煤礦短距離供電線路瞬時速斷保護(hù)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(tǒng)的各種輸配電設(shè)備以及供電線路可能出現(xiàn)故障和非正常運行狀態(tài)，最常見的有接地、斷線、短路等，其中破壞性最強(qiáng)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(fā)生短路事故時，電弧火花不但使線路燒毀、設(shè)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(tǒng)瓦解，造成大面積停電。更為嚴(yán)重的是在爆炸氣體環(huán)境中容易引發(fā)瓦斯、煤塵等爆炸，引發(fā)重大安全生產(chǎn)事故，造成人員傷亡并帶來不可估量的經(jīng)濟(jì)損失。

引入繼電保護(hù)是為了及時處理電力系統(tǒng)故障和預(yù)警非正常運行狀態(tài)。它是一種能檢測電力系統(tǒng)發(fā)生故障并能切除故障或?qū)Σ徽５倪\行狀態(tài)發(fā)出警示的自動化裝置，一般來講，繼電保護(hù)裝置必須在技術(shù)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(tǒng)一，所以在繼電保護(hù)方面各個環(huán)節(jié)都要根據(jù)運行的需要協(xié)調(diào)關(guān)系，才能發(fā)揮最大保護(hù)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(hù)、限時電流速斷保護(hù)、定時限過電流保護(hù)構(gòu)成一套完整的保護(hù)。其中電流速斷保護(hù)不帶延時，為瞬時性，反應(yīng)最快，要求在發(fā)生故障時第一時間做出保護(hù)動作。筆者在所在單位作為供電系統(tǒng)管理人員，負(fù)責(zé)整定計算工作，在整定瞬時電流速斷的保護(hù)定值時，特別是選擇整定值的確定方法時發(fā)現(xiàn)一些誤區(qū)和實際計算方式與理論的偏差，在這里根據(jù)瞬時電流速斷的保護(hù)原理作出分析，探討在極短距離輸電線路中，瞬時速斷保護(hù)的保護(hù)范圍和可靠性。

2 短路電流的計算和系統(tǒng)運行方式的確定

短路計算是繼電保護(hù)的基礎(chǔ)，根據(jù)電力系統(tǒng)的分析，系統(tǒng)發(fā)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(tǒng)運行方式下，短路電流的大小和短路發(fā)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(yuǎn)了，短路電流就小了。當(dāng)短路點距電源越遠(yuǎn)時，短路點至保護(hù)安裝處之間的阻抗Zk越大，短路電流Id越小，系統(tǒng)運行方式小。當(dāng)短路點距電源越近時，短路點至保護(hù)安裝處之間的阻抗Zk越小，短路電流Id越大，系統(tǒng)運行方式大，當(dāng)系統(tǒng)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(hù)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(hù)裝置來說，流過保護(hù)安裝處短路電流最大的方式視之為系統(tǒng)最大運行的方式，反之，則稱為系統(tǒng)最小運行方式。

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

3 瞬時電流速斷保護(hù)保護(hù)范圍與校驗

對于筆者所在的煤礦企業(yè)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(qū)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(wǎng)絡(luò)就會出現(xiàn)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(qū)分不明，容易造成保護(hù)范圍延長超過本級線路，甚至到變壓器的低壓側(cè)，在這種情況下，低壓側(cè)發(fā)生短路故障的時候，上級線路的瞬時速斷保護(hù)可能先于本級線路保護(hù)動作，如此則產(chǎn)生了越級跳閘。由此看出，前文所述繼電保護(hù)的需滿足的四項基本技術(shù)要求在實際應(yīng)用中比較難以兼顧，特別是選擇性和靈敏性更是不可調(diào)和。

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

3.1 保護(hù)裝置的動作電流

3.2 靈敏度校驗

保護(hù)動作的靈敏度是保護(hù)性能好壞的標(biāo)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(hù)裝置設(shè)定的整定值之比應(yīng)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(hù)范圍校驗，一般規(guī)定在最小運行方式下線路發(fā)生兩相短路時，瞬時速斷電流對線路的最小保護(hù)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(hù)范圍，km；Z1為被保護(hù)線路單位長度的阻抗，Ω/km；Uφ為系統(tǒng)等效電源的相電壓，V；Xs.min為系統(tǒng)在最小運行方式下所對應(yīng)的系統(tǒng)最大電抗值，Ω；Lmin%為瞬時電流速斷保護(hù)的最小保護(hù)范圍百分比；LA－B為被保護(hù)線路的全長，km。

綜上，線路瞬時速斷保護(hù)必須滿足最小保護(hù)范圍的規(guī)定和靈敏度要求。

3.3 舉例分析

煤礦采區(qū)供電線路長度是動態(tài)的，由采區(qū)變電所供工作面的線路長度隨著煤礦采煤工作面的推進(jìn)在不斷縮短，隨著線路的縮短，初始設(shè)定的線路瞬時速斷保護(hù)整定值是否還能滿足不小于被保護(hù)線路長度的15%，現(xiàn)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(dāng)線路長度LA－B=6 km時：

保護(hù)范圍能夠滿足要求。

當(dāng)線路長度LA－B=4 km時：

保護(hù)范圍已不能滿足要求。

當(dāng)線路長度為LA－B=2 km時：

此時，保護(hù)已經(jīng)沒有了動作范圍，不能起到保護(hù)作用。

4 結(jié)論

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