基于快速断电技术的防越级跳闸方案分析

祁吉成，李亚松，郑 达

（中国矿业大学（北京） 机电与信息工程学院，北京 100083）

0 引 言

煤矿井下供电网络多为多级辐射状供电系统，线路距离较短，发生短路故障时，上下级电流差值小，在目前井下断路器切除故障出口时间较长的情况下，动作电流整定困难，容易引起越级跳闸[1-3]。解决煤矿井下越级跳闸对煤矿安全可靠生产有重要意义。因此，近些年人们针对越级跳闸提出了很多解决方案，如基于光纤纵联差动保护的越级跳闸解决方案、基于电气信号闭锁保护的防越级跳闸解决方案以及基于总站与分站保护原理的防越级跳闸解决方案等[4]。尽管上述3种方案都有成功应用案例，但是都需要以可靠快速的通信线路为基础。随着开关技术的发展，可设计出切除故障出口时间小于10 ms的快速断电装置。在目前供电部门允许短路时间小于0.5 s的情况下，煤矿井下越级跳闸主要是现有断路器关断速度太慢引起整定困难所导致。因此充分利用固态断路器技术具有快速关断特性和易于整定的优点，无疑是解决越级跳闸的一个有效思路。

本文基于现有的《煤矿安全规程》要求，结合当前的固态断路器快速断电技术，提出了解决防短路引起的越级跳闸解决方案，并进行了可行性分析[5]。

1 快速断电技术阐述

根据技术路线的区别，快速断电装置大体可以分为3类，分别是基于电弧电压建立原理的空气式断路器、基于电力电子器件的固态断路器以及基于功能分解组合的混合型断路器[6]。其中，空气式断路器早已在矿用配电装置中实现应用，具有应用经验丰富且技术成熟的优点，但存在分断时间长和限流效果差等问题[7-9]。针对矿井供电系统断电装置的快速性问题，中国矿业大学（北京）成功研制了基于DSP的煤矿井下快速断电开关装置，采用以绝缘栅双极晶体管（Insulated-Gate Bipolar Transistor，IGBT）为主要元件的固态断路器拓扑结构，能够实现全切断时间不大于3 ms的目标[10]。但是，固态断路器在正常工作时，由IGBT承担额定电流，与机械开关相比存在通态损耗大和价格昂贵的缺点。

近年来，混合型断路器在直流输配电领域成为研究热点，很多学者提出不同的电路拓扑和技术方案[11,12]。相较于固态断路器，混合型断路器在正常工作时，由机械开关支路承担额定电流，开关通态损耗小，具有良好的静态特性。当需要分闸时，电流转移至固态开关支路，利用电流换路减小电弧燃烧时间来缩短机械开关分断时间，具有良好的动态特性。本文采用基于晶闸管的混合型断路器的电路拓扑结构，具有双向分断的功能，因此可应用在交流场合的矿井供电系统[13]。

2 快速断电技术在防越级跳闸中的应用分析

由于煤矿井下供电系统的电压等级大多在10 kV以下，选用混合型断路器可以轻松满足容量要求。另外GB/T50062—2008《电力装置的继电保护和自动装置设计规范》中规定，当过流保护的动作时限大于0.5～0.7 s时，应装设瞬时电流速断保护，国家电网对电力系统末端负荷保护时间要求一般不超过0.5 s，因此整个保护系统的最大动作时间不能超过0.5 s。而基于换流技术的混合型断路器，切除故障出口时间大多小于10 ms，在多级供电线路中，上下相邻两级动作时限差Δt可以取得很小，使各级断路器明显分级，可以使用传统的设置纵向时间极差的整定方法进行整定来防止越级跳闸。

2.1 煤矿井下供电系统保护分析

根据煤矿井下多级式供电系统要求，井下每级供电系统都应该配有保护装置。以三级式煤矿井下供电系统为例，整个供电系统中的一回路保护装置位置如图1所示。其中自地面变电所至移动变电站，负荷端共有中央变电所、采区一所以及采区二所三级。

图1 煤矿井下保护装置安装位置图

当第一级设置为电流速断保护，保护装置可在半个工频周期内检测到短路故障并发出分闸信号，考虑到保护装置分闸时间，第一级断开时间为不大于25 ms，考虑到一定裕度，第一级最大分闸时间为35 ms。若每一级时间极差设置为90 ms，那么各级断路器动作时限关系如图2所示，图中以中央变电所为中心，移动变电站为远距离端，t1为最远端发生短路时第一级保护的分闸时间。

图2 各级断路器动作时限关系

在每级级差Δt为90 ms的情况下，整个煤矿供电系统一共可设置为六级，从图中可以看出，采区发生短路故障时，最多需要485 ms切断故障电流，能满足我国绝大部分煤矿供电系统对最大动作时间不能超过0.5 s的要求。

2.2 越级跳闸案例分析

以三级式煤矿井下供电系统为例对几种防越级跳闸方案进行分析。越级跳闸现象大多是由线路短路故障引起的，针对短路故障引起的越级跳闸，在线路末端负荷保护装置设置为电流速断保护，在自地面回路到井下中央变电所的保护装置设置为时限0.5 s的定时限限流保护，而中间各级根据各煤矿井下供电系统的构成分别设置定时限限流保护。在图2中，一级设置为限流速断保护，第二级设置为含0.2 s延时的定时限限流保护，第三级设置为含0.4 s延时的定时限限流保护，每一级保护装置限流整定值设置为本级线路末端发生短路电流最小值。另外，考虑到煤矿井下异步电机启动电流可达额定工作电流的4～7倍，当启动电流值大于保护装置短路电流整定值时会造成断路器的误动作，因此限流保护整定时间需要躲过异步电机启动冲击电流时间，而异步电机的启动时间一般大于0.5 s，所以不能通过延长保护装置的动作时间来解决由电机启动引起的保护装置误动作。由于煤矿井下供电系统中的负载均为感性负载，在电机启动时的功率因数较低，一般都低于0.5，而短路故障发生时功率因数在0.9以上，因此通过判断电压电流幅值和相位关系即可区分短路故障和电机启动。短路故障时和电机启动时的电压电流波形如图3所示。

图3 线电压与相电流波形图

从图3中可以看出，发生短路故障时，故障相间线电压为零，而异步电机启动时三相线电压不为零，因此当有线路电流超过设定阈值时，只要判断是否有线电压为零即可分辨出电机启动与短路故障。即便如此，异步电机启动时也要避免重载直接启动，应采取合适的启动方式防止电流过大对电机和供电系统造成危害，同时也需要相应的过载保护使电机安全稳定运行。

但是过载保护也可能引起越级跳闸，一般过载保护动作时间与线路电流幅值成反比，当脱扣器过载保护特性设计不合理时就可能发生越级跳闸现象。按照经验，过载倍数β与允许过载时间t的关系为：

式中，α为电机绕组允许升温倍数，一般取1.2。除此之外，若在不同供电级过载保护中加设相应的延时动作时间tx，既能实现过载保护功能，又能有效防止越级跳闸现象的发生。β与t关系为：

另外，为防止煤矿井下带载起动和保护异步电动机，煤矿供电系统的高低压开关均设有高低压脱扣器。MT871—2011《矿用防爆低压交流真空馈电开关》中指出，当脱扣器的电压在其额定控制电源电压值的35%～70%时，应引起馈电开关跳闸。针对由短路故障引起的欠电压保护越级跳闸，使用基于快速断电技术的保护装置可在0.5 s内将故障切除，因此使欠电压保护装置的动作时间带有0.5 s以上的动作延时即可防止欠电压保护越级跳闸。同样针对雷电影响时间短的特点，使欠电压保护整定时间躲过雷电的最大影响时间。雷电持续时间约为0.01 s，远小于0.5 s，因此若采用有0.5 s延时动作的欠电压保护即可防止因欠电压保护引起的越级跳闸。

除此之外，发生漏电故障时，漏电保护也可能引起越级跳闸。煤矿电网在中性点不接地运行方式下发生漏电故障时，从故障线路到接近电源侧联络线的零序电流逐渐变小，且与正常线路方向相反，因此漏电保护通过采用时间极差的方式来满足纵向选择性。但是随着我国煤矿开采面的不断延伸扩展，煤矿供电线路对地分布电容越来越大，对于分布电容电流超过定值时应装设消弧线圈，而消弧线圈一般在过补偿状态，使故障线路与非故障线路零序电流相位相同，虽然对接地电弧有较大的抑制作用，但是同时使漏电保护选线方法失效，不仅不能满足纵向选择性，对横向选择性也有影响。目前，煤矿井下选择性漏电保护技术还在不断研究和发展中，各种保护原理相继提出，但是其可靠性与可行性还有待商榷。尽管如此，使用快速断电装置还是能够提高现有漏电保护装置性能，可通过减小断路器分断时间来提高中性点不接地系统漏电保护纵向选择可靠性，同时也能为新型保护原理的实施提供有利的条件。

3 结 论

在煤矿供电系统中，由于发生越级跳闸会带来安全隐患，因此本文针对目前越级跳闸的原因和解决越级跳闸的几种原理进行了阐述，针对其存在的问题，本文提出基于快速断电技术的防短路越级跳闸方案。