷會(huì)嚴(yán)重影響供電系統(tǒng)的正常運(yùn)行，此時(shí)繼電保護(hù)裝置可以迅速啟動(dòng)，及時(shí)隔斷危害，以便在元件通過最大負(fù)荷電流時(shí)，可以及時(shí)切除區(qū)外短路故障，自動(dòng)返回速寫裝置。電流速斷保護(hù)裝置主要被應(yīng)用至煤礦地面變電所中，計(jì)算動(dòng)作值時(shí)應(yīng)以保護(hù)區(qū)末端最小運(yùn)行方式為依據(jù)，整定三相短路電流值［5］。

3.3 單相接地保護(hù)措施

單相接地故障在煤礦供電系統(tǒng)中較為常見，因此應(yīng)在地面與井下變電所高壓饋線安裝單相接地保護(hù)裝置，以便準(zhǔn)確顯示故障支路情況，及時(shí)預(yù)警，準(zhǔn)確采用處理措施，避免事故進(jìn)一步擴(kuò)大。

4 煤礦供電系統(tǒng)中繼電保護(hù)案例分析

4.1 榆陽區(qū)某煤礦供電系統(tǒng)情況

本礦變電所屬于終端變電所，只為此煤礦供電，原設(shè)計(jì)總負(fù)荷容量為7 500 kVA，兩臺(tái)各8 000 kVA的主變壓器分列運(yùn)行。隨著煤礦開采量的不斷增加，分列運(yùn)行變電所無法滿足煤礦的生產(chǎn)需求，較易出現(xiàn)故障問題，應(yīng)增加繼電保護(hù)裝置。

4.2 繼電保護(hù)接地系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則

（1）36 kV以上的電氣設(shè)備，絕緣損壞會(huì)導(dǎo)致危險(xiǎn)電壓的產(chǎn)生，此時(shí)必須安裝接地保護(hù)裝置，相互連接鉛護(hù)套，禁止將幾臺(tái)設(shè)備串聯(lián)接地。且所有接地的電氣設(shè)備與局部接地裝置應(yīng)與井下地極形成總接地網(wǎng)，為電氣設(shè)備安裝接地母線，且電纜接地芯線主要功能為監(jiān)視接地回路，不能兼具其他功能。

（2）煤礦繼電保護(hù)應(yīng)采用零序保護(hù)、過電流保護(hù)以及無時(shí)限電流速斷方法。其中在使用速斷保護(hù)裝置時(shí)應(yīng)避免出現(xiàn)三相短路電流，盡可能增大母線電壓［6］。

4.3 煤礦供電系統(tǒng)設(shè)計(jì)

（1）煤礦綜采工作面應(yīng)設(shè)置局部接地極與進(jìn)回風(fēng)巷口，為回風(fēng)巷每個(gè)高壓連接器設(shè)置局部接地極，并將1 組局部接地極集中安裝至3臺(tái)以上電力設(shè)備中。

（2）接地網(wǎng)保護(hù)接地點(diǎn)的電阻不得超過20 Ω。

（3）電氣設(shè)備的接地保護(hù)裝置不得采用鍍鋅扁鐵制作材料。

（4）工作人員應(yīng)根據(jù)《煤礦安全規(guī)程》設(shè)置局部接地極組與接地部件材質(zhì)的幾何參數(shù)，且連接導(dǎo)線與接地導(dǎo)線不得利用鋁導(dǎo)體材料。

（5）應(yīng)在潮濕處埋設(shè)局部接地極，且采用鍍鋅鋼管，幾何尺寸的直徑為42 mm，長(zhǎng)度不得小于5 m。在鋼管上鉆直徑為5 mm的透眼，埋設(shè)于地下，且接地母線還應(yīng)采用裸銅線與鍍鋅鋼材，局部接地外露長(zhǎng)度不得小于100 mm［7］。

（6）應(yīng)將接地極安裝至低壓饋電開關(guān)、照明綜保等設(shè)備，保證輔助接地極與局部接地極的距離超過5 m，且輔助母線電纜截面積不得小于25 mm2。除此之外，工作人員應(yīng)為主水泵房設(shè)置主接地極，在配電點(diǎn)分設(shè)局部接地極，連接電纜接地芯線與專用接地線，形成接地網(wǎng)，可靠連接電氣設(shè)備金屬外殼與接地網(wǎng)，保證接地電阻小于2 Ω［8］。

5 結(jié)束語

本文以榆陽區(qū)某煤礦供電系統(tǒng)為例，分析了繼電保護(hù)技術(shù)在供電系統(tǒng)中的具體應(yīng)用，針對(duì)性地提出了優(yōu)化配置方案，明確了設(shè)置局部接地極與進(jìn)回風(fēng)巷口、電氣設(shè)備不得使用鍍鋅扁鐵制作材料以及低壓饋電開關(guān)安裝地極等措施，以期更好地解決供電系統(tǒng)的故障檢測(cè)問題，保證其安全穩(wěn)定運(yùn)行。