基于矿井整流系统的继电保护设计

摘 要：基于煤矿架线输电事故的发生，研究井下整流系统的保护方案。考虑直流牵引供电系统的结构和特点，针对整流机组分析研究，建立整流电路模型，分析直流故障电流，利用MATLAB/ simulink软件对其进行仿真，最后确定继电保护方案。

关键词：直流牵引供电系统；直流故障；短路保护；漏电保护

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.10.225

近年来，我国的煤炭行业发展十分缓慢，然鉴于各行各业对于煤炭能源的依赖，我国工业对煤炭的需求仍然十分可观。现阶段，煤炭井下运输，基本上都是使用矿用架线电力机车，用其运输物资、机械设备、人员是非常普遍的情况。但井下巷道空间限制，架线电网暴露敷设，而且巷道窄照明不足等情况，容易造成危险事故。从全国煤矿直接触电事故的情况来看，煤矿架线触电死亡率大约为30%。本文针对架线直流系统结构及故障特点，探讨保护方案。

1 煤矿井下直流牵引电网概述

我国大部分矿井都是采用550V或250V工作电压等级的架线电机车。一般由高压6千伏三相交流电经由开关和高压接触器，同时送入两台动力变压器，经变压后将两个低压交流电源送到可控硅整流柜，然后经柜内两个三相半控桥或全控桥线路进行整流，顺极性串联后，输出整流250V电压到架线电网。在实际生产过程中一般采用等效24脉波整流机组，由两组等效12脉波整流机组并联而成，则能输出24脉波电压电流供给架线电网。本文将基于12脉波整流机组建立直流牵引供电系统的仿真模型来分析。

对于移相变压器，采用三相三绕组变压器，原边绕组采用星形联结方式，副边两个绕组分别采用三角形和星形联结方式，原副边绕组的匝比为1：1：，两副边绕组输出线电压幅值相等，三角形绕组侧电压Va"、Vb"、Vc"的相位超前星形绕组侧Va'、Vb'、Vc'30°。输入整流电路，整流输出平均电压也相等，并联向负载供电。同时，由于整流桥Ⅰ和Ⅱ输出电压的瞬时值不等，为了保证两组整流桥可以真正的并联运行，在整流电路末端加入平衡电抗器。两组整流桥经平衡电抗器后的输出电压vd为：

两组整流桥经平衡电抗器后的输出电压瞬时值为两组整流桥输出电压瞬时值vd1、vd2的平均值。vd1、vd2中的6次谐波电压互相抵消，输出电压vd中最低次谐波为12次。输出电压平均值，V1为整流桥输入线电压有效值。

2 直流短路故障分析及保护方案

在电力系统的运行中，时常会发生故障，其中大多数是短路故障。在煤矿井下直流牵引供电系统中，由于绝缘的破坏，或有工人在工作过程中挂趴在了机车上，都有可能造成短路故障，甚至引发触电事故。发生短路时，阻抗减小，短路电流大大增加，通过电气设备导体时，热效应、电动力冲击，也都会对电力系统造和工业生产成损害。

对故障波形做直流稳态短路电流计算。根据井下铺设直流架线的导线及轨道技术参数，我们假设牵引电网电阻r1为0.00809Ω/km，钢轨单位电阻r2为0.03436Ω/km，短路電阻rg为0.004Ω，在离牵引变电所距离l为300m处发生牵引网对钢轨金属短路故障。

供电网络及轨道电阻则供电网络、轨道及短路电弧总电阻为

稳态短路电流为

对此进行暂态分析时，考虑到直流侧电感及电阻值对故障波形的影响，短路电流表现为指数分布或冲击电流，视工况而定。但两种情况不会影响保护方案，本文就不做讨论。

在电力系统继电保护中一般会设计为三段式电流速断保护，但井下架线电网铺设面积有限，不存在输电线路长、电流降低的情况，不作保护区域划分，对所在线路作统一的短路故障判定。速断保护作为线路主保护，保护动作后出口跳闸，短路保护的定值、时间独立设定，有选择性的加入低电压闭锁速断保护、谐波闭锁速断保护等判定。

（1）主保护判定，电流元件动作条件表达式：I>ISD。（2）整定值确定，计及故障短路电流值，将其折算至电流互感器二次侧作为速断保护电流整定值。以ZK14-7/250型号架线电机车为例，额定工作电压250V，额定工作电流212A，选择匝数比20：1的电流互感器。（3）过流整定范围（折算到二次侧）：（0～20）IN，设速断电流整定值ISD=5IN≈10A，速断保护动作可以可靠动作。返回系数，电流不小于0.9；动作时间设为3ms。

3 仿真实验

选取三个相位相差120°、幅值6kV的交流电源，频率50Hz。整流变压器模块一次绕组采用Y型连接，二次绕组分别采用Y型和△型连接，三绕组线电压高压/低压/低压为6000/185/185V。将两组全控三相整流桥并联。设置当t=0.5s时发生短路故障，得到短路电流故障电流录波。发生故障时，短路电流大大增加，电压降低。故障电流大于速断保护电流整定值，3ms后保护动作跳闸出口，切除短路故障。

4 结语

短路保护通过对煤矿井下整流系统的短路故障的故障分析、判别，识别故障类型，向上位机反映，保护动作跳闸出口，在有限的时间内切除短路故障，保护牵引供电系统的安全稳定运行、减少人员伤亡。

参考文献：

[1]马义林.自耦式12脉冲整流电路的研究[D].南京航空航天大学硕士学位论文，2009.

[2]王彦文.煤矿供电技术[M].徐州：中国矿业大学出版社，2009.

作者简介：章蒙亚（1991-），女，浙江人，在读研究生，研究方向：电力系统微机监控。