煤矿井下电网越级跳闸的原因分析和探讨.pdf

第 3期 2 0 0 9年 3月 工矿 自 动化 I n dus t r y a nd M i n e Aut oma t i on No ． 3 Ma r ． 2 00 9 文章编 号 1 6 7 1 2 5 1 X 2 0 0 9 0 3 0 0 8 2 --0 3 煤矿井下电网越级跳闻的原因分析和探讨 栾永春 ， 刘建伟 永 城煤 电集 团车集 煤矿 ， 河南 郑 州4 5 0 0 1 6 摘要 文章介绍了目前煤矿井下供 电系统的现状， 针对井下短路故障时越级跳 闸和漏电故障时非选择性 误跳 闸的原 因进 行 了详 细分析 ， 并给 出了解决 方法 对 于短路 故 障 时越 级跳 闸提 出 了一种 将 井下 高压防爆 开 关的智 能综合保 护 器的采 样 、 处理 、 输 出等 冗余 环节作 为后备 保 护 ， 加 以直接 的 电流速 断保护 的改造 方案 ； 对 于漏 电故 障 时非选择 性误 跳 闸提 出 了一 种 对 总馈 电开关 和 分 支馈 电开 关 分别 采 用 不 同保 护 方 式 的改 造 方 案。实际运行表 明， 经改造后的 B G P系列高压防爆开关有效地避免 了因越级跳闸造成的大面积停 电事故 ， 减 少 了安 全 隐患 ， 提 高了生产效 率 ； 漏 电保护 的改造基 本上 满足 了漏 电故 障 准确跳 闸的要 求 ， 提 高 了供 电的 安 全性和 可 靠性 。 关键 词 矿 井 ；供 电 系统 ；高压 防爆 开 关 ； 越 级跳 闸；选择 性漏 电保护 ； 动 作 时间 中图分类 号 T D 6 1 1 ． 5 文献标 识码 B 0 引言 煤矿 井下发 生短 路 故 障 时 ， 地 面 3 5 ／ 6 k V 变 电 站 高压开 关柜发 生 动作 ， 但 井 下 普 遍使 用 的配 有 智 能综合保护器 的 B G P系列高压防爆开关却不发生 保护瞬动跳闸， 而是在上一级 电源短路保 护速断跳 闸后 ， 才 导致高压 防爆 开关 失压跳 闸 ， 这种现 象在 井 下电网中频繁出现 。同时， 井下供 电系统发生漏电 故障时漏 电保护因不能准确地判断故 障线路 ， 造成 高压防爆开关误动或拒动等现象 。由于越级停电跳 闸影响范 围大 ， 给故 障的查找 和供 电的恢 复带来麻 烦 ， 直接影响安全生产。为此 ， 深入分析越级跳闸保 护 机理 ， 对煤 矿 井 下 连 续 供 电 、 确 保 安 全 生 产 具 有 十分重要 的意义 。 1 煤矿 井下 电网越 级跳 闸的原 因及 分析 1 ． 1 煤 矿 井下 电网越级跳 闸的原 因 1 煤矿井下 目前使用的高压防爆开关在选型 上没有与地面变电所的供 电设备合理配套 ， 特别是 没有合理地整定保护器的配合 。由于煤矿井下供 电 的特殊性 ， 即速断保护的无时限特性 ， 更给保护器的 选用和整定带来 了技术难题 目前国内的短路保护 收稿 日期 2 0 0 8 1 1 1 7 作者简介 栾永春 1 9 7 7 一 ， 男 ， 助 理工程 师 ， 1 9 9 8年 毕业于华 北矿业高等专科学校 ， 现为永城煤电集团车集煤矿机 电队长 ， 主要从 事矿井供 电 管理 工作 。Te l 0 3 7 0 5 1 9 2 5 2 7 ； E ma i l l i u 8 7 4 2 7 9 3 1 6 3 ． c 0 m 要求动作时间小于 0 ． 2 S ， 也就是直接向煤矿井下供 电的最上一级开关的短路保护动作时间为 0 ． 2 s ， 在 如此短的时间内实现保护器时间上 的配合 ， 无论 在 理论 上还 是在 现有设 备 的制作水 平上都 很难 实现 。 2 选择性漏电保护出现选线不准主要与 以下 情况有关 ① 接地方式非常复杂 接地方式可分为 瞬时性接地、 稳定性接地方式， 其 中每种方式又包括 直接 接地 、 电阻性 接地 、 电弧 性 接地 等 类 型 ， 从 而造 成故障信号的复杂性。② 零序电流互感器特性 不 一 致 以及互感器遇到极小信号 、 极大信号和奇异信 号 时的严 重失 真 ， 给信 号识 别造 成 困难 。③ 电 网系 统本 身含 有大 量不 确 定谐 波 ， 对 基 于 谐 波原 理 的 保 护造 成影 响 。④ 电 网系统参 数 的影 响 主要包 括 系 统对 地 电容 的大 小 、 系 统 的 平 衡 程 度 、 电 网 补偿 程 度 、 变电所线路 的多少以及线路的长短等参数。 1 ． 2 煤矿 井下 电 网越级 跳 闸的分析 煤矿井下 目前使用的高压防爆开关动作时间一 保护器动作时间高压防爆开关固有动作时间。 保护器动作时间一保护采样时间单片机处理 时间继 电器输 出时 间一0 ． 0 41 ／ o o 4 - 0 ． 0 2 0． 0 6 s 高压防爆开关 固有动作时 间一2 4 V跳 闸电磁 铁的动作时间跳 闸机构动作时间真空断路器动 作时间一0 ． 0 8 4-0 ． 1 8 ／ 1 0 0 0 1 一0 ． 1 8 8 s 当发生短路时总的速断动作时间为 保护动作时间一保护器动作时问高压防爆开 关 动作 时 间 一0 ． 0 6 4-0 ． 1 8 8 0 ． 2 4 8 s 2 0 0 9年第 3 期 栾永春等 煤矿井下电网越级跳 闸的原因分析和探讨 8 3 就开关和保护器本身来讲 ， 动作时间均满足要 求， 但当开关和保护器一起配套使用时 ， 保护动作时 间却大于 0 ． 2 s ， 即 0 ． 2 4 8 S 。 目前 ， 煤 矿地 面 向井 下供 电的 最上 一 级 开关 即 普遍使用 的 GG I A型高压开关柜总 的速断动作 时间小 于 0 ． 2 s 。 由于煤矿地面的高压开关柜和井下的高压防爆 开关在一起配套使用 ， 当井下发生短路故障时， 地面 的高压开关柜动作快于井下的高压 防爆开关 ， 因而 造成 煤矿 井下 越级 跳 闸现象 。 2煤矿 井下 电网越 级跳 闸 的解决 方 法 2 ． 1 高压供 电速 断越级跳 闸的 解决 方法 1 对 B GP系 列 高 压 防爆 开关 动 作 时 间 进 行 改造 缩短保护动作时间， 将井下高压防爆开关的 智能综合保护器的采样、 处理 、 输出等冗余环节作为 后备保护 ， 加以直接的电流速断保护 ， 电流继电器采 用比 GL型动作时间更快的电流继电器 。即将高压 防爆开 关原 电流 互 感 器 2 K1 、 2 K2去 电流 源 部 分不 用 ， 新增加 2个 DL 一3 2型电流继电器作 为短路保 护的主保 护 ， 原高 压 防爆 开关 短 路 保 护 作 为后 备 保 护 。改 造后 的 B GP系 列 高 压 防爆 开 关 原 理 如 图 1 所示 。 J 2 K l 苫 l ￡ J _D L - 3 J_ 2 K 2 去综保 J 1 Kl } 一 1 K2 a 采样部分原理图 速 断部分 ． ． 。 报 警 部 分 L ， DL21 b 控 制 邵 分 原 理 图 图 1 改造后的 B G P系列高压防爆开关原理 图 改造后 的 B GP系列高压防爆开关 由于短路保 护直接作用于电流继电器 ， 缩短了开关短路保护速 断的跳闸时间 ， 增大 了井下高压防爆开关 的动作几 率， 大大减少了越级跳 闸的几率 。 2 完善保 护整定 优化煤矿地面与井下的配 合方案 ， 在满足保护可靠系数的条件下 ， 地面可适当 放大速断保护定值 ， 同时尽量缩小过流保护时限定 值 ， 使入井回路电缆与采区保护实现分段保护 ； 在满 足设备运行的前提下 ， 井下尽量缩小速断保护定值 ， 并且保证保护配合不存在死区。 2 ． 2选择 性 漏 电保护 的解 决 方法 在高压防爆开关中原有漏电保护只有零序电流 型和零序电流无功功率型漏 电保护 ， 这 2种漏 电保 护在理论上只适用于中性点不接地 的电网。但是 ， 现在煤矿电网的电容电流一般远大于 2 0 A， 电网大 都安装消弧线圈， 上述 2种漏电保护无法保证漏电 保护的准确性。中性点经消弧线圈接地 电网的漏电 保护包括零序电流有功功率法、 5次谐波法、 零序电 流增量法。因此 ， 为解决高压防爆 开关漏 电保护的 准确性 ， 高压防爆开关 中的漏电保 护应增设相关的 保护方法 ， 以解决 中性点经消弧线 圈接地的 电网漏 电保 护 的不 准确 性 。 煤 矿 6 6 0 V 和 1 1 4 0 V 电 网 中 ， 总馈 电开关 和 分支馈电开关分别采取以下漏电保护方法解决漏电 保 护 的不准确 性 1 总馈 电开关 处 的漏 电保 护装 置 可采 用 附加 直流电源的漏 电保 护原理 ， 负责总馈 电开关至各分 支馈 电开关间电网的漏 电保护、 以及各分支馈 电开 关漏电保护的后备保护 ， 如图 2 所示。 图 2 附 加 直 流 电 源 的 漏 电保 护 原 理 图 图 2中 ， 检测 电流 可 由式 1 求 得 r 一 一 R L ／ 3 RR s R E ∑R r E 1 式中 R 为三相电抗器每相线圈的直流 电阻； R为零序电抗器的直流电阻； R 为取样 电阻 ； R 为 接地电阻 ； r 一 为三相电网对地总绝缘电阻。 若一相 如 C相 绝缘 电阻降低 ， 其余两相为无 限大 ， 则 r 一一r ； 若 A、 B两相绝缘电阻同时降低， 其 乙 余一相为无限大 ， 则 r 一 一r ／ 2 ； 若三相绝缘电阻同 己 时降低 ， 则 r 一 一r／ 3。由式 1 可看出， 当直流电 压U和∑ R一 定时， 检 测电 流j 只 与r 有 关， 所 8 4 工矿 自动化 2 0 0 9年 3月 以 ， 可 以通过 检测 电流 J 来 反 映 电 网 的对 地 绝缘 电 阻r 。由于仅 r 一为变量 ， 故检测 电流 直接反映 己 己 了 电网的绝缘 情况 。 取 样 电阻上 的电压 U 可 表示 为 丁 U 一 侬 一 一 2 R ∑ 三 相 电网对地 的总 绝缘 电阻为 r 一 R 一∑R 3 r 一 s 一厶 L 电网正常 运行 时 ， 按 式 3 可实 现对 电网绝缘 电 阻的连续监测 ； 当人身触电或发生漏 电故 障、 r 一 达 己 到装置动作设定值时， 可迅速将 电源切除。另外 ， 即 使 r 一 均匀下降， 仍可检测出漏电故障现象 ， 这是附 己 加 直流 电源漏 电保 护原 理 的一 大优 点 。该 种漏 电保 护装 置需 经延 时后 才 具 备选 择 性 功 能 ， 但对 总 馈 电 开关而言， 已经满足了漏电保护的要求 。 2 分 支馈 电开关 漏 电保 护 原理 可 采用 有功 功 率方 向原理、 谐波原理、 首半波原理、 信号注入原理、 能量 原理 、 零 序导纳 原理 以及与 小波分 析 、 神经 网络 相结合的原理等， 但考虑到分支线路无法实现变 电 所选择性漏电保护的群体 比幅、 比相 ， 同时相比较线 路较 少 、 线路 较短 ， 且 电 网 中性 点 经 电抗 补 偿 接 地 ， 并 且补偿 程度 不确定 ， 因此 ， 在 分支馈 电开 关漏 电保 护 中对基 于 导 纳 增 量 原 理 的漏 电保 护 原 理 进 行 改 进 ， 即采用有功导纳增量的漏电保护原理 ， 则故障线 路与非故障线路的有功导纳增量绝对值为 l △ y l R I y ． 。 一y l 一 1 ∑ J l u J ≠ 1 l △ y J l R I y ． o y J ． o l 一 0 ≠ 足 式 中 △ 、 △ 分别为第 k、 条线路 的导纳增 量 ； y ． 。 、 Y ． 。 分别为经过转换后的第 k 、 条线路 的零序导纳 ； ． 。 、 y J ． 。 分别为第 是 、 条线路的零序 导纳； r f 为第J条线路的各相对地 电阻； 为分支线 路 的个数 。 采用有功导纳增量法可减少接地电阻对漏电保 护的影响， 使漏 电保护的动作值更加确定 ， 且不受运 行 方式 的影 响 。 3 结语 本 文 主 要 分 析 了煤 矿 井 下 发 生 越 级 跳 闸 的原 因 ， 并 提 出 了解 决方 法 。实 际运行 表 明 ， 经改 造后 的 B GP系列高压 防爆开关有效地改善了因越级跳 闸 造成 的大 面积停 电事故 ， 减 少 了安全 隐患 ， 提 高 了生 产效率； 漏 电保护的改造基本上满足了漏 电故障准 确跳闸的要求 ， 提高了供电的安全性和可靠性 。 参考文献 [ 1 ] 要焕年 ， 曹梅月． 电力 系统 谐振 接 地[ M] ． 北 京 中国 电力 出版社 ， 2 0 0 1 ． [ 2 ] 曾祥君 ， 尹项根 ， 张析 ， 等． 零序 导纳法馈线接地 保护 的研究E J ] ． 中国电机工程学报 ， 2 0 0 1 ， 2 1 4 ． E 3 ] L UB I CH D H． Hi g h Re s i s t a n c e G r o u n d i n g a n d F a u l t Fi nd i n g o n Th r e e - p ha s e Thr e e - wi r e Powe r Sys t e ms r C ] I I I E E E 1 9 9 7 An n u a l T e x t i l e F i b e r a n d F i l m I ndu s t r y Te c hn i c a l Con f e r en c e， 1 99 7 10～ 15 ． [ 4 ] 胡天禄． 矿井 电 网 的漏 电保 护 [ M] ． 北 京 煤 炭 工 业 出版社 ， 1 9 8 7 ． E 5 ] 陈奎 ， 陈士军 ， 唐 轶．矿 山 电网 漏 电保 护 的研 究 [ J ] ．电工技术杂志 ， 2 0 0 4 1 1 ． J X 3 O O X分散控 制系统在循环流化床锅炉 中的应用 兖矿集团南屯煤矿矸石热电厂 1 锅炉改造工程 的热控系统采用浙江大学 的 J X 3 0 0 X分散控制系统 D C S ， 实现 了 4 0 t ／ h循环流化床锅炉的监视 、 控制和联锁保护等功能。 J X 3 O O X D C S是全数字化、 现场总线式系统 ， 包括数据采集 、 模拟量控制、 锅炉联锁保护、 锅炉主燃料切 断保护控制等子系统。其中， 数据采集子系统具有操作显示、 成组显示、 棒状图显示 、 趋势显示、 报警显示流 程图显示、 定期记录、 请求记录、 事故追忆记录、 事故顺序记 录、 跳闸记录 ， 历史数据存储和检索、 性能计算等 多项功能。模拟量控制子系统具有汽包水位控制 、 主汽压力控制 、 主蒸汽温度调节回路、 床温调节、 床压调节 排渣控制 、 炉膛压力控制 引风量 自动调节 等功能 。锅炉联锁保护子系统实现联锁功能时 ， 只有在高压风 机开启 以后才能手动开启 1次风机 。正常控制状态时， 水位控制和主蒸汽温度控制独立按照各 自的控制方 案进行专家协调控制层监控系统行为， 否则则启动智能协调方案 。 李 剑 峰