煤矿井下供电系统短路保护方法浅析

・５８・　煤矿机电　２０１１年第２期　煤矿井下供电系统短路保护方法浅析　高艳，戴鹏，许朝友，程然　（中国矿业大学信电学院，江苏徐州２２１１１６）　摘　要：　分析了井下供电系统常用的短路保护方法，叙述了其原理，并将短路保护方法分为传统　和先进保护两大类，指出了各种方法的优缺点，最后对煤矿井下供电系统短路保护方法进行了展　望。　关键词：　煤矿井下；供电系统；短路保护；相敏保护　中图分类号：ＴＤ６１１　文献标识码：Ｂ　文章编号：１００１—０８７４（２０１１）０２—００５８—０３　Ａｎａｌｙｓｉｓ　ｏｆ　Ｓｈｏｒｔ－ｃｉｒｃｕｉｔ　Ｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ　ｆｏｒ　Ｕｎｄｅｒｇｒｏｕｎｄ　Ｍｉｎｅ　Ｐｏｗｅｒ　Ｓｕｐｐｌｙ　Ｓｙｓｔｅｍ　ＧＡＯ　Ｙａｎ，ＤＡＩ　Ｐｅｎｇ，ＸＵ　Ｃｈａｏ—ｙｏｕ，ＣＨＥＮＧ　Ｒａｎ　（Ｃｏｌｌｅｇｅ　ｏｆ　Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ　ａｎｄ　Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｃｈｉｎａ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆ　Ｍｉｎｉｎｇ　ａｎｄ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｘｕｚｈｏｕ　２２１００８，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：　Ａｎａｌｙｚｅｄ　ｔｈｅ　ｕｓｕａｌ　ｓｈｏｒｔ－ｃｉｒｃｕｉｔ　ｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ　ｍｅｔｈｏｄｓ　ａｔ　ｕｎｄｅｒｇｒｏｕｎｄ　ｍｉｎｅ　ｐｏｗｅｒ　ｓｕｐｐｌｙ　ｓｙｓｔｅｍ，　ｄｅｓｃｒｉｂｅｄ　ｔｈｅ　ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ　ａｎｄ　ｄｉｖｉｄｅｄ　ｔｈｅ　ｓｈｏｒｔ—ｃｉｒｃｕｉｔ　ｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ　ｍｅｔｈｏｄ　ｉｎｔｏ　ｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌ　ａｎｄ　ａｄｖａｎｃｅｄ　ｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ，　ｐｏｉｎｔｉｎｇ　ｏｕｔ　ｔｈｅ　ａｄｖａｎｔａｇｅｓ　ａｎｄ　ｄｉｓａｄｖａｎｔａｇｅｓ　ｏｆ　ｅａｃｈ　ｍｅｔｈｏｄ．Ｆｉｎａｌｌｙ，Ｌｏｏｋｉｎｇ　ｆｏｒｗａｒｄ　ｔｏ　ｔｈｅ　ｓｈｏｒｔ－ｃｉｒｃｕｉｔ　ｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ　ｍｅｔｈｏｄ　ａｔ　ｕｎｄｅｒｇｒｏｕｎｄ　ｍｉｎｅ　ｐｏｗｅｒ　ｓｕｐｐｌｙ　ｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ　ｍｅｔｈｏｄ．　Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：　ｕｎｄｅｒｒｏｕｎｄ　ｍｉｇｎｅ；ｐｏｗｅｒ　ｓｕｐｐｌｙ　ｓｙｓｔｅｍ；ｓｈｏｒｔ－ｃｉｒｃｕｉｔ　ｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ；ｐｈａｓｅ－ｓｅｎｓｉｔｉｖｅ　ｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ　１概述　理。用熔断器实现的短路保护就是电热原理的典型　应用，而用过电流继电器实现的短路保护则是电磁　原理的应用实例，热继电器是电热和电磁原理的结　合应用。　过流保护、漏电保护和保护接地构成了煤矿井　下供全供电的三大保护，其中短路保护是过流保护　中的重要研究部分。短路类型有：三相短路、两相短　路。当供电系统发生短路故障时，会产生很大的短　目前，鉴幅式继电保护依然在矿井供电系统短　路保护中被广泛使用。鉴幅式继电保护是采用电磁　型继电器为主的保护，运行中的保护算法大多数为　电流速断、定时限过流或反时限保护　“Ｊ。　鉴幅式继电保护特性如图１所示，曲线１是大　型电动机起动时的起动电流曲线，曲线２和曲线３　分别为供电系统短路电流不同整定值下的保护特　路电流，如不及时切除故障，将导致线路及设备损　坏，并且短路电流产生的不平衡交变磁场会对线路　附近通讯信号产生干扰，极易发展成为瓦斯和煤尘　爆炸事故，危害煤矿井下工人的生命安全…。因　此，做好短路预防和及时切除短路故障极其重要本　文将井下供电系统常用短路保护方法分为两大类，　并在此基础上归纳、总结各种短路保护设备和保护　方法。　２传统短路保护方法　（１）保护原理　传统的短路保护主要基于电热原理和电磁原　图１鉴幅式继电保护特性　２０１１年第２期　煤矿机　电　・５９・　性，ａ、ｂ、Ｃ为曲线２的反时限、定时限和速断保护曲　线，ａ　、ｂ　、ｅ　为曲线３的反时限、定时限和速断保护　相、短路保护和漏电闭锁功能，在矿井供电中获得了　广泛的应用。煤矿井下过流保护中，电子式过流保　护装置有：ＤＱＺＢＨ－３００／１１４０矿用隔爆兼本安型真　区曲线。由图１可见，只要电流超过其整定电流，保　护便按照保护算法动作，执行机构跳闸。但是，在大　型电动机起动时，最大起动电流可能超过其短路整　空电磁起动器中所使用的过负荷、断相和短路保护　装置，其短路保护整定值范围是６４０～３　２００　Ａ，极限　分断能力可达４５００　Ａ三次，具有一定的分断短路电　流的能力；ＱＪＺ－２ＯＯ／１１４０矿用隔爆蒲本安型真空电　磁起动器的过负荷、断相和短路保护装置；ＪＤＢ一１２０、　定电流，此时会引起短路保护误动作。　（２）低压熔断器　熔断器是指当电流超过整定值足够长的时间　后，能够熔断一个或几个特珠设计的相应部件，断开　其所接入的电路并分断电源的电器。熔断器作为短　路保护电器，具有分断能力高、限流性能好、结构简　单、可靠性高、使用维护方便、价格低等优点，又可与　开关组合成熔断器组合电器，作为系统的短路保护　使用　］。目前煤矿井下常用的国产的熔断器有ＲＭ　型、ＲＴ０型和ＲＬ１型三种。ＲＭ型为纤维管无填料　式，ＲＴ０型在熔管内装有石英砂作填料，两者都可以　分断和冷却电弧，使电弧迅速熄灭，ＲＬ１型内部装有　一组熔体和石英砂，常用小容量的低压开光设备中　和控制回路里，作为短路保护用。　（３）低压过电流继电器　在ＤＷ系列矿用隔爆型自动馈电装置中装设过　电流脱扣器，是直接瞬时动作的一次式过电流继电　器，作为变压器二次侧总的或配电线路短路保护装　置，其动作电流整定值可调节，一般是额定电流的　１～３倍。矿用隔爆型磁力启动器所用的限流热继电　器的电磁元件，是间接瞬时动作的一次式过电流继　电器，其整定电流一般为额定电流的８～ｌ０倍，主要　保护电动机及其供电电缆。　（４）热继电器　井下常用热继电器有：ＪＲ０、ＩＲ９、ＪＲ１５、ＪＲ１６等　系列热继电器，隔爆型电磁起动器中常用ＪＲ４和　ＪＲ９等系列限流热继电器。ＪＲ４和ＪＲ９系列限流热　继电器由电磁元件和热元件两部分组成，可作为电　动机的短路和过负荷保护之用。ＪＲ１６系列为具有　差动导板的二相热继电器，它不仅可作为电动机的　过负荷保护，还可作为断相保护。而ＪＲ０和ＪＲ１５系　列热继电器除了保护电动机过负荷外，如果整定合　适，也可以保护“Ｙ”形接线电动机的断相故障，但它　们没有短路保护，必须在前面加熔断器作为短路保　护。　（５）电子式综合保护装置　电子式综合保护装置以它独有的体积小、功能　全、灵敏度高和调整方便等优点，能实现过负荷、断　２２５　Ａ型电动机综合保护器，具有过负荷、短路、断　相和漏电闭锁功能，还可与ＱＣ８３—１２０、２２５矿用隔爆　型电磁起动器配合使用；ＤＷＫＢ３０系列矿用隔爆自　动馈电装置中的电子过流保护装置，包括长延时过　负荷保护、短延时短路保护、瞬时短路保护和低电压　保护四部分，具有三段式过流保护持件。但传统的　短路保护方法整定误差大、动作时间长、可靠性低，　尤其在用于馈电线路中的短路保护时。若要保护全　线路，则应按保护范围末端最小短路电流整定，要求　整定值小，因而使大型电动机起动时易造成保护误　动作；若要躲过起动电流，则要求整定值大，此时将　不能保护线路全长而且灵敏度较低。　针对上述缺陷，人们提出了基于功率因数检测　的相敏短路保护原理，建立了相敏短路保护的数学　模型。　３相敏短路保护方法　（１）相敏短路保护工作原理　井下负荷均为感性负载，当大型电动机起动时，　启动电流很大，但功率因数比较低（ＣＯＳ咖在０．３～　０．５），电流落后于电压相位角超过６０。；若供电系统　出现三相对称短路故障时，尤其在电缆末端发生三　相对称短路故障，短路电流与启动电流相近，但功率　因数则很高（ＣＯＳ西可以达１），相位角为０。～２０。。　因此，在保护中同时检测短路电流，和功率因数　ＣＯＳ　，可以很好的区分启动电流和短路电流，也能　区分正常的工作电流和短路电流，这是相敏保护的　基本原理。　判定公式为，×ＣＯＳ　：ｃ，如图２所示。只要选　择合适的常数ｃ，确定合理的保护动作区，则可以躲　过大型电动机的起动电流，使保护在正常运行方式　下不动作，当保护范围内发生短路故障时能可靠动　作。　判定公式也可以为Ｃ１，　＋ｃ：ＣＯＳ币＝１，如图３所　示。根据供电系统负荷大小选择不同的ｃ　、ｃ：可得　・６０・　煤矿机　电　２０１１年第２期　短路保护　。这种保护装置在大电流、低功率因数　的电动机启动时不动作，而在较小电流、高功率因数　的短路故障时动作，故很适用于井下具有电动机起　动负荷的供电系统，特别是用于煤矿井下电动机频　繁起动和易发生短路相故障的系统。其中，相敏保　护电路由信号输入、相敏整流和比较器等部分组成，　采集三相电压和三相电流。利用数字芯片：单片机、　图２相敏保护特性图　ＤＳＰ等，这些芯片具有强大的信号处理和实时运算　到不同的动作区，并可以取得最佳的保护效果，它　不但有较宽的动作界限选择余地，而且有很高的动　作灵敏度和可靠性。图３中直线Ａ是ｃ　＝１和ｃ：＝　１时的临界动作曲线，直线Ｂ是Ｃ　＝１．２５和ｃ　＝０．９　时的临界动作曲线。　ｃＯｓ　１．０　０．８　０．６　０．４　０．２　０　图３　ｃ１，　＋ｃ２ｃｏｓ　＝１的相敏保护特性图　当发生两相不对称短路故障时，不再存在短路　电流与启动电流问的固有关系，相敏保护的基本原　理不能保护不对称故障。据对称分量法，供电系统　发生短路故障时，短路电流可分解为正序、负序和零　序分量。当发生三相对称短路故障时，只有正序分　量，负序和零序分量为零；而当发生两相不对称短路　故障时，则会出现负序和零序分量。因此在相敏保　护器设计时，检测负序分量大小，来检测区分两相短　路故障，实现两相短路故障保护，拓展了相敏保护原　理。　（２）相敏保护器　目前，已有很多利用相敏保护原理的产品被广　泛应用于井下短路保护，如ＸＬＭ一１、ＢＸＬ１和ＲＰＳ１０　等，以及基于单片机或ＣＰＬＤ或ＤＳＰ的数字式相敏　保护器等。国产相敏保护器ＢＸＬ１是根据煤矿井下　常见的三相和二相短路故障，采集一相电压和三相　电流，分别采用相敏保护和负序检测的原理，区分出　供电线路上的正常起动峰值电流和短路故障电流，　从而对短路故障实行有效的保护　７　３。ＲＰＳ１０是英国　布拉什变压器公司生产的一种相敏保护装置，该装　置除具有反时限过载保护外，还有断相保护和相敏　能力、大量的接口、可重复编程、稳定性好、集成方便　等优点，利用相敏保护原理和负序检测的原理，编程　实现供电系统短路、过载、漏电、断相等保护＿９　Ｊ。　利用相敏保护原理的先进短路保护方法相对于　传统保护方法，不但可提高对称短路保护的灵敏度，　而且还能保证其动作的可靠性。　４结语　通过对供电系统短路保护方法研究基础上，介　绍了各种方法的基本原理，并对一些常用的方法进　行了分析。随着矿井开采进度的不断延伸和机械化　程度的逐渐提高，工作面电气设备单机功率的增大，　矿井的采掘工作面离供电变电所距离越来越远，其　供电系统短路保护中，基于相敏保护原理的相敏保　护器更能体现出优越性。　参考文献：　［１］　孙永凯，孙磊，苏守红．煤矿井下低压电网短路保护的分析　［Ｊ］．煤矿现代化，２００９（５）．　［２］张维，丁明，郑杨斌．反时限方向过流保护及与距离保护协　调整定［Ｊ］．仪器仪表用户，２００９（４）．　［３］张晓斌，张峰．微机反时限过流保护算法及ＤＳＰ实现［Ｊ］．机　电一体化，２００９（８）．　［４］　张根现．井下高压供电短路保护系统的优化［Ｊ］．科技创新，　２００４（１１）．　［５］张文娟，郭兆杰．浅谈低压配电系统保护选择性［Ｊ］．内蒙古　科技与经济，２００８（１Ｏ）．　［６］宋建成，谢恒垫．基于功率因数检测的矿井低压电网相敏保　护的研究［Ｊ］．电网技术，１９９９（２）．　［７］杨华东．相敏保护器在煤矿井下远距离供电中的应用［Ｊ］．　煤矿机电，２００３（１）．　［８］　郭海．高产高效矿井综连采电气技术［Ｍ］．北京：煤炭工业出　版社，２００５．　［９］　孙全才，王清灵．高速数字信号处理器在井下移动变电站相　敏保护中的应用［Ｊ］．煤矿机电，２００８（５）．　作者简介：高艳（１９８６一），女，中国矿业大学在读研究生。研究方向　为电力电子与电力传动。　（收稿日期：２０１０—１０—２８；责任编辑：姚克）