煤矿高压防爆开关保护装置的设计应用

路广

【摘 要】随着我国科学技术的发展，在煤炭行业中，高压防爆开关保护装置的研究工作有了一定的进步。在实际的工作应用中，仍然存在许多问题和不足。对这些保护装置进行深入的研究，有利于煤炭行业的供电安全。本文介绍了防爆开关在短路保护和漏电保护上的方法，详细阐述了保护装置的设计方案。

【关键词】煤炭行业；高压防爆开关；保护装置；方案

煤矿开采的现代化程度不断提高，要求井下供电系统要有更高的安全性和可靠性。由于井下工作环境恶劣，短路、漏电事故经常发生，会危及到人身安全和正常的生产工作。所以，对高压防爆开关进行特别的保护和实时监视，是必不可少的工作环节。

1 短路保护技术

就目前而言，煤矿高压防爆开关在短路保护和过流保护方面的问题已经得到了解决。但是，在实际的工作运行中仍有一些难题。第一，开展煤矿井下工作中，每个开关输电线路之间的距离并不大，在几十米到几百米之间。第二，作为线路中的下级，其末端的电流最小值往往高于上级的保护整定值。这样一来，就会大大增加越级跳闸现象的发生，从而造成供电不稳定和不可靠的局面，从侧面影响到煤炭的正常生产工作。

针对于越级跳闸问题，经过分析，得出主要存在的问题根源在于保护装置的灵敏度不高。并且，很有可能不符合安全规范的要求。对此，要在不对电流保护整定方法进行改动的前提下，采用通信闭锁短路保护技术，来实现短路保护的目的。

通信闭锁短路保护技术的工作原理在于：当下级开关发生短路情况时，该装置会迅速向上一级发出短路保护闭锁信号，及时将短路故障信息传递给整个线路。当短路保护闭锁信号传递到上一级开关后，就会立即进行短路保护闭锁，从而及时解决短路故障。

另外，考虑到下级开关或保护装置由于临时故障而无法解决短路问题，对上级闭锁功能的持续时间做出了严格的限制，一般为100—200毫秒。如果时间超出了这个范围，不论闭锁信号是否已经解除，短路保护都会重新恢复为正常的工作状态。

2 漏电保护技术

目前煤矿井下工作中采取的漏电保护技术都是以国家的相关规范制度进行制定的。具体来说分为两种：一是，零序电流型漏电保护；二是，零序功率方向型漏电保护。这两种方法在漏电保护上具有针对性，应用对象都是中性点不接地电网。

随着煤矿内供电距离的不断增加，电网对地电容电流不断增大，这就要求原来的煤矿供电方式要进行调整。经过运行方式的调整与转变，目前大多数采用的是中性点消弧线圈接地方式。原来的供电方式和目前的相比，其缺点有两个方面：第一，不能满足漏电保护的准确性要求。第二，漏电故障接地电阻在一定程度上影响漏电保护装置的正常运行。采取中性点消弧线圈接地方式后，能够显著提升漏电保护的准确性和适应性。

如图1所示，是煤矿高压电网漏电零序网络的示意图，从图中可以看出，第K条线路出现漏电情况，当DL1处于打开状态时，就是中性点不接地系统；当DL1处于闭合状态时，就是中性点消弧线圈接地系统。Ln和Gn则表示消弧线圈电感和预调式消弧线圈。一般情况下，煤矿高压电网的对地绝缘电阻比较大，所以在计算时，就不用对每个线路的对地电阻都进行考虑。

当中性点不接地电网出现了漏电问题时，对发生故障的线路进行检测，其零序电流与以下两个因素有关：第一，电网对地电容；第二，漏电故障的接地电阻。目前所使用的高压防爆漏电保护装置，进行整定的基础依据是零序电流。如果整定的结果低于要求的水平，就会导致误动问题的出现；如果整定的结果高于要求的水平，就会导致高阻接地的拒动问题出现。在实际的工作中，一旦发生漏电故障，电阻的阻值就会发生改变。因此，误动问题和拒动问题的解决，不能仅仅依靠整定，而是应该采取节点导纳法（以电路中节点电压为待求量，求解电路问题的方法）的漏电保护进行处理。

判断故障线路，可以通过检测导纳的大小和方向的方式来实现。在这个过程中，为了防止出现对没有发生故障的线路进行错误判断，就会在方向拒判的前提下，对它的大小作出判断。一般情况下，防爆开关的电缆长度是固定的，与整个电网相比，这部分电缆的导纳可以忽略不计。对总的电容值进行估算时，需要考虑的因素有互感器误差、测量误差、电网的电缆总长等。

除此之外，中性点消弧线圈接地电网和中性点不接地电网相比，对于没有发生故障的线路进行开关检测零序电流特性而言，两者的差别并不大。而对于发生故障的线路进行检测时，大小和方向的主要影响因素在于消弧线圈补偿电流。

3 装置设计方案

根据以上的保护原理为出发点，设计的高压防爆开关保护装置示意图如图2 所示。

从示意图中可以看出，该装置的设计中，主控单元的微控制器是DSP（TMS320F2812），其性能十分优越。而逻辑控制单元选用的是CPLD，从而使分离元件的数量能够得到有效的控制，PCB板的面积也会大大减小。通过这些设计，能够大大提升本装置的安全性。至于A/D芯片，则是14位高速模数转换芯片。整个装置的零序电压，由电压互感器开口三角电压提供。

最后，为了验证该高压防爆开关综合保护装置的系统正确性，针对通信闭锁式短路保护和中性点等不同的运行方式，进行漏电保护的实验。在实验的过程中，在同一时间，将大小相同的电流输入到两台保护装置中，从而验证越级跳闸问题的解决情况。在这个实验的设计中，主要涉及到的是上级保护和下级保护两种类型，分别对应的是保护1和保护2，且整定值分别设置为10A和8A。经过实验，结果证明利用通信闭锁方案，能够防止出现越级跳闸故障的目的。

因此，短路保护和漏电保护新技术的提出，是在原有技术基础上的改进和创新。高压防爆开关保护装置的设计，也能够实现电力运行过程中的安全性和可靠性需求。所以，该装置可以应用于煤矿开采的井下工作中。

4 结语

短路保护新技术和漏电保护新技术的提出，能够有效解决当前煤矿工作中短路越级跳闸和漏电保护不精准的问题。这些新技术的应用，一方面跳脱出漏电保护的制约性因素，另一方面也提高了适用范围。采用新的装置设计方案，能够提高煤矿井下工作的安全性，提高工作效率，增加经济效益。

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[责任编辑：曹明明]