基于智能變電站的煤礦高壓電網選擇性接地保護探究

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的運行實際來看，當前階段存在的主要問題是電網接地保護功能的適用性范圍過窄，以及實現接地保護原理本身的技術缺陷問題導致的選擇性失效?；诖?，本文首先對煤礦電網的運行環(huán)境以及單片微機保護的不足問題進行分析，而后提出實現零序全電流多支路方向判定功能的電網優(yōu)化策略，希望可以為提高煤礦供電系統(tǒng)運行的安全可靠性能，提供一些理論幫助。

關鍵詞：智能變電站;煤礦高壓電網;選擇性接地

前言：井工開采的礦場在智能變電站高壓電網建設時，為了避免一些大型功率機械設備或者電纜電線因絕緣層破壞失效，導致人員觸電、機械損壞、瓦斯爆炸或井下發(fā)火，通常會將接入6kV高壓電網的所有負荷設備不帶電部分的金屬外殼進行接地保護，這樣的接地保護網可以限制故障支路的大電流現象。因此深入探究煤礦的高壓電網選擇性接地保護方案，是煤礦高壓電網安全運行生產的重要保障。

1. 煤礦智能電網的運行分析

1.1電網接地故障問題分析

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

1.2接地保護功能的不足問題

煤礦電網的接地保護功能主要是通過橫向選擇與縱向選擇的工作原理實現的，其中橫向選擇是指在各級接地保護裝置的支路上利用單臺微機來生成選擇保護邏輯，進而提高電網接地保護動作的選線可靠性的。而縱向選擇則是指上級用電負荷與下級用電負荷之間，依靠電位、電容、電流等電網運行檢測信息的生成時間差來提供故障支路信息。但這種電網組網方案存在的主要問題在于，由于單臺微機保護裝置在電網中交互聯動性較差，難以獲得其他支路的運行情況，因此難以很好地完成線路的橫向保護功能[1]。且另一方面，整個煤礦接地保護網的保護動作值設定上，都必須要依照電纜與設備的絕緣參數以及接地安裝方案不同來做出適應調整，因此在煤礦電網中一旦出現更換、拆換或新接入某些大負載機械設備，很容易導致上下級負載配合動作參數設置出現錯誤，使得單微機保護裝置無法合理完成縱向選擇保護功能。上述兩方面問題，經常導致煤礦電網的接地保護選擇性失效問題，使電網出現誤掉閘、誤跳脫或者切斷不及時的問題。

2. 基于智能電網的選擇性接地保護優(yōu)化策略

2.1諧波繼電保護故障支路判斷

煤礦智能高壓電網的接地故障支路的選擇判斷，可以借助諧波繼電保護來實現。它的基本選線保護原理為如下：

當煤礦電網某處負載端或線纜出現相線接地故障時，由于絕緣層破損或者燒焦導致線阻值出現不規(guī)律變化，使局部線路具有了非線性電阻的特性。此時盡管煤礦的輸出電源的電勢為基波，但故障支路中卻出現了諧波分量，而在故障支路接地相中，由于接地端也具有電阻非線性變化的特性，會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時，會導致電網變壓器的勵磁電流增大，加劇煤礦電網的輸電損耗，所以在不同支路的負載端分別接入一個諧波電流斷相保護裝置，就可以在煤礦電網出現接地故障時迅速反應切斷故障支路。這種諧波電流斷相器的內部，由一個電流互感器與次級燒組串聯組成諧波檢測裝置，由于三次諧波電流始終為同相位，所以這個斷相器本身相當于零序系統(tǒng)。當支路處于正常工況時，繼電器在速飽和電流互感器的動作指令下吸合繼電器兩端，斷相器抱死維持線路供電;而當支路出現接地故障產生諧波分量時，此時故障支路缺相，互感器釋放使故障支路斷開供電。但這種基于諧波繼電保護的選線邏輯只能檢測出煤礦電網的故障支路，無法檢測出故障發(fā)生的實際部位，所以還需要借助其他保護裝置動作來實現故障點位選擇性功能。

2.1零序全電流功率方向故障點位判斷

從上文煤礦電網的運行實際分析，想要保證電網的接地保護功能的選線準確性，就必須要采用集中保護的方式，在整個接地保護網中建立信息共享，依靠全站底層數據的數字共享來優(yōu)化故障點位判斷邏輯。在此基礎上，零序全電流功率方向判斷電網接地的基本原理與依據為如下：

當煤礦電網出現局部接地故障時，由于中性點不接地，所以此時接地故障相線相比于正常相線來說零序電壓滯后90°，那么若是將整個電網的基準零序電壓為坐標縱軸，將相線之間的零序電壓矢量變化作為坐標橫軸，那么此時任何一相都存在著對地絕緣電阻的有功電流分量。而正常情況下的電網負載支路，零序全電流的有功功率分量理應全部落于坐標正半軸，所以根據各個支路的零序電壓與有功電流分項的象限分布，可以直接用于區(qū)分故障支路與非故障支路。當接地保護電網中性點經過消弧線圈的零序全電流功率矢量落在第一象限時，該支路為正常運行狀態(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，還可以根據具體情況區(qū)分為過補、全補以及欠補三種動作情況。

結語：綜上所述，在集中電氣量比較的選線策略下，煤礦智能電網的選擇性保護功能，主要由諧波繼電保護斷相器與微機控制的零序全電流功率方向檢測裝置來實現。其中前者負責檢測出高壓電網中存在的接地故障支路，后者則根據故障支路中的零序電壓與全電流功率矢量變化區(qū)分故障點位。這樣的選擇性接地保護方案的優(yōu)點在于適用范圍大、準確性高、橫向縱向選擇可靠，進而確保煤礦高壓智能電網得以長期穩(wěn)定地供電，顯著提高煤礦井下供電系統(tǒng)的安全生產性能。

參考文獻：

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

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