浅谈矿井三段式电流保护

浅谈矿井三段式电流保护

郝世炜

（开滦（集团）蔚州矿业有限责任公司单侯矿河北张家口075700）

煤矿井下电网主要由高压防爆开关、低压馈电开关、电缆组成。由于煤矿环境恶劣，电网经常发生短路、过负荷、漏电等故障，因此《煤矿安全规程》中规定井下防爆开关一般应装设短路、过负荷、漏电保护装置。煤矿供电系统中的继电保护作为煤矿电力安全生产体系中的重要环节，对确保煤矿电力系统的安全、稳定以及可靠运行有着重要的作用。供电系统中继电保护装置的性能，与其配置和整定密切相关。然而在实际使用中，由于许多矿井技术人员不能很好地理解继电保护理论，常常出现保护定值设置不当的情况，导致保护误动或拒动，从而影响矿井的安全生产。本文从保护理论出发，分析正确整定井下高压保护定值的方法，并且对煤矿供电网的继电保护存在的问题进行优化，在理论上和实际上都具有重要的意义。

一、三段式电流保护定值整定分析

对煤矿电网而言，高压一般指10、6、3.3kV电压等级，低压一般指1140、660V及以下电压等级。根据电力系统的结构特征和运行要求，电流保护可分为电流速断保护、限时电流速断保护、定时限过流保护和反时限过流保护。电流速断保护也称作过流I段、短路保护，限时电流速断保护也称作过流lI段，过流、过载保护也称作过流III段。一般终端线路只投入短路保护和过载保护，而电源进出线需要上下级配合，以防止越级跳闸，因此需投入短路保护和后备保护。由于煤矿井下低压电网线路覆盖范围有限，电流保护一般仅投入短路保护及过载保护。以下线路上的保护配合主要针对井下高压电网。

1电流速断保护

电流速断保护作为本线路的主保护，主要起保护本线路的作用，其整定值按躲过线路末端短路故障时流过保护的最大短路电流整定。如果本开关所带设备为变压器，可以对速断保护加一定的小延时动作，以防止空载投入大型变压器时产生励磁涌流冲击，使电流速断保护误动，导致变压器投不上的情况发生。一般来说，变压器容量在600kVA以上时就要加小延时，小延时时间可设置为40-50ms．

这样既能躲过变压器励磁涌流冲击，又不至于对电流速断保护造成大的影响。

2限时电流速断保护

当电流速断保护不能保护本线路的全长时，需要作为后备的限时电流速断保护来切除本线路上电流速断保护以外的故障。限时电流速断保护定值整定原则：（l）应在任何情况下都能保护本线路的全长，并且有足够的灵敏性和最小的动作时限。（2）为了保证选择性，限时电流速断保护定值的整定范同不能超过下一条线路电流速断保护的范围。（3）为了与相邻线路的电流速断保护配合，限时电流速断保护与相邻线路的电流速断保护之间至少应有70ms的动作时限差，以保证下级开关动作后上级保护能顺利返回。

3定时限过流保护

定时限过电流保护是指启动电流按照避开最大负荷电流整定的保护。在电网发生故障时，定时限过流保护因电流增大而动作。在一般情况下，它不仅能保护本线路的全长，而且也能保护相邻线路的全长，起到后备保护的作用。定时限过流保护的保护定值应与相邻线路的限时电流速断保护或过电流保护配合整定，其动作时间整定原则：（1）延时应为相邻线路限时速断保护延时的最大值加上时限差。（2）对于高压防爆丌关，其定时限过电流与相邻线路的电流限时速断保护之间至少应有70ms的动作时限差。

4反时限过流保护

定时限过流保护越靠近电源，保护动作时限越长，对切除故障不利。为了缩短Ⅲ段过流保护的动作时限，第Ⅲ段可采用反时限过电流保护。采用反时限过电流保护时，故障点越靠近电源，流经保护的短路电流越大，动作时间越短。反时限过流保护的电流整定值按躲过线路最大负荷电流来整定。反时限特性是指允许过电流通过的时间与其电流大小成反比，即过电流值越大，允许通过的时问越短，而过电流值越小，允许通过的时间越长。具有反时限特性的负载（如一般电动机）的过载保护宜采用反时限过流保护。

目前保护器的反时限过流保护有一般反时限、非常反时限、极度反时限、长反时限4种。

二、三段式电流保护整定实例分析

三段式电流保护的主要优点是简单，可靠，而且在一般睛况下能够满足快速切除故障的要求，因此在电网中获得了广泛应用，在一定程度上解决了煤矿井下电网越级跳闸的问题。其缺点是直接受电网接线以及电力系统运行方式的影响，而煤矿井下供电线路经常发生变化，因此在实际应用中，应根据线路变化及时调整定值，以避免发生越级跳闸故障。下面以图1所示线路为例，说明三段式电流保护的整定。

图1三段式电流保护整定实例

设开关1和开关3的额定电流为300A，开关2和开关4的额定电流为200A。经计算，线路末端短路故障时流过保护的最大短路电流为1400A。

开关4短路整定倍数计算：（1.2～1.3）×1400&pide;200=（8.4～9.1）。其中1.2～1.3为可靠系数，则开关4短路整定值可设定为9倍的额定电流值，时限设定为0。

开关3限时速断保护与开关4速断保护配合，保护范围不能超过开关4的保护范围。当开关4速断保护值整定为9倍额定电流值时，开关3限时速断保护整定倍数计算：（1.1～1.2）×9×200&pide;300=（6.6～7.2）；其中1.1～1.2可靠系数，则开关3限时速断值可设定为7倍的额定电流值，时限设定为80ms或以上。

开关l与开关2～6做定时限配合，设开关2、3、5中定时限过电流设定值分别为400、600、500A，延时分别设定为l50、160、170ms。开关1定时限整定倍数计算1.1×600&pide;300=2.2，其中1.1为可靠系数，则开关1定时限整定值可设定为2.2倍的额定电流值，延时时间设定为250ms。

三、单侯矿供电系统中继保装置存在的问题分析

目前，单侯矿的高压供电系统中较多采用的是定时限过电流保护和瞬时电流速断保护。供电系统为双路6kV电源、高压母线分段联络但不能自动投入。在系统供电的可靠性、故障响应的灵敏性、保护动作的选择性、切除故障的快速性以及运行方式的灵活性、运行人员的熟练性上都存在着一些急待解决的问题。如图2所示为单侯矿供电系统保护配置图。

由图2中定值与时限的配合，结合煤矿井下供电的特殊性，可以看出煤矿供电系统线路保护中存在的主要问题有：

1、目前采区配电室的整定原则是确定最远端的负荷性质和大小，根据计算结果整定供此处负荷的开关定值，然后逐级向各个采区配电室计算，根据所供负荷中功率最大者确定过流保护定值，以最远端的短路电流整定速断保护。依次向上逐级配合，速断保护和过载保护的定值和时限从采区配电室向下逐级降低。

2、煤矿井下供电系统是一个单侧电源辐射状电网，由于采区配电室距电源较远，中间经过的开关级数较多，需要较长的时限和较大的定值配合，而电力部门对电源保护的时限和定值已经限定，无法更改，造成给定整定值过小，保护时限过短，保护无法配合。

3、煤矿供电系统继电保护级数多，井下供电大都采用铜芯电缆，距离短，阻抗较小，故中央配电室以下各级短路电流值相差很小，不利于保护的整定。图2所示系统地面至采区干变处的线路保护就有7级。6KV配电室进线保护的时限是固定为1.2s，而下级保护的时限应比上级保护的时限少0.55s（或0.75s）。由此可见，按每级间保持0.55s的时限来计算，根本就不能起到保护，甚至难以保证在供电线路故障时，出现不越级跳闸的现象。

四、煤矿供电系统中继保装置的改进分析

1、继保装置中瞬时速断保护的优化

考虑到地面6KV配电室出线开关的重要性，设置为三段式保护，瞬时速断动作电流按躲过下井线路末端最大三相短路电流来整定，在最小运行方式下发生两相短路时，至少具有线路全长约20%的保护范围，剩下的80%由限时速断来解决。中央配电室和采区配电室的出线开关，瞬时速断用常规的按躲过线路末端最大三相短路电流的整定原则进行整定。

2、继保装置中限时速断保护的优化

根据煤矿井下电网的特殊情况，各母线间短路电流的差距很小，虽在地面6KV配电室至中央配电室之间增设电抗器，中央配电室之后多级保护之间动作电流的差距仍不能保证系统纵向的选择性。为解决这个问题，改变传统的II段时限与相邻线路I段时限配合的整定原则，在各出线处II段时限按与相邻线路进线处II段时限配合的原则进行整定；进线保护II段亦与相邻线路出线处II段进行配合。此原则降低了越级跳闸的可能性。

3、继保装置中定时限过流保护的优化

一般定时限过流保护均按变压器过流保护进行整定，对于大功率设备（如刮板输送机、采煤机），考虑煤矿特点是没有自启动现象，按躲过正常最大工作电流整定，或用尖峰电流来代替正常最大工作电流。线路尖峰电流的概念是：该线路其它设备正在以半小时最大负荷运行，而线路中一台最大容量的电动机正在启动时，在线路中产生的短时最大工作电流。启动电流倍数根据井下防爆电动机的实际情况可取5～6倍。定时过流要求能保护全长，故应用线路末端最小两相短路电流来校验其灵敏度系数，系数应不小于1.5。对于中央配电室进线定时限过流保护按与上下级配电室配合的原则进行优化。

4、继保装置中整体配合的优化

根据前面分析，考虑到煤矿供电系统的特点，以及井下电缆网络发生短路故障的几率远高于地面6KV线路等，总体的线路保护系统优化方案，既要限制井下发生短路时大电流对上级变电所的冲击，又要兼顾井上、井下保护动作值的配合，还要考虑全线电压损失和保护系统的可靠性，选择性等要求。

中央配电室出线开关设置具有短阶梯时限的限时速断和定时过流两段式保护，中央配电室出线II段与采区配电室进线保护I段配合，动作时限整定为0.1s。每段母线的进线和出线的II段保护可以整定为同一时限，同一条线路的出线和进线的时限级差为0.1s。在地面6kV配电室出线开关上设置两段式电流保护，定时过流时限与进线开关定时过流保护配合，整定为1s；本级限时速断整定为0.2s，动作电流应保护下井线路的全长。