井下6KV供电系统常见故障及其综合保护器设计

山东能源集团枣矿集团蒋庄煤矿机电运输科 韩套轮

山东三河口矿业有限责任公司 孙德福

介绍了煤矿井下6KV供电系统在运行过程中会出现的几种故障及其保护原理，并设计了高压防爆开关综合保护器，给出了硬件和软件上的设计方法。在抗干扰方面，也进行了相应的设计介绍。该综合保护器具有保护动作可靠、快速等优点，对提高目前井下高压供电系统的安全性具有很高的价值。

1 引言

目前我国部分煤矿企业采用了6kV小电流接地高压供电系统，变压器中性点不接地，或者经消弧线圈接地，由地面变电所、井下中央变电所和采区变电所组成。而且随着煤炭工业的发展和采煤自动化技术的不断提高,对煤矿井下供电系统的可靠性、安全性和连续性提出了越来越高的要求（石柏虎,煤矿井下高压供电监控系统研究[D],山东大学,2012）。因此高压防爆开关综合保护器的设计非常重要和有意义。本文认真地分析了低压电网中漏电、短路、过载、过压与欠压等矿井高压开关保护系统中常见故障,并介绍了相应的故障检测原理，设计了一种具有可靠性高、抗干扰能力强、方便操作、人机交互等功能的高压防爆开关综合保护器②。

2 井下供电系统常见故障

2.1 短路故障及其保护

短路就是不同电位的导电部分之间的低阻性短接，如相间短路、相与地之间短路等。煤矿井下一旦发生短路故障，较易引发严重的事故。因此短路保护是煤矿井下供电系统中的重要保护，不可或缺。传统的短路保护采用鉴幅式继电保护或电子式保护，其保护整定误差大，动作时间长，可靠性较低，远不能满足现代化煤矿供电保护系统。

因此本设计的短路保护选择相敏短路保护，它是采用功率因数检测的原理。这是因为煤矿井下的负载均为感性特性，即在大型电机启动时，电流值和功率因数呈现反比例关系，当它的电流值较大，功率因数就很低，一般cosφ不超过0.5；但是当系统出现短路故障时，线路的功率因数值却很高，基本达到0.9以上。相敏保护的保护特性如图1所示.图中3区是鉴相、鉴幅两者相结合的短路保护，2区是只有鉴相短路保护，1区是只有鉴幅保护电路（唐会祥,侯坤,金小强.基于RTOS的高压防爆开关智能综合保护器[J].煤矿机电,2008(6):93-97）。由图分析可知，3区要明显优于1区和2区，因为1区和2区均存在保护死区的现象。

图1 鉴相鉴幅保护特性

相敏保护的特性函数为：

可见，只要常数C的值大小适当，保护区域都比单独鉴幅和鉴相的保护区大。采用相敏保护，即使变压器出口短路，功率因数很小，但是由于电流值很大，只要选择合适的常数C，保护装置也能可靠动作。因此由于相敏保护只从两个电气参量进行取样，不仅有灵敏度高的特点，其动作可靠性也很高。

2.2 越级跳闸

越级跳闸也是煤矿井下常发生的事故之一，而且严重的情况下会导致井下出现大面积停电，使煤矿生产系统陷入瘫痪。

井下发生越级跳闸的原因包括以下几个：

（1）当下级回路短路电流较大时，超过上级保护装置的速断整定值，就会同时启动跳闸保护。

（2）开关机构机械原因。存在延迟跳闸，导致上一级的后备保护动作越级跳闸。

（3）整定值设置不当。计算出的整定值不够准确，或者不能随情况进行相应地调整。

（4）保护装置受到周围环境或者自身寿命的影响，从而出现误动作。针对越级跳闸，结合技术和现场运行经验，有的学者在必要的线路上加装电抗器，使得短路电流在两级线路之间差距加大，避免纵向的越级跳闸事故；有的学者对重要负荷供电时采取独立或者双回路的方式；有的学者在容易发生越级跳闸的线路段，让进线开关的主保护采用带有一定延时的过流保护；还有提出尽量避免电源的并列运行。

本文设计采用如图2所示的设计方案，即在每一级综合保护装置中，短路保护除末端外均设有10ms的延时，在延时阶段，下级保护装置将故障信息传输到上级保护装置中。例如在K3点发生短路故障，该级综合保护装置将故障信息K32和K31通过CAN口通信传输到上级综合保护装置中。同理K2点发生短路故障后，该级保护装置将故障信息传输到上级保护装置中。当上级保护装置接到下级保护装置发送过来的故障信息时，就会相应的作出延迟，防止越级跳闸，提高保护装置的可靠性。

图2 6kV高压供电系统

2.3 过载故障及其保护

当电机工作时的电流超过其额定电流、电源电压过低、重载启动都会使电动机产生过载情况，在相对时间内的过载是可以的，但是较长时间内过载会导致电缆的热量积聚，造成定子绕组的绝缘老化，减小电动机的使用年限（高俊岭,王清灵,朱咏梅.矿用低压馈电开关中相敏短路保护的研究[J].工况自动化,2006,10(2):60-63）。

针对过载故障，本设计采取反时限过电流保护（郝文延,周晋阳,毛亚波.电机反时限过载保护在煤矿企业中的应用研究[J].煤炭技术,2013,32(12)L58-60）。在线路保护中主要使用的三种反时限特性方程如式(2)、式(3)、式(4)所示。

一般反时限特性：

非常反时限特性：

超反时限特性：

式中I为测量电流，Ip基准电流，通常为额定电流值，t为反时限动作时间，tp为时间常数。普通反时限特性保护动作时间对过载电流值的敏感度较小，多用于一般线路中；超反时限特性保护的动作时间对过载电流的敏感度较高，一般用在线路发生短路时，两端的电流变化较大的时刻；非常反时限特性保护则在两者中间，经常用在线路首端或末端有可能出现大电流时。

2.4 欠压、过压故障及其保护措施

煤矿井下的故障电压主要是内部过电压，因为在该线路的入井处会装设防雷电装置，通信线路也装有熔断保护器，所以大气过电压一般影响不到井下，另外过电压还可分为暂态和稳态，其中暂态过电压可用阻容吸收装置或压敏电阻来进行抑制。稳态过电压可用鉴幅保护。当实际电压小于等于额定电压的60%-70%，就处于欠电压状态，系统就会进入欠电压保护。如果系统出现短暂的电压闪变，可以对欠电压保护增加延时功能，能显著提高安全性和可靠性。

2.5 漏电保护

在井下供电系统中，漏电一般就是指接地故障，但是绝大部分属于非金属接地（徐柏松.井下低压供电系统漏电保护优化方案研究[J],煤矿现代化,2017(6):102-104）。常用的井下漏电保护原理可以分为零序电流型、零序功率方向型、零序电流5次谐波方向型、首半波型、零序电流有功分量方向型等。

对于中性点不接地系统，此接地方式下的故障与非故障电流大小、方向均不相同，零序电流型、功率方向型保护原理在一定程度上适应此系统。而对于经消弧线圈接地的系统，零序电流型、功率方向型漏电保护原理已不适应选择性的要求。因为消弧线圈的电感补偿作用的存在，使其故障馈线的零序电流可能比非故障线的零序电流还要小，也会影响故障馈线的零序电流方向。

因此，本设计采用采用一种基于自适应算法的软件相位鉴别法，其原理是发生接地故障时，结合零序电流与零序电压的相位关系和幅值大小，设置零序电压和零序电流的启动值，判断是否发生漏电故障。这种方法的主要特点是母线零序电压相位相对于非故障馈线零序电流相位始终滞后90°，故障馈线母线出处流过的零序电流与零序电压的相位关系如图3所示，零序电流始终在第三或第四象限。因为过补偿可能会引发串联谐振，导致过电压，对电网安全运行造成危害，所以实际应用中，电网的消弧线圈采用过补偿运行状态，使故障馈线的零序电流相对于母线零序电压就落在第三象限。但是过补偿运行方式使故障馈线与非故障馈线的零序电流方向接近，难以区分，此时电网中多采用消弧线圈并电阻接地。因此零序电压滞后故障馈线零序电流θ角为：90°＜θ ≤ 270°。

本设计理论清晰，算法简单，是对零序电流型、零序功率方向型、零序电流有功分量方向型漏电保护原理的综合与改进，可以很好的应用到各种不同的中性点接地方式中。

图3 零序电流与零序电压的相位关系

2.6 监视线保护

监视线保护就是监视双屏蔽电缆的监视线和接地线之间有无短路或监视线和接地线有无断线故障的一种保护。常用的监视线保护原理有三种，包括直接加整流二极管的直流绝缘监视线保护、监视电阻上增设直流电源，利用直流伏安法的绝缘监视线保护，和在回路上增加整流二极管，利用二次谐波的绝缘监视线保护。前两种监视线保护受杂散电流影响，经常产生拒动和误动的现象，第三种比前两种的抗干扰能力有所提高，但依然受杂散电流影响产生拒动和误动。

本设计终端加电阻的交流监视线保护，其监视线保护原理如图4所示。

其中，Rj是监视线电阻，Rr是监视线和地线之间的绝缘电阻，Rd是地线电阻，Cr是监视线和地线之间的分布电容，Rz是终端电阻，R1,R3是分压电阻。本设计通过检测电阻R2两端电压大小来判断监视线是否有故障。当电压大于正常电压，则监视线可能发生断路故障，反之发生短路故障。

到英国的华工被直接安排去了前线，挖掘战壕，修筑工事，掩埋尸体，清扫地雷，修路架桥……英国人用华工替代了自己国家的码头工人和运输工人，让他们承担了最艰苦、最繁重、最危险的工作。

图4 监视线保护原理

3 高压防爆开关综合保护器的硬件设计

此保护器将和利时的LM3108G型PLC作为保护装置的中央单元，该PLC本身集成了A/D模块、开关量输入输出模块和通信模块，有效简化了系统，同时也提高了整个保护装置的抗干扰能力。因此本文设计的高压防爆开关的保护器具有测量、保护、控制、通信等功能，其硬件系统总体结构如图5所示，由模拟量采集模块、开关量输入输出模块、人机接口模块、通信模块、电源模块等组成。

图5 系统总体结构图

在电源单元模块中，本保护装置只需要+24VDC（对PLC、外部供电）、+5VDC（对液晶显示器供电）、AC75V（25HZ）即可，取高压防爆开关柜内互感器二次侧的100V（AC）作为供电电源。

在通信单元，其主要功能是负责保护装置与上位机之间的通信，以做到远程监控，有利于综合自动化的实现。在LM3108G中，本装置通信模块底层采用其自带的RS-485通信接口，使用Modbus通信协议。

在人机交互模块，采用一个小型红外遥控器通过液晶屏进行控制操作，并用OCM12864_4液晶模块构成显示单元，对保护装置的状态及故障信息进行显示。

在采样和A/D模块中，本保护装置采用RPT-202B电压互感器和RCTRCT-201B电流互感器进行信号的采集处理。两种互感器均有体积小，重量轻、线性度较好的优点。为了防止井下高压电网发生故障时产生高次谐波，本装置在采样电路之前加了一个单反馈低通滤波器，可以将高频分量滤除，保证采样的准确度。

4 综合保护器的软件设计

对于综合保护器而言，硬件电路是基础，软件设计才能使所有功能稳定可靠的运行。只有两者相互配合，才能完成相应数据的采集、存储、计算处理并精确的输出各种指令等任务。本保护器采用“PowerPreV4”软件，其相应的流程图如图6所示。保护装置上电或手动复位之后，进入主程序进行初始化和自检，如果检出错误，立刻通过液晶屏显示，反之则进行主循环，对参数进行采集和处理，再根据处理结果调用相应模块，给出相应的控制输出。

初始化主要包括对寄存器、开关量输入输出接口、模拟量输入接口、A/D模块、通信、人机接口等各模块进行初始化。自检主要包括处理器自检、开关量模拟量自检、整定值自检、通信自检等如果系统初始化或者自检错误，程序会发出相应错误警告，便于工作人员调试维修。

故障处理模块中包括各种短路、漏电、过载、过压和监视线绝缘等保护，分别具有故障判断、控制跳闸、报警显示等功能。

通信模块的功能包括读取发送参数、整定值发送或修改、远程复位合闸等接收和发送控制命令、数据、系统状态，是人员与设备、设备与设备间的桥梁。

5 硬件、软件抗干扰设计

煤矿井下的干扰很多，并且沿着线路侵入到保护装置中，也能以磁场的形式从空间辐射到保护装置。这些干扰会影响保护装置的正常工作，引发拒动或误动，造成严重的后果。因此要从硬件和软件两方面进行抗干扰设计，以保证其稳定可靠的工作。

在硬件方面，PLC自身有相应的抗干扰设计，包括输入通道采用光电隔离技术、输出通道采用继电器隔离等；在电源模块上会采用DC-DC电源、并联瓷片电容去耦滤波等措施；

在软件方面，有合理设计模块化程序，有数字滤波技术，有上电自检、用户自检、定时自检等自动检测技术。

图6 主程序流程图

6 结语

本文详细分析了煤矿井下6KV供电系统常见的几种故障及其保护原理，包括短路故障、越级跳闸、过载故障、欠过压故障、漏电故障等，在此基础上，进行了以LM3108G型PLC为核心的高性能高压防爆开关综合保护器的硬件和软件设计，并给出了一些抗干扰设计方法，提高了煤矿井下高压供电系统的安全性和可靠性，具有很高的应用价值和前景。