煤矿短距离供电线路瞬时速断保护可靠性分析

王黎春

（山西锦兴能源有限公司，山西 吕梁 033000）

1 研究背景

电力系统的各种输配电设备以及供电线路可能出现故障和非正常运行状态，最常见的有接地、断线、短路等，其中破坏性最强的是各种类型的短路故障，也是电气事故中最为危险一类事故，特别是在煤矿井下供电线路发生短路事故时，电弧火花不但使线路烧毁、设备损坏，还会使局部线路的电压大幅度下降，甚至使电力系统瓦解，造成大面积停电。更为严重的是在爆炸气体环境中容易引发瓦斯、煤尘等爆炸，引发重大安全生产事故，造成人员伤亡并带来不可估量的经济损失。

引入继电保护是为了及时处理电力系统故障和预警非正常运行状态。它是一种能检测电力系统发生故障并能切除故障或对不正常的运行状态发出警示的自动化装置，一般来讲，继电保护装置必须在技术层面满足速动性、灵敏性、选择性以及可靠性四个最基本的要求，四个要求相互制约、对立统一，所以在继电保护方面各个环节都要根据运行的需要协调关系，才能发挥最大保护作用，同时避免误动造成不必要的损失。

众所周知，供电线路一般采用瞬时电流速断保护、限时电流速断保护、定时限过电流保护构成一套完整的保护。其中电流速断保护不带延时，为瞬时性，反应最快，要求在发生故障时第一时间做出保护动作。笔者在所在单位作为供电系统管理人员，负责整定计算工作，在整定瞬时电流速断的保护定值时，特别是选择整定值的确定方法时发现一些误区和实际计算方式与理论的偏差，在这里根据瞬时电流速断的保护原理作出分析，探讨在极短距离输电线路中，瞬时速断保护的保护范围和可靠性。

2 短路电流的计算和系统运行方式的确定

短路计算是继电保护的基础，根据电力系统的分析，系统发生三相短路电流计算公式如下：

由计算公式可知在一定的系统运行方式下，短路电流的大小和短路发生点距离电源的距离成反比，距离越近，短路电流就越大，反之，距离远了，短路电流就小了。当短路点距电源越远时，短路点至保护安装处之间的阻抗Zk越大，短路电流Id越小，系统运行方式小。当短路点距电源越近时，短路点至保护安装处之间的阻抗Zk越小，短路电流Id越大，系统运行方式大，当系统运行方式及故障类型改变时，短路电流也在变化。因此，在继电保护整定计算中，需要确定可能的最大短路电流和最小短路电流，对于保护装置来说，流过保护安装处短路电流最大的方式视之为系统最大运行的方式，反之，则称为系统最小运行方式。

供电系统在最大运行方式情况下，线路末端发生三相短路时候，电流速断保护范围为最大，而当系统最小运行方式并发生两相短路时，电流速断的保护范围为最小。最小保护范围因此成为来衡量电流速断保护的性能最重要的指标。

3 瞬时电流速断保护保护范围与校验

对于笔者所在的煤矿企业而言，输电距离短，10 kV入井线路从地面110 kV变电站到中央变电所再到采区变电所，采煤工作面也只有不足10 km的长度，个别线路只有几千米，甚至只有几百米，较短的线路组成的供电网络就会出现线路末端最大三相短路电流值和线路首段最小两相短路电流值大小区分不明，容易造成保护范围延长超过本级线路，甚至到变压器的低压侧，在这种情况下，低压侧发生短路故障的时候，上级线路的瞬时速断保护可能先于本级线路保护动作，如此则产生了越级跳闸。由此看出，前文所述继电保护的需满足的四项基本技术要求在实际应用中比较难以兼顾，特别是选择性和灵敏性更是不可调和。

在煤炭企业中，大负荷较为集中，矿井通风、排水、瓦斯抽排等涉及安全生产的一级负荷又较多，一般对输电线路保护装置的动作速动性要求非常高，同时要求选择性较强。因此在输电系统上，装设反映电流增大而瞬间动作的瞬时电流速断保护是必须要求投入的。以表示能够使保护装置启动的最小电流值，当被保护线路的一次侧电流大于等于这个值时候，保护装置就发出指令，切断故障线路电源。

3.1 保护装置的动作电流

3.2 灵敏度校验

保护动作的灵敏度是保护性能好坏的标志，对于电流而言，最小运行方式下计算出的首端两相短路电流，与保护装置设定的整定值之比应该大于1.5，以满足动作的灵敏度。

按照首端最小两相短路电流校验：

按照最小保护范围校验，一般规定在最小运行方式下线路发生两相短路时，瞬时速断电流对线路的最小保护范围，要求大于线路全长的15%。计算公式如下：

校验公式如下：

式（4）（5）中：Lmin为最小保护范围，km；Z1为被保护线路单位长度的阻抗，Ω/km；Uφ为系统等效电源的相电压，V；Xs.min为系统在最小运行方式下所对应的系统最大电抗值，Ω；Lmin%为瞬时电流速断保护的最小保护范围百分比；LA－B为被保护线路的全长，km。

综上，线路瞬时速断保护必须满足最小保护范围的规定和灵敏度要求。

3.3 举例分析

煤矿采区供电线路长度是动态的，由采区变电所供工作面的线路长度随着煤矿采煤工作面的推进在不断缩短，随着线路的缩短，初始设定的线路瞬时速断保护整定值是否还能满足不小于被保护线路长度的15%，现以以下供电线路为例逐步分析，如图1所示。

图1 供电线路

当线路长度LA－B=6 km时：

保护范围能够满足要求。

当线路长度LA－B=4 km时：

保护范围已不能满足要求。

当线路长度为LA－B=2 km时：

此时，保护已经没有了动作范围，不能起到保护作用。

4 结论

经过分析，当供电线路逐渐缩短时候，通过系统阻抗确定的短路电流计算出的保护装置动作电流将增大，瞬时电流速断保护的范围将快速缩短，甚至成为理论上的负值，以至于没有保护范围，瞬时速断电流保护不再起作用，需要后备保护启动以切除线路故障。那么在此种情况下，保护装置的瞬时速断保护电流整定值需要重新确定，按照最小保护范围不小于线路全长15%的要求进行逆向整定，以保证同时满足灵敏度与可靠性。