煤矿高压开关柜中电弧光保护装置的研究

王玉晴

(西山煤电(集团) 天安电气有限责任公司,太原 030000)

煤矿高压开关柜中电弧光保护装置的研究

王玉晴

(西山煤电(集团) 天安电气有限责任公司,太原 030000)

电弧光保护系统能够有效地减少矿山电网系统中的安全隐患。结合某矿实际,使用自主研发的电弧光保护装置PCS-9656,该装置采用光纤传感器作为电弧光探测单元,弧光传感器与保护装置间采用模拟光信号传输将光信号转化为电信号。结果表明,该装置能够快速定位短路故障点,在最短时间内快速切除故障,最大限度缩小矿山停电范围,保证供电系统的稳定可靠运行,电弧光保护系统不仅对高压开关柜起到了保护作用,而且提高了煤矿安全系数和促进了矿山企业的经济效益。

弧光保护;光纤传感器;高压开关柜

随着改革开放成果的引进和国民经济的不断发展,我国煤矿的机械化程度不断提高,所需用电量也在逐年增加,中低压(35 kV 及以下电压等级)配电系统的在矿山生产系统中得到了广泛的应用。配电系统中的中、低开关柜的数量越来越多,中低电压等级的母线由于所处环境复杂,技术设备故障和人为因素等原因,易引发母线短路,存在很大的安全隐患。由于母线发生故障时,采用变压器的后备保护来切除母线上的故障,无法在发生故障的第一时间解决,设备损坏几率增加,严重时导致烧毁。据报道,我国供电系统中开关柜每年有200多面被烧毁,而开关柜短路事故更是经常发生,有时甚至造成更大的电网事故,直接造成矿山机械设备的损失和经济损失。因此,在应用供电系统时,如何在保证矿山生产效率的同时保证矿山设备及人员保护,是我们必须研究和攻克的难题[1-3]。

1 弧光的参数及危害

1.1弧光的参数

1)空气弧光产生时的最大的瞬时功率较大,可达40MW;

2)内部温度较高,可升至10 000 °C以上;

3)中压范围内弧光产生时和结束时的温度可达 4 500 °C;

4)弧光的最大电压可达500 V ～ 1 000 V;

5)弧光的光强超过正常的照明光强2 000倍。

1.2弧光的危害

弧光在毫秒时间级别发生消失,释放的能量却很惊人,对矿山机械设备和人身安全都有巨大的破坏性[4-5]。

1)电弧温度惊人,可达10 000 ℃,超过一定温度损害电网;

2)电弧引起火灾,烧毁电缆;

3)稳定过高导致开关柜内开关装置爆炸,使其失效;

4)容易造成人员伤害,对人员脸部和皮肤形成永久性伤害;

5)爆炸时产生的气体,技术人员吸入会损伤其呼吸系统。

2 弧光保护技术的现状和措施

1995年,中国引进了第一套弧光保护装置。近年来,人们注意到切除母线时产生的过流保护动作时间过长的问题,分析了电弧故障时产生的声、光、热和电磁等效应。采用理论与实际相结合的方法,分析电弧效应,开发研制出各种用来检测电弧的保护装置,并在矿山中得到了加速应用。如此,既对矿山人员起到了安全保护作用,也使得矿山的生产效率得到进一步提高。例如:有的利用电弧的热效应,研制出能通过感应电弧的热量而产生动作的采阀式电弧保护继电器;有的利用电弧的电磁效应,通过电弧接地保护装置及时切断发生故障的开关装置,以便及时的维修;有的检测故障装置中的臭氧浓度,保护报警装置以便工作人员能在第一时间保证人员的安全,不至于给矿山企业带来巨大的人员和经济损失。随着科技的发展,利用电弧的多种效应开发更具敏感性和准确性的新型电弧保护装置已成主流[6-7]。

现在,功能型感器和非功能型传感器等新型传感器在矿山供电系统中应用最广,这种新型传感器不仅灵敏度和精确度较高,而且绝缘性能较好,具有抗电磁干扰。这两者主要以其中的光纤所起的作用不同区分开来。前者的光纤对被测信号具有传输和敏感的作用;后者仅起传输的作用。光纤传感器在电力系统的电弧光保护中起到了重要的作用,它在强电磁干扰和高电压的环境里,能显示出独特的能力[8]。

电弧故障的危害程度取决于电弧电流及切除时间,电弧产生的能量成指数规律快速上升。发生故障时,技术人员在85 ms内切除故障部分,才能保证相关设备免遭遇难,避免不必要的损失,一旦时间超过100 ms,相关设备则会遭到损害,严重时会对矿山企业造成不可挽回的损失[9-10]。

目前常用保护装置:

1) 变压器后备过流保护,但此方案的问题是快速性不过,不能达到开关柜内部电弧故障的有效保护。

2)简易母线保护方案,采用传统方法识别故障,此方案目前应用最为广泛。

3)电弧光母线保护方案,利用电弧的相关特性作为判别依据,可快速切除内部故障。

4)其他母线保护方案。就投入成本及实施效果综合对比,电弧光保护方案优势明显,其使用比例在矿山配电系统中最广。

3 重点研究内容

电弧光保护主要动作依据两个不同因素:孤光及电流增量。通过研究传统过流型保护、弧光非电量型保护和级差的配合,为弧光保护装置的研究发现新的切入点,进而研究更为先进的弧光保护装置。其一,传统过流型保护和级差配合。以阻抗接地系统分析即接地跳闸时间很短分析:采样15 ms～30 ms;接点闭合5 ms;整定延时30 ms～350 ms;断路器分闸50 ms～80 ms;整体故障切除时间:出线130 ms+AR,进线 450 ms,见图1。其二,弧光非电量型保护和级差配合。以阻抗接地系统分析,弧光信息1 ms;过流判据1 ms;接点闭合5 ms;断路器分闸50 ms～80 ms;整体故障切除时间:出线87 ms,进线 87 ms,见图2。本文重点研究内容为:

1)分析电弧对矿山造成的危害,研究电弧保护装置的动作原理。

2)根据不同矿山的实际生产状况研究母线故障变化情况,研究开发符合当地矿山实际生产状况的电弧保护装置。

3)在故障状况下,分析各种电弧保护装置的敏感度和精确定位程度。

4)分析电弧保护装置的优缺点并具体分析该装置对矿山配电系统所产生的安全隐患。

通过研究某矿的配电系统,得出了一套适合该矿山实际生产的电弧光保护装置的技术设施方案,既能保证弧光保护装置的利用最大化,也能把对煤矿供电系统的冲击破坏程度降到最低,从而避免安全隐患,加强对专业维修人员的培训,防止人为操作错误带来不必要的损失,并为今后电弧保护装置新的开发提供可靠依据。

图1 传统过流型保护和级差配合Fig.1 Traditional overcurrent protection and stage difference coordination

图2 弧光非电量型保护和级差配合Fig.2 Arc non-electricity protection and stage difference coordination

4 实施方案

1)针对某矿实际生产状况,采用PCS-9656电弧光保护装置就地安装6 kV进线柜,该装置满足数字化厂站需要,适应智能电网未来发展趋势。

2)PCS-9656SH弧光传感器安装在开关柜内,监测各开关装置的运行,若有开关出现异常状况,立刻实施保护措施。

3)采用以太网或串口103送后台监控系统。

4)具有友好的人机接口,调试维护方便。

某煤矿使用的电弧光保护装置为变电站、电厂、工业企业用户等场合的中、低压母线提供快速保护。当发生弧光短路时,被弧光传感器覆盖区域的弧光短路可被快速定位,电弧光保护系统快速动作,切断故障电流,最大限度降低电弧光对设备的损害以及人员伤害。电弧光保护装置通过不同插件的组合,结合实际应用场所的供电系统,组建成符合实际需要的保护系统。

电弧光保护装置也可实现对电流信号的全方位采集,进而完成对电弧光、短路器的保护,CT断线、传感器异常、装置硬板故障等的报警,测控以及信息保护功能。在发生故障时,能够精确定位故障点,跳闸出口提供跳闸矩阵整定,跳开相关断路器,实现分区域保护,最大限度缩小事故停电范围。具有强电磁兼容性,调试维护方便,具有友好的人机接口,方便的现场安装测试功能。

5 配置方案

电弧光保护装置配置方案如表1所示。

表1 变电所配置方案Table 1 Allocation scheme of power substation

6 结束语

1) 电弧光保护系统有效的减少了矿山电网系统中的安全隐患,降低了因短路故障造成的设备损害和人员伤害,提高了矿山企业的经济效益。

2)能够快速定位短路故障点,在最短时间内快速切除故障,最大限度缩小矿山停电范围,保证供电系统的稳定可靠运行,使矿山生产能够正常有序进行。

3)目前某矿存在大批设备老化现象,矿山开关柜也不例外,由于近些年矿山趋势的低谷,使得资金以及技术更新都得不到有效支持,这种背景下,如果低价高效的国产电弧光保护装置能够及时开发,既可保证矿山设备以及人员的安全性,又能够合理控制矿山预算成本,在保证安全的基础上实现具有极高的经济和社会效益。

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ArcProtectionDeviceinHighVoltageSwitchgearinMines

WANGYuqing

(Tian’anElectricityCo.,Ltd.,XishanCoalandElectricityGroup,Taiyuan030000,China)

Arc protection system could effectively reduce the safety hazards in power grid system in mines.Combined with the actual situation,a self-developed arc protection device (PCS-9656) was used in a mine.Fiber optic sensors were used to detect the arc.The arc sensors and protecting device adopted analog light signal to transmit by transforming light signal into electronic signal.The results show that the device could rapidly locate the short-circuit fault points,remove the faults in the shortest time,reduce the power outage range,and ensure the stable and reliable operation of the power supply system.The arc protection system could not only protect the high voltage switchgear but also improve the safety and economical benefits of the mine.

arc protection; fiber optic sensor; high voltage switchgear

1672-5050(2017)04-0047-04

10.3919/j.cnki.issn1672-5050sxmt.2017.08.014

2017-06-20

王玉晴(1987-),男,山西静乐人,大学本科,助理工程师,从事高低压配电设备的研发和制造工作。

TD611.5

A

(编辑:樊 敏)