基于快速斷電技術(shù)的防越級跳閘方案分析

祁吉成，李亞松，鄭 達(dá)

（中國礦業(yè)大學(xué)（北京） 機(jī)電與信息工程學(xué)院，北京 100083）

0 引 言

煤礦井下供電網(wǎng)絡(luò)多為多級輻射狀供電系統(tǒng)，線路距離較短，發(fā)生短路故障時(shí)，上下級電流差值小，在目前井下斷路器切除故障出口時(shí)間較長的情況下，動(dòng)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(chǎn)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(lián)差動(dòng)保護(hù)的越級跳閘解決方案、基于電氣信號(hào)閉鎖保護(hù)的防越級跳閘解決方案以及基于總站與分站保護(hù)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(yīng)用案例，但是都需要以可靠快速的通信線路為基礎(chǔ)。隨著開關(guān)技術(shù)的發(fā)展，可設(shè)計(jì)出切除故障出口時(shí)間小于10 ms的快速斷電裝置。在目前供電部門允許短路時(shí)間小于0.5 s的情況下，煤礦井下越級跳閘主要是現(xiàn)有斷路器關(guān)斷速度太慢引起整定困難所導(dǎo)致。因此充分利用固態(tài)斷路器技術(shù)具有快速關(guān)斷特性和易于整定的優(yōu)點(diǎn)，無疑是解決越級跳閘的一個(gè)有效思路。

本文基于現(xiàn)有的《煤礦安全規(guī)程》要求，結(jié)合當(dāng)前的固態(tài)斷路器快速斷電技術(shù)，提出了解決防短路引起的越級跳閘解決方案，并進(jìn)行了可行性分析[5]。

1 快速斷電技術(shù)闡述

根據(jù)技術(shù)路線的區(qū)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(tài)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(shí)現(xiàn)應(yīng)用，具有應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)豐富且技術(shù)成熟的優(yōu)點(diǎn)，但存在分?jǐn)鄷r(shí)間長和限流效果差等問題[7-9]。針對礦井供電系統(tǒng)斷電裝置的快速性問題，中國礦業(yè)大學(xué)（北京）成功研制了基于DSP的煤礦井下快速斷電開關(guān)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(tài)斷路器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，能夠?qū)崿F(xiàn)全切斷時(shí)間不大于3 ms的目標(biāo)[10]。但是，固態(tài)斷路器在正常工作時(shí)，由IGBT承擔(dān)額定電流，與機(jī)械開關(guān)相比存在通態(tài)損耗大和價(jià)格昂貴的缺點(diǎn)。

近年來，混合型斷路器在直流輸配電領(lǐng)域成為研究熱點(diǎn)，很多學(xué)者提出不同的電路拓?fù)浜图夹g(shù)方案[11,12]。相較于固態(tài)斷路器，混合型斷路器在正常工作時(shí)，由機(jī)械開關(guān)支路承擔(dān)額定電流，開關(guān)通態(tài)損耗小，具有良好的靜態(tài)特性。當(dāng)需要分閘時(shí)，電流轉(zhuǎn)移至固態(tài)開關(guān)支路，利用電流換路減小電弧燃燒時(shí)間來縮短機(jī)械開關(guān)分?jǐn)鄷r(shí)間，具有良好的動(dòng)態(tài)特性。本文采用基于晶閘管的混合型斷路器的電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，具有雙向分?jǐn)嗟墓δ埽虼丝蓱?yīng)用在交流場合的礦井供電系統(tǒng)[13]。

2 快速斷電技術(shù)在防越級跳閘中的應(yīng)用分析

由于煤礦井下供電系統(tǒng)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(hù)和自動(dòng)裝置設(shè)計(jì)規(guī)范》中規(guī)定，當(dāng)過流保護(hù)的動(dòng)作時(shí)限大于0.5～0.7 s時(shí)，應(yīng)裝設(shè)瞬時(shí)電流速斷保護(hù)，國家電網(wǎng)對電力系統(tǒng)末端負(fù)荷保護(hù)時(shí)間要求一般不超過0.5 s，因此整個(gè)保護(hù)系統(tǒng)的最大動(dòng)作時(shí)間不能超過0.5 s。而基于換流技術(shù)的混合型斷路器，切除故障出口時(shí)間大多小于10 ms，在多級供電線路中，上下相鄰兩級動(dòng)作時(shí)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(tǒng)的設(shè)置縱向時(shí)間極差的整定方法進(jìn)行整定來防止越級跳閘。

2.1 煤礦井下供電系統(tǒng)保護(hù)分析

根據(jù)煤礦井下多級式供電系統(tǒng)要求，井下每級供電系統(tǒng)都應(yīng)該配有保護(hù)裝置。以三級式煤礦井下供電系統(tǒng)為例，整個(gè)供電系統(tǒng)中的一回路保護(hù)裝置位置如圖1所示。其中自地面變電所至移動(dòng)變電站，負(fù)荷端共有中央變電所、采區(qū)一所以及采區(qū)二所三級。

圖1 煤礦井下保護(hù)裝置安裝位置圖

當(dāng)?shù)谝患壴O(shè)置為電流速斷保護(hù)，保護(hù)裝置可在半個(gè)工頻周期內(nèi)檢測到短路故障并發(fā)出分閘信號(hào)，考慮到保護(hù)裝置分閘時(shí)間，第一級斷開時(shí)間為不大于25 ms，考慮到一定裕度，第一級最大分閘時(shí)間為35 ms。若每一級時(shí)間極差設(shè)置為90 ms，那么各級斷路器動(dòng)作時(shí)限關(guān)系如圖2所示，圖中以中央變電所為中心，移動(dòng)變電站為遠(yuǎn)距離端，t1為最遠(yuǎn)端發(fā)生短路時(shí)第一級保護(hù)的分閘時(shí)間。

圖2 各級斷路器動(dòng)作時(shí)限關(guān)系

在每級級差Δt為90 ms的情況下，整個(gè)煤礦供電系統(tǒng)一共可設(shè)置為六級，從圖中可以看出，采區(qū)發(fā)生短路故障時(shí)，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(tǒng)對最大動(dòng)作時(shí)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(tǒng)為例對幾種防越級跳閘方案進(jìn)行分析。越級跳閘現(xiàn)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(fù)荷保護(hù)裝置設(shè)置為電流速斷保護(hù)，在自地面回路到井下中央變電所的保護(hù)裝置設(shè)置為時(shí)限0.5 s的定時(shí)限限流保護(hù)，而中間各級根據(jù)各煤礦井下供電系統(tǒng)的構(gòu)成分別設(shè)置定時(shí)限限流保護(hù)。在圖2中，一級設(shè)置為限流速斷保護(hù)，第二級設(shè)置為含0.2 s延時(shí)的定時(shí)限限流保護(hù)，第三級設(shè)置為含0.4 s延時(shí)的定時(shí)限限流保護(hù)，每一級保護(hù)裝置限流整定值設(shè)置為本級線路末端發(fā)生短路電流最小值。另外，考慮到煤礦井下異步電機(jī)啟動(dòng)電流可達(dá)額定工作電流的4～7倍，當(dāng)啟動(dòng)電流值大于保護(hù)裝置短路電流整定值時(shí)會(huì)造成斷路器的誤動(dòng)作，因此限流保護(hù)整定時(shí)間需要躲過異步電機(jī)啟動(dòng)沖擊電流時(shí)間，而異步電機(jī)的啟動(dòng)時(shí)間一般大于0.5 s，所以不能通過延長保護(hù)裝置的動(dòng)作時(shí)間來解決由電機(jī)啟動(dòng)引起的保護(hù)裝置誤動(dòng)作。由于煤礦井下供電系統(tǒng)中的負(fù)載均為感性負(fù)載，在電機(jī)啟動(dòng)時(shí)的功率因數(shù)較低，一般都低于0.5，而短路故障發(fā)生時(shí)功率因數(shù)在0.9以上，因此通過判斷電壓電流幅值和相位關(guān)系即可區(qū)分短路故障和電機(jī)啟動(dòng)。短路故障時(shí)和電機(jī)啟動(dòng)時(shí)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(fā)生短路故障時(shí)，故障相間線電壓為零，而異步電機(jī)啟動(dòng)時(shí)三相線電壓不為零，因此當(dāng)有線路電流超過設(shè)定閾值時(shí)，只要判斷是否有線電壓為零即可分辨出電機(jī)啟動(dòng)與短路故障。即便如此，異步電機(jī)啟動(dòng)時(shí)也要避免重載直接啟動(dòng)，應(yīng)采取合適的啟動(dòng)方式防止電流過大對電機(jī)和供電系統(tǒng)造成危害，同時(shí)也需要相應(yīng)的過載保護(hù)使電機(jī)安全穩(wěn)定運(yùn)行。

但是過載保護(hù)也可能引起越級跳閘，一般過載保護(hù)動(dòng)作時(shí)間與線路電流幅值成反比，當(dāng)脫扣器過載保護(hù)特性設(shè)計(jì)不合理時(shí)就可能發(fā)生越級跳閘現(xiàn)象。按照經(jīng)驗(yàn)，過載倍數(shù)β與允許過載時(shí)間t的關(guān)系為：

式中，α為電機(jī)繞組允許升溫倍數(shù)，一般取1.2。除此之外，若在不同供電級過載保護(hù)中加設(shè)相應(yīng)的延時(shí)動(dòng)作時(shí)間tx，既能實(shí)現(xiàn)過載保護(hù)功能，又能有效防止越級跳閘現(xiàn)象的發(fā)生。β與t關(guān)系為：

另外，為防止煤礦井下帶載起動(dòng)和保護(hù)異步電動(dòng)機(jī)，煤礦供電系統(tǒng)的高低壓開關(guān)均設(shè)有高低壓脫扣器。MT871—2011《礦用防爆低壓交流真空饋電開關(guān)》中指出，當(dāng)脫扣器的電壓在其額定控制電源電壓值的35%～70%時(shí)，應(yīng)引起饋電開關(guān)跳閘。針對由短路故障引起的欠電壓保護(hù)越級跳閘，使用基于快速斷電技術(shù)的保護(hù)裝置可在0.5 s內(nèi)將故障切除，因此使欠電壓保護(hù)裝置的動(dòng)作時(shí)間帶有0.5 s以上的動(dòng)作延時(shí)即可防止欠電壓保護(hù)越級跳閘。同樣針對雷電影響時(shí)間短的特點(diǎn)，使欠電壓保護(hù)整定時(shí)間躲過雷電的最大影響時(shí)間。雷電持續(xù)時(shí)間約為0.01 s，遠(yuǎn)小于0.5 s，因此若采用有0.5 s延時(shí)動(dòng)作的欠電壓保護(hù)即可防止因欠電壓保護(hù)引起的越級跳閘。

除此之外，發(fā)生漏電故障時(shí)，漏電保護(hù)也可能引起越級跳閘。煤礦電網(wǎng)在中性點(diǎn)不接地運(yùn)行方式下發(fā)生漏電故障時(shí)，從故障線路到接近電源側(cè)聯(lián)絡(luò)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(hù)通過采用時(shí)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(kuò)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(shí)應(yīng)裝設(shè)消弧線圈，而消弧線圈一般在過補(bǔ)償狀態(tài)，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(shí)使漏電保護(hù)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(hù)技術(shù)還在不斷研究和發(fā)展中，各種保護(hù)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(xiàn)有漏電保護(hù)裝置性能，可通過減小斷路器分?jǐn)鄷r(shí)間來提高中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)漏電保護(hù)縱向選擇可靠性，同時(shí)也能為新型保護(hù)原理的實(shí)施提供有利的條件。

3 結(jié) 論

在煤礦供電系統(tǒng)中，由于發(fā)生越級跳閘會(huì)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(jìn)行了闡述，針對其存在的問題，本文提出基于快速斷電技術(shù)的防短路越級跳閘方案。