煤矿高压供电系统过流保护问题的研究

訾 强

（晋煤集团长平公司， 山西 晋城 048006）

引言

煤矿生产中，一旦发生过流故障，将产生大量的热能使电气设备遭到损害。在某些特殊的环境下，过高的温度或电气设备燃烧产生的明火，可能导致瓦斯爆炸，造成严重事故。因此，过流保护对提高煤矿供电稳定性、安全性有着重要的意义。

1 过流产生的原因及危害

1.1 短路过流

根据欧姆定律I=U/R，当短路发生时，电流没有流经负载，而直接形成回路。此时电阻仅为导线电阻，R无限接近于0，I接近于无穷大。根据P=I2R，功率也趋于无穷大，短时间将产生大量能量。这些能量将会以热能的形式释放，快速达到导线或电气设备的熔点或燃点，将导线熔断或将电气设备损毁。造成短路故障的原因主要是电路的绝缘层遭到破坏，因此，需要加强电路的检查和维护，如果有必要，需要加装短路保护装置。

1.2 过载过流

过载过流是指通过电气设备和电线的电流超过了设备的额定。如果过载时间过长，电能转化来的热量出现积聚，导致电缆绝缘层或电气设备烧毁，甚至出现漏电和短路事故。过载是导致井下电机烧毁的主要原因。

过载出现的本质原因是电流超过了额定值。如果电气设备或电缆本身选择不当，额电流过小，就极其容易出现过载。还有误操作导致过载。例如，某些输送机启动电流过大，连续点动启动，瞬时电流过大冲击电机，局部过热使电机烧毁。电源电压过低，电机内异物堵转等也都会导致电机过载。

1.3 断相过流

现有的煤矿电气设备所用电流都是三相电流，断相就是指三相中一相短路或电机的一相绕阻断路。当断路发生时，电气设备变为单相运行，转矩减小，通过的电流增大为三相下的1.7～2.0 倍。如果不及时断电，必然会烧毁电气设备。

导致断相出现的原因有以下几种：一是电机绕阻接线不牢脱落，这种情况发生较多；二是电缆和电机接线不牢；三是熔断器选用不当或其他情况导致的熔断；四是电缆选用不当或其他意外情况导致的电缆断路。为防止断相情况导致的严重后果，电机和电缆都应装有过流保护装置。

2 对过流保护装置的要求

为了防止过流故障的发生，需要安装过流保护装置。过流保护装置必须满足以下几个要求：高选择性。当某条线路发生过流时，不能影响到正常电路的运行，缩小影响范围；可靠性。随时处于准备状态，当过流发生时，不能拒动。当没有过流现象时，不能误动。通常导致误动的原因有：电压波动，电流非周期分量过大，电机反向启动，电机启动电流过大导致超过保护电流设置范围。而导致拒动的主要原因是：保护回路不通和设置不当。在故障没有发生前，电流已经切断，不使热量积聚，烧毁电气设备[1]。如果要保证保护装置的选择性、可靠性以及灵敏性，除了保护装置本身的质量外，还需要对其进行设置和整定，避免出现误动以及拒动。

3 过流保护装置的整定

过流保护一般采用三段式保护，即瞬时电流速断保护（过流Ⅰ段）、限时电流速断（过流II 段）和定时限过流保护（过流III 段）。

3.1 瞬时电流速断

瞬时速断是为了保证过流保护的高选择性和灵敏性。当故障发生时，快速切除故障电路，避免越级跳闸，减小事故的影响范围[2-3]。

在煤矿中每段电缆仅有1～2 km，因此，本级瞬时速断整定范围对于下级末端也有一定的灵敏度，导致下级的保护效果为零。所以，常规的瞬时速断整定方法在煤矿中是不适用的。一般采用“逆向整定”的思路，先设置一个大于1.5 的系数Kr，根据下式计算整定值：

3.2 限时电流速断

瞬时速断保护范围较窄，无法对整个电路系统全长进行保护，所以需要增加一个后备保护。该后备保护应与瞬时速断保护相结合。通常使用的是带有延时的限时电流速断，延时时间一般在0.25～0.3 s左右。要求其必须满足选择性、可靠性和灵敏性的要求。

限时速断电流IdzII的整定公式为：

式中：Idz2I为下级线路的瞬时断路整定值；Kr'为可靠性系数，为1.1～1.2。延时时间一般在0.25 s。

整定完成后需要进行灵敏度验证。校验方法为短路时两端的最小两相电流除以保护装置的动作参数。作为后备保护时，灵敏度不应小于1.15。作为主保护时，灵敏度不应小于1.25。

3.3 定时过流保护

定时电流保护是一般作为主保护的后备保护。除了保护线路全长外，还应能保护相邻线路全长以及相邻元件，起到进后备和远后备保护的作用[4]。它的工作原理见图1。

图1 定时过流保护原理示意图

当短路电流大于保护装置1、2、3 的动作电流时，1、2、3 将会启动。为了满足选择性要求，保护时间应满足式（3）：

式中：T1、T2、T3分别为到达点1、点2、点3 时的时间；ΔT为两点之间的时间差。

由此可见，接近电源，定时过流保护的动作时间也会相应延长。可以看出，定时过流保护的动作时间是固定的，和电流大小没有关系[5]。它的整定原则为：

1）最大负荷电流流过被保护线路时，保护装置不动作。

2）切除了相邻线路的短路故障后，保护能可靠的返回。

式中：Ire表示系统的短路保护电流值；Is.max表系统的短路电流值

3.4 自适应过保护系统

目前部分煤矿已经开发并应用了自适应的过电流保护系统，如图2 所示，它的主要特征是整定值能够随电流变化进行调整[6]。

图2 自适应过保护系统结构示意图

它的每段都有瞬时速断和反时限的过流保护，并采用了连锁控制，整个数据采集都在短路的暂态过程中完成。它的暂态时间一般为0.2 s，所以各级保护都延时0.2 s。

4 结论

通过对供电系统在各阶段的整定原理进行分析，表明自适应过流保护能够实现对供电系统的有效保护，显著提升供电系统的稳定性和安全性，具有灵敏度高、可靠性好的优点。