注入式漏電保護(hù)方法在礦山配電網(wǎng)中的應(yīng)用

馬永兵

（山西晉城無煙煤礦業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司寺河煤礦二號(hào)井，山西晉城048000）

0 引言

近年來，煤礦的安全生產(chǎn)受到了全社會(huì)的廣泛關(guān)注，我國相關(guān)部門也制定了詳細(xì)全面的規(guī)范，其中，國家安全生產(chǎn)監(jiān)督管理總局于2011年就正式出版了《煤礦安全規(guī)程》，并于2016年對(duì)其進(jìn)行了修訂再版?！睹旱V安全規(guī)程》中有條款對(duì)煤礦用電安全做出了明確要求，煤礦電力安全是煤礦安全生產(chǎn)的重要內(nèi)容，由于環(huán)境特殊、條件惡劣，井下電纜和電氣設(shè)備常因外力干擾而使得絕緣遭到破壞，時(shí)常導(dǎo)致發(fā)生漏電故障，這就給煤礦生產(chǎn)帶來了安全隱患。目前，我國煤炭行業(yè)井下高壓電網(wǎng)普遍采用中性點(diǎn)非有效接地系統(tǒng)，此類系統(tǒng)發(fā)生接地故障時(shí)，由于故障電流易受系統(tǒng)運(yùn)行方式、線路長短影響，故障特征不穩(wěn)定，單相接地故障線路難以準(zhǔn)確辨識(shí)，導(dǎo)致了煤礦井下漏電保護(hù)誤動(dòng)、據(jù)動(dòng)情況時(shí)有發(fā)生。這也是數(shù)十年來國內(nèi)外電力系統(tǒng)繼電保護(hù)領(lǐng)域一直關(guān)注的技術(shù)難題和研究課題。

1 基于信號(hào)注入、分散檢測新原理的選擇性漏電保護(hù)

1.1 原理介紹

以某配電網(wǎng)系統(tǒng)為例，如圖1所示，采用典型的輻射式結(jié)構(gòu)連接。當(dāng)正常運(yùn)行時(shí)，系統(tǒng)處于三相對(duì)稱狀態(tài)，且無零序分量。此時(shí)A、B、C三相電壓均為正常相電壓，PT二次側(cè)電壓分別為UAN=UBN=UCN=57.74 V，U0=0 V。

圖1 信號(hào)注入法選線定位原理圖

當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)單相接地故障時(shí)，若圖1中Ln線路的C相發(fā)生單相接地故障，導(dǎo)致故障相C相的對(duì)地電壓降為0，PT處的C相一次繞組發(fā)生短接，二次繞組中也不存在感應(yīng)電壓，將導(dǎo)致PT的故障相處于“閑置”狀態(tài)下。因此，可利用本特性將PT的故障相信號(hào)電流注入到故障一次系統(tǒng)中。

在接地相PT的二次繞組和接地間外接一個(gè)信號(hào)源，如圖1中虛線①所示。該信號(hào)源主要產(chǎn)生一個(gè)頻率不同于工頻及其諧波頻率的電流信號(hào)，并施加在PT的二次繞組中。處于短路狀態(tài)的PT一次繞組則會(huì)感應(yīng)到該電流信號(hào)，其流通回路如圖中虛線②所示。這就是信號(hào)注入法的基本原理。

1.2 注入信號(hào)、分散檢測的漏電保護(hù)系統(tǒng)構(gòu)成

整套漏電保護(hù)系統(tǒng)主要由ZBT-11C級(jí)聯(lián)縱差保護(hù)器、SY3603智能選漏保護(hù)終端、SY3601信號(hào)注入裝置構(gòu)成。ZBT-11C、SY3603都安裝在高爆開關(guān)中，作用是在發(fā)生單相接地故障時(shí)判斷注入信號(hào)的大小，并根據(jù)預(yù)設(shè)值進(jìn)行選擇性跳閘。SY3601注入裝置可以安裝在地面任一10 kV（6 kV）變電所中，一般每段母線安裝一臺(tái)SY3601信號(hào)注入裝置，其作用是在發(fā)生接地故障時(shí)向系統(tǒng)中注入信號(hào)供分散安裝的保護(hù)器檢測并實(shí)施跳閘。

2 采用注入原理的煤礦電網(wǎng)漏電保護(hù)實(shí)施方案

下面以某礦山為例，探討基于注入原理的分散式漏電保護(hù)系統(tǒng)在煤礦電網(wǎng)漏電保護(hù)中的實(shí)施過程。某礦山井下部分供電系統(tǒng)示意圖如圖2所示，中央變電所共有10條出線和12個(gè)測點(diǎn)，其中出線1經(jīng)聯(lián)絡(luò)線后至膠帶機(jī)配電點(diǎn)，該配電點(diǎn)共有5個(gè)測點(diǎn)和4條負(fù)荷分支；出線2經(jīng)聯(lián)絡(luò)線后至三盤區(qū)配電點(diǎn)，該點(diǎn)共有8個(gè)測點(diǎn)和6條負(fù)荷分支，再到3105二部皮帶配電點(diǎn)，該點(diǎn)共有4個(gè)測點(diǎn)和3條負(fù)荷分支。所有的聯(lián)絡(luò)線和負(fù)荷分支均安裝有開關(guān)柜。

圖2 某礦山井下供電線路及其系統(tǒng)配置

為了能夠準(zhǔn)確切除接地故障，按照信號(hào)注入法的要求，在中央變電所的12條出線處、全部配電點(diǎn)的聯(lián)絡(luò)線和負(fù)荷分支處均安裝具有注入信號(hào)檢測功能的ZBT-11C級(jí)聯(lián)縱差綜合保護(hù)器。保護(hù)器中均設(shè)計(jì)有高精度的濾波器，用于對(duì)接收的信號(hào)進(jìn)行提取和分離，在此基礎(chǔ)上可以判斷該系統(tǒng)是否發(fā)生單相接地故障。當(dāng)出線2#的聯(lián)絡(luò)線F1點(diǎn)出現(xiàn)單相接地故障時(shí)，中央變電所剩余的11條出線及故障點(diǎn)F1下游安裝的保護(hù)單元均無法檢測到注入信號(hào)，因此狀態(tài)保持不變，保護(hù)裝置Q1僅需要在延時(shí)整定時(shí)間后切除整條2#出線。

當(dāng)F2處發(fā)生故障，注入的信號(hào)流經(jīng)保護(hù)點(diǎn)Q1、Q2、Q3和Q10后再經(jīng)過故障點(diǎn)F2返回。此時(shí)，單靠注入信號(hào)的大小判定難以保證縱向選擇的準(zhǔn)確性。而對(duì)注入信號(hào)而言，電氣上有連接的供電網(wǎng)絡(luò)只有一個(gè)信號(hào)源，那么就像過流保護(hù)一樣，上下級(jí)變電所保護(hù)可以通過時(shí)限級(jí)差配合來保證動(dòng)作的選擇性。該時(shí)間級(jí)差一般須躲過斷路器固有分閘時(shí)間和保護(hù)動(dòng)作時(shí)間，可將150 ms作為一個(gè)時(shí)間級(jí)差單位。位于同一出線上的保護(hù)單元，距離線路末端越遠(yuǎn)則延時(shí)越長。因此，可在同一級(jí)母線處的聯(lián)絡(luò)線和負(fù)荷分支兩端進(jìn)行注入信號(hào)，并以幅值來判斷故障是否發(fā)生在本出線上，這就需要有相同的動(dòng)作時(shí)限。如出線2的保護(hù)單元Q11、Q12和Q13都位于系統(tǒng)的最末端，如若設(shè)定延時(shí)為0 s，則在瞬間動(dòng)作時(shí)會(huì)對(duì)故障進(jìn)行切除。而對(duì)Q3和Q10而言，為了確保F3點(diǎn)發(fā)生短路時(shí)依然可以有動(dòng)作的選擇性，若設(shè)置時(shí)間級(jí)差Δt=150 ms，則Q3和Q10的保護(hù)動(dòng)作時(shí)限為150 ms。

根據(jù)上述原理，下級(jí)保護(hù)的動(dòng)作時(shí)限均應(yīng)比上級(jí)保護(hù)的動(dòng)作時(shí)限至少要低一個(gè)時(shí)間差Δt，以此來實(shí)現(xiàn)同一注入電流下各級(jí)保護(hù)的縱向選擇的準(zhǔn)確性和安全性。

采用此保護(hù)配置方案不僅可以實(shí)現(xiàn)在保護(hù)單元相互獨(dú)立的條件下完成配電網(wǎng)系統(tǒng)的故障自動(dòng)定位和線路切除，還可在同一出線上將上一級(jí)保護(hù)單元作為下級(jí)保護(hù)單元的后備保護(hù)，確保故障切除的可靠性。

3 結(jié)語

綜上，采用注入信號(hào)、分散檢測原理的漏電保護(hù)是目前較為合理的解決煤礦高壓電網(wǎng)漏電保護(hù)選擇性動(dòng)作問題的方法，適合煤礦運(yùn)行的實(shí)際情況。從試運(yùn)行及實(shí)際工程應(yīng)用案例來看，動(dòng)作準(zhǔn)確性高，施工簡單，很好地解決了煤礦供電電網(wǎng)中存在的漏電保護(hù)誤動(dòng)問題。