煤礦井下高壓供電保護(hù)整定分析及應(yīng)用

＊閆秀軍

（山西焦煤汾西礦業(yè)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司供用電分公司 山西 032000）

社會(huì)的飛速發(fā)展對(duì)煤炭的需求量越來越大，因此保證井下煤炭開采連續(xù)性，確保煤礦井下高壓供電系統(tǒng)的安全性、可靠性非常關(guān)鍵。供電保護(hù)整定計(jì)算直接關(guān)系到系統(tǒng)穩(wěn)定性?，F(xiàn)階段，國(guó)家電網(wǎng)和企業(yè)供電在地面供電系統(tǒng)保護(hù)方面有明確計(jì)算辦法，但計(jì)算依據(jù)大多依照實(shí)際情況而定，制定的規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一，導(dǎo)致在實(shí)際實(shí)踐中出現(xiàn)各類問題，諸如越級(jí)跳閘等，影響了系統(tǒng)運(yùn)行的平穩(wěn)性，因此要對(duì)煤礦井下高壓供電保護(hù)整定計(jì)算方法深入探討和分析。

1.煤礦井下高壓供電保護(hù)類型分析

(1)防過流保護(hù)類型

短路是煤礦井下高壓供電系統(tǒng)運(yùn)行期間出現(xiàn)頻率較高的問題，短路現(xiàn)象發(fā)生相對(duì)常見。如果線路有短路情況發(fā)生，電氣設(shè)備承擔(dān)的壓力會(huì)驟然上升，讓設(shè)備長(zhǎng)時(shí)間處在高負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)的狀態(tài)，而電網(wǎng)也會(huì)有過流現(xiàn)象產(chǎn)生，倘若這一問題不能及時(shí)解決，線路很有可能被燒斷，由此而引發(fā)火災(zāi)事故。為了能將這種過流現(xiàn)象快速處理，工作人員首先要分析線路的運(yùn)行環(huán)境和實(shí)際情況，對(duì)過載或者短路兩種保護(hù)方式靈活應(yīng)用，從根源上將過流現(xiàn)象出現(xiàn)的概率加以降低[1]。

(2)防漏電保護(hù)類型

在煤礦高壓供電網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)運(yùn)行環(huán)節(jié)，電網(wǎng)周圍會(huì)安裝絕緣子，達(dá)到對(duì)電網(wǎng)合理保護(hù)的目的，避免系統(tǒng)出現(xiàn)故障問題。由于絕緣子在中間有電阻，在供電設(shè)備的長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行下，內(nèi)部溫度的逐步升高，使得絕緣子性能持續(xù)降低，長(zhǎng)此以往，很有可能導(dǎo)致絕緣子發(fā)生漏電問題。所以要做好相應(yīng)的漏電保護(hù)，保證問題不會(huì)出現(xiàn)擴(kuò)大或者蔓延[2]。

(3)接地保護(hù)類型

接地保護(hù)的實(shí)現(xiàn)可以起到對(duì)電氣設(shè)備有效保護(hù)的目的，不會(huì)因?yàn)榻^緣金屬外殼損壞而導(dǎo)致設(shè)備帶電工作，對(duì)煤礦井下高壓供電系統(tǒng)的安全且穩(wěn)定運(yùn)行有很大作用。但如果系統(tǒng)在運(yùn)行期間出現(xiàn)接地，很有可能威脅到人們的生命安全，相關(guān)技術(shù)人員在處理和操作時(shí)，應(yīng)該采取切實(shí)可行的辦法進(jìn)行保護(hù)。通過對(duì)接地保護(hù)措施的靈活應(yīng)用，電氣設(shè)備的運(yùn)轉(zhuǎn)能更加安全，產(chǎn)生的電流能始終保持在人體接受的范圍內(nèi)[3]。

(4)高壓和欠壓保護(hù)類型

在高壓環(huán)境下，供電設(shè)備在運(yùn)行期間不可避免被大電流干擾，如果設(shè)備的運(yùn)行時(shí)間長(zhǎng)，設(shè)備的無用功還會(huì)在無形之中增加，導(dǎo)致電氣設(shè)備的溫度持續(xù)上升，甚至?xí)沟么罅侩娏Y源被消耗。如果情況嚴(yán)重，電氣設(shè)備會(huì)有可能出現(xiàn)損壞問題。為將此類問題解決，應(yīng)該根據(jù)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，合理制定高壓保護(hù)措施，倘若電壓超過額定電壓，需要立刻啟動(dòng)供電保護(hù)裝置，避免問題發(fā)生，提高設(shè)備運(yùn)行可靠性與穩(wěn)定性。

2.煤礦井下高壓供電保護(hù)整定計(jì)算方法分析

(1)井下高壓供電保護(hù)整定

現(xiàn)階段，我國(guó)煤礦企業(yè)在發(fā)展期間，井下供電系統(tǒng)對(duì)6千伏或者4千伏高壓輸送模式的應(yīng)用比較普遍，將單臺(tái)變壓器或者多臺(tái)變壓器作為主要應(yīng)用設(shè)備。這些設(shè)備的保護(hù)整定必須要有明確的標(biāo)準(zhǔn)和要求，諸如動(dòng)作要具備較高靈敏度，可靠性和準(zhǔn)確性強(qiáng)等特點(diǎn)，能夠與國(guó)家制定的規(guī)范吻合。上下級(jí)之間要有后備保護(hù)作用，在計(jì)算沒有任何問題的情況下進(jìn)行整定。同時(shí)做好定期試驗(yàn)工作，如果負(fù)荷出現(xiàn)變化，高壓開關(guān)保護(hù)裝置要重新計(jì)算和整定，以免出現(xiàn)計(jì)算結(jié)果與實(shí)際不相符的情況，為設(shè)備的安全平穩(wěn)運(yùn)行提供保障。

(2)單臺(tái)干式變壓器防爆開關(guān)保護(hù)整定計(jì)算方法

煤礦井下供電系統(tǒng)的平穩(wěn)運(yùn)行離不開防爆開關(guān)或者高壓柜，能夠?yàn)樽儔浩魈峁┧桦娫?，所以在?duì)此類設(shè)備使用過程中，保護(hù)功能必須健全，具備過流、短路、接地等功能，具體過程如圖1所示。T1為沒有集成高壓開關(guān)的干式變壓器，在此類設(shè)備應(yīng)用階段，要單獨(dú)配備高壓防爆開關(guān)D1，保障設(shè)備運(yùn)行的平穩(wěn)性和安全性，減少不必要問題的發(fā)生。高壓防爆開關(guān)D1，在應(yīng)用期間要設(shè)置瞬時(shí)短路保護(hù)Ⅰ段，在此過程中，為避免出現(xiàn)跳閘、短路等情況發(fā)生，還要設(shè)置過載保護(hù)Ⅲ段，并確保Ⅲ段帶有時(shí)限，以此達(dá)到對(duì)保護(hù)實(shí)效性提升的目的。

圖1 煤礦井下帶單臺(tái)干式變壓器供電

①應(yīng)用合理的方式整定計(jì)算瞬時(shí)短路保護(hù)Ⅰ段。對(duì)不同保護(hù)裝置綜合分析，由于裝置的類型不同，瞬時(shí)短路保護(hù)Ⅰ段整定計(jì)算期間，應(yīng)用的計(jì)算方式存在很大差異，需要結(jié)合實(shí)際要求選擇計(jì)算方式。其中，在整定計(jì)算電磁式保護(hù)裝置期間，具體應(yīng)用的計(jì)算公式如下：

式中：

IIop表示瞬時(shí)短路保護(hù)Ⅰ段電流，A；

Kb表示變壓器的變化比；

KX表示變壓器負(fù)荷的需用系數(shù)，取值范圍為1.5～1；

Iep表示容量大最大1臺(tái)或者幾臺(tái)幾電機(jī)的額定啟動(dòng)電流，A；

∑Ie表示其余電機(jī)的額定電流之和，A。

在對(duì)微機(jī)或電子式綜合保護(hù)器進(jìn)整定計(jì)算過程中，具體應(yīng)用的計(jì)算公式如下所示：

結(jié)合公式（2）的計(jì)算可以明確，針對(duì)保護(hù)裝置的靈敏系數(shù)，需要對(duì)最小運(yùn)行方式作綜合考量，同時(shí)以此為核心，當(dāng)變壓器二次側(cè)兩相出現(xiàn)短路情況時(shí)，精準(zhǔn)校驗(yàn)流過一側(cè)的短路點(diǎn)電流，應(yīng)用的計(jì)算公式如下：

通過對(duì)這種計(jì)算方法的靈活應(yīng)用，在短路故障問題出現(xiàn)時(shí)，可以讓發(fā)出的動(dòng)作更為可靠安全，與煤礦井下的供電要求與標(biāo)準(zhǔn)吻合。在這種方式的靈活應(yīng)用下，最大負(fù)荷電流的計(jì)算定值非常準(zhǔn)確，不會(huì)出現(xiàn)定值偏大或者偏小問題，能從根源杜絕計(jì)算不精準(zhǔn)問題的出現(xiàn)。

②整定計(jì)算過載的Ⅲ段。以躲過變壓器二次側(cè)最大一臺(tái)或某組設(shè)備的最高啟動(dòng)時(shí)間為基礎(chǔ)，對(duì)啟動(dòng)時(shí)間合理整定計(jì)算。在整定的高壓綜合保護(hù)器程序中，設(shè)備類型一般為微機(jī)或者電子式，因此需要以互感器上二次額定電流值的倍數(shù)為基礎(chǔ)，對(duì)短路保護(hù)器靈活計(jì)算，將過載保護(hù)器的倍數(shù)計(jì)算出來，提升整定計(jì)算的效果和水平。

在大多數(shù)的煤礦中，通常將過載電流的倍數(shù)作為依據(jù)來對(duì)短路保護(hù)Ⅰ的倍數(shù)進(jìn)行計(jì)算，以此獲得精準(zhǔn)的整定計(jì)算結(jié)果，為設(shè)備的平穩(wěn)運(yùn)用提供保障，降低故障問題出現(xiàn)概率。

(3)整定計(jì)算帶單臺(tái)移動(dòng)變電站高壓防爆開關(guān)

與干式變壓器存在的差異很大，移動(dòng)變電站內(nèi)部結(jié)構(gòu)十分繁瑣，除了本身包含的高壓防爆開關(guān)之外，Ⅲ段和Ⅰ段的保護(hù)配置也非常健全。在對(duì)移動(dòng)變電站進(jìn)行整定計(jì)算過程中，應(yīng)用的方式與干式變壓器一致。但不同的是，移動(dòng)變電站中的高壓防爆開關(guān)D2在保護(hù)期間，需要增設(shè)兩種保護(hù)措施，分別是Ⅰ段和Ⅱ段。

①整定計(jì)算保護(hù)Ⅰ段。在對(duì)Ⅰ段保護(hù)整定值計(jì)算環(huán)節(jié)，為確保計(jì)算結(jié)果不會(huì)出現(xiàn)誤差，需要將躲過最大運(yùn)行方式為基礎(chǔ)，對(duì)短路電流值合理計(jì)算。在獲取相應(yīng)的計(jì)算結(jié)果后，對(duì)最小兩相短路電流進(jìn)行校驗(yàn)，實(shí)際計(jì)算應(yīng)用的公式如下所示：

式中：

②整定計(jì)算保護(hù)Ⅱ段。在對(duì)防爆開關(guān)D2的Ⅱ段保護(hù)整定值計(jì)算期間，應(yīng)該將Ⅰ段保護(hù)整定值作為依據(jù)，?、穸蔚?.1～1.2倍開展整定計(jì)算。如果是煤礦井下，倍數(shù)最好取1.1，以此提升計(jì)算準(zhǔn)確性。針對(duì)動(dòng)作時(shí)限，應(yīng)該比Ⅰ段多出一個(gè)時(shí)間段。

(4)整定計(jì)算帶多臺(tái)移動(dòng)變電站高壓防爆開關(guān)

移動(dòng)變電站在多采區(qū)工作面中應(yīng)用的數(shù)量較多，假設(shè)應(yīng)用的移動(dòng)變電站有四臺(tái)，具體如圖2所示，T3到T6是高度集成的移動(dòng)變電站，在保護(hù)期間，有Ⅲ段和Ⅰ段保護(hù)措施，在整定計(jì)算方式的應(yīng)用和選擇上，與干式變壓器一致。但移動(dòng)變電站中的高壓防爆開關(guān)D3在保護(hù)期間，不需要設(shè)置太多保護(hù)措施，Ⅰ段和Ⅱ段即可，如果情況特殊，會(huì)對(duì)Ⅲ段保護(hù)加以設(shè)置。

圖2 煤礦井下帶多臺(tái)移動(dòng)變電站供電

①整定計(jì)算保護(hù)Ⅰ段。如果將最大運(yùn)行方式作為計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)四臺(tái)變壓器流過一次側(cè)的短路電流整定計(jì)算，選出短路電流中一個(gè)最大的數(shù)值并整定，動(dòng)作時(shí)限的計(jì)算公式具體如下所示：

式中：

∑Ilei表示其余變壓器一次側(cè)額定電流的總和，A。

保護(hù)裝置的靈敏系數(shù)校驗(yàn)公式為：

②整定計(jì)算保護(hù)Ⅱ段。對(duì)于保護(hù)Ⅱ段的定值，需要將保護(hù)Ⅰ段的整定值作為核心展開計(jì)算。從保護(hù)Ⅰ段保護(hù)定值中選擇最小值，動(dòng)作時(shí)限要比其多出一個(gè)時(shí)間段。如果是高壓綜合保護(hù)器，為確保最終的計(jì)算能準(zhǔn)確無誤，在計(jì)算期間，可以利用的公式有：

3.煤礦井下高壓供電保護(hù)整定對(duì)策

(1)主變壓器保護(hù)整定

主變壓器是確保煤礦井供電安全性和穩(wěn)定性的前提，必須全面性強(qiáng)，具有較高的可靠性和靈敏度。煤礦井下高壓供電保護(hù)整定項(xiàng)目涵蓋的內(nèi)容較多，諸如差動(dòng)速度以及制度比率等。過負(fù)荷整定原則需要將變壓器額定電流1.05倍作為基礎(chǔ)進(jìn)行整定，同時(shí)時(shí)間要把控在9s，一般作用于報(bào)警和冷風(fēng)機(jī)的啟動(dòng)，不作用于跳閘。在過流整定時(shí)，將變壓器額定電流的1.2倍值作為標(biāo)準(zhǔn)，除以返回系數(shù)，根據(jù)計(jì)算出來的結(jié)果進(jìn)行取值整定。整定過程中要對(duì)時(shí)間加強(qiáng)控制，以變壓器送電時(shí)的勵(lì)磁涌流時(shí)間為依據(jù)，必須比既定的標(biāo)準(zhǔn)值大。差動(dòng)保護(hù)在計(jì)算時(shí)，為確保計(jì)算結(jié)果準(zhǔn)確，計(jì)算人員要先確定制動(dòng)電流，結(jié)合額定電流計(jì)算，以此獲得標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)值。差動(dòng)速斷針對(duì)的是變壓器內(nèi)部突然出現(xiàn)短路問題或者其他嚴(yán)重故障情況，為其提供必要的保護(hù)，為系統(tǒng)提供短路保護(hù)。

(2)線路、電力變壓器、電動(dòng)機(jī)的保護(hù)整定

在線路保護(hù)整定過程中，必須包括一段或者多段過流和短路等保護(hù)措施，在變壓器保護(hù)整定中，包含的方法主要有兩種，分別為短接和過流。高壓電動(dòng)機(jī)保護(hù)所涉及的內(nèi)容也比較多，具體有漏電保護(hù)、負(fù)荷等。如果多段母線出線或者出線開關(guān)，應(yīng)該進(jìn)行方向電流整定，保證不會(huì)在短路故障出現(xiàn)時(shí)有誤動(dòng)作現(xiàn)象。

線路的過流保護(hù)需要根據(jù)實(shí)際負(fù)荷的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行整定。如果負(fù)荷不大，可根據(jù)電路的實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)，在掌握總輸出功率的基礎(chǔ)上加以整定。如果負(fù)載較多時(shí)，可按相應(yīng)需要系數(shù)加以整定，并依照計(jì)算出來的總輸出功率和需用系數(shù)相加。針對(duì)普通的電力變壓器，通過利用額定電流乘以過流系數(shù)的辦法進(jìn)行計(jì)算，之后再除以返回系數(shù)獲得最終計(jì)算結(jié)果。短路保護(hù)的整定電流比工作電流與其他裝置工作電流的之和大。在整定計(jì)算期間，為節(jié)約計(jì)算的時(shí)間，可選用簡(jiǎn)便計(jì)算，按照所統(tǒng)計(jì)負(fù)載額定電流的3～5倍進(jìn)行整定，逐步朝著電源側(cè)進(jìn)行計(jì)算，保證能獲得精準(zhǔn)的計(jì)算效果。多段母線電壓方向保護(hù)整定在出線開關(guān)，保護(hù)電源一側(cè)不能有短路問題的發(fā)生，以減少另一個(gè)出線開關(guān)動(dòng)作問題發(fā)生。中心節(jié)點(diǎn)不接地系統(tǒng)線路的保護(hù)整定，一般是對(duì)零序電壓和較小額定電流接線的選線方式進(jìn)行利用，以此來對(duì)故障線路的具體位置加以明確。針對(duì)單臺(tái)低電壓設(shè)備設(shè)定，對(duì)零序電壓和零序電壓閉鎖的方法靈活使用，動(dòng)作于跳閘，而線路和系統(tǒng)在此過程中保護(hù)的主要功能就只有報(bào)警，不能動(dòng)作于跳閘，故障允許運(yùn)行2h以內(nèi)。系統(tǒng)中漏電電流整定值，供電系統(tǒng)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間差需要將0.2s為基準(zhǔn)，從負(fù)荷側(cè)開始，慢慢向電源側(cè)進(jìn)行整定，提升整定的有序性。電力變壓器和高壓電動(dòng)機(jī)在整定過程中，需要結(jié)合設(shè)備額定電流，乘以過流系數(shù)，根據(jù)所取得的計(jì)算結(jié)果除以返回系數(shù)，保證能計(jì)算出最終的整定結(jié)果。同時(shí)對(duì)時(shí)間靈活控制，啟動(dòng)時(shí)間要小于整定時(shí)間。

(3)短路保護(hù)校驗(yàn)

為保證整定的合理化，應(yīng)該結(jié)合具體的標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)范，做好短路整定值再驗(yàn)算。以保護(hù)末端最小運(yùn)行方式為基準(zhǔn)，對(duì)兩相短路電流進(jìn)行驗(yàn)算，并加強(qiáng)對(duì)靈敏度系數(shù)的控制，不能比1.5小。在短路電流計(jì)算期間，選擇可行的方式進(jìn)行計(jì)算，對(duì)電流快速計(jì)算，用各點(diǎn)短路電流除以對(duì)應(yīng)點(diǎn)整定值。

4.結(jié)束語(yǔ)

綜合而言，在科學(xué)技術(shù)水平持續(xù)提升的新時(shí)期下，供電系統(tǒng)繼電保護(hù)裝置中應(yīng)用的先進(jìn)技術(shù)越來越多，為供電系統(tǒng)的平穩(wěn)且高效運(yùn)行提供保障，尤其是電子和微機(jī)保護(hù)裝置的使用，系統(tǒng)故障問題出現(xiàn)的概率明顯降低。但結(jié)合當(dāng)前煤礦井下高壓供電保護(hù)的整定情況分析，在計(jì)算方面暴露出的問題較多，需要持續(xù)優(yōu)化與規(guī)范，結(jié)合企業(yè)具體經(jīng)驗(yàn)給出不同線路配置下的整定計(jì)算方法，以此為煤礦企業(yè)的全面發(fā)展提供借鑒與參考。