煤矿井下低压供电系统相敏短路保护的应用分析

郭刚

（山西大同大学煤炭工程学院山西大同 037003）

煤矿井下低压供电系统相敏短路保护的应用分析

郭刚

（山西大同大学煤炭工程学院山西大同 037003）

传统的煤矿井下低压供电系统短路保护，以电流幅值大小为判断依据，已不适应现代煤矿大容量生产机械设备的启动及短路保护要求，而相敏短路保护同时以电流幅值大小和功率因数变化为依据，可以明确区分启动电流和短路电流，避免启动时大电流造成短路保护的误动作，提高短路保护的准确性和可靠性，起到有效的过流保护作用。

煤矿井下；供电系统；短路保护

随着煤矿高产高效矿井的建设，煤矿生产机械设备的装机容量不断加大，电动机的启动电流非常大。而传统的短路保护是以系统电流幅值大小为依据来设计，短路保护整定时，一方面要躲过启动电流，另一方面要按保护范围末端最小两相短路电流进行校验。如果供电线路较长，则供电系统末端最小两相短路电流计算值则较小，若按最小两相短路电流进行整定，则大容量电动机启动时启动电流会造成短路保护的误跳闸；若按8倍以上的额定电流（躲过电动机启动电流）进行整定，则最远端短路事故发生时，短路保护拒动，会造成更大的系统事故，所以传统的短路保护不能适应现代化煤矿低压供电系统短路保护的需要。为此，相敏短路保护在现代化煤矿井下低压供电系统中得到广泛的应用。本文就相敏短路保护较传统短路保护的优越性做应用分析。

1供电系统短路分析

1.1 短路：电源经小阻抗直接形成回路即短路

1.2 电路发生短路以后出现的现象分析十倍或更大

图1 煤矿中性点绝缘的三相三线制供电原理图

（2）短路后，电源所带的负载性质由感性负载向电阻性负载变化，功率因数变大，趋向于1

如图1，电路正常时电源所带负载是三相交流电动机，属感性负载，cosφ＜1；线路短路后，电源所带负载是供电导线，感抗非常小，几乎可以判定为纯电阻性负载，cosφ=1（cosφ趋向于1）。

2 短路保护的设计

2.1 传统短路保护设计原理

以电流幅值大小为依据，要考虑躲过电动机的启动电流，并用最小两相短路电流进行校验。一般短路电流的整定值都比较大，Izd=8Ie以上。

图2 过流保护特性和电机起动特性曲线图

（1）短路电流急剧增大，是正常运行电流的几

图中1为大型电动机起动时的起动电流特性；2和3分别为供电系统不同整定值下的保护特性；a，a′，b，b′，c，c′分别为对应曲线的反时限、定时限和速断保护区。

由图2可见，供电系统中电流超过额定电流即会启动过载保护，而只有供电系统中电流超过短路保护整定值，短路保护装置才立即动作，实现短路保护。

2.2 基于功率因数检测的相敏短路保护设计原理

同时以功率因数变化和电流大小变化为依据，I*cosφ=C，只要选择合适的常数C，此时的保护区较单独比较电流大小或单独比较功率因数变化的保护区大。由于电动机起动时起动电流很大但功率因数比较低，而在短路故障情况下，短路电流非常大同时功率因数也很高。因此，相敏短路保护可以明确区分电动机起动和系统短路，使短路保护可靠性得到保证，同时还提高了保护的灵敏度，见图3。

图3 电流大小比较、功率因数变化保护特性

图中1为单独比较电流大小保护特性；2为单独比较功率因数变化保护特性，显然存在保护死区；3为电流大小比较和功率因数变化比较相乘后所构成的保护特性。

图4 短路电流、起动电流和功率因数的关系曲线

如图4所示，同时考虑供电系统事故前后电流大小比较和功率因数变化值两个因素，既可避免电动机起动时的误动作，又可兼顾线路最远端两相短路。曲线D是两者相乘为一常数所确定的临界动作曲线，即I*cosφ＝C。按此整定短路保护值可以保证既保护线路全长，又避免启动大电流造成的短路保护误动作，增强短路保护的灵敏度和可靠性。

3 相敏短路保护的硬件

3.1 相敏短路保护装置，主要由电流互感器、电压互感器、相敏整流桥、比较器和积分输出回路等组成

以电流互感器输出的电流信号相位与电压互感器输出的电压信号相位来区别供电系统的正常状态和短路故障状态、以区分电动机启动电流和供电系统的短路电流。以避免电动机起动时的误动作，同时保护远距离的短路故障、另外可使开关的电流整定值大幅度的下降。

3.2 相敏短路保护装置要求在各相设一个相敏检测

环节

现以其中一相为例说明其工作原理。如图5所示，4只二极管组成了环形相敏整流桥，以电压互感器送来的相电压信号UA为桥路的工作电源。从A相电流互感器测得的电流信号IA经电阻R变为电压Ui，反映A相电流的大小。相敏整流输出电压UOA由电阻RZ取得。当Ui=0时，在UA的正半波，D3，D4导通。由于D3导通与D4导通后在电阻RZ上形成的电流大小相等，方向相反，故合成电流为0，UOA无输出；同理，在UA的负半波时D1，D2导通，UOA仍无输出。

图5 相敏短路保护环节A相检测环节原理图

当Ui≠0时，在保持UA＞Ui的情况下，D1，D2和D3，D4两两交替导通，4只二极管的电流以不同的方向流经电阻RZ，在RZ上所形成的平均电压为UOA=KUAUicosΦA，其中，ΦA为A相的功率因数角；K为计算系数。由于相电压UA在短路前后可视为不变，所以UOA的大小不仅与电流IA有关，而且与cosΦA有关。

工作原理如图6所示，一方面每两相的相敏检测环节，采集的信号一起送往cosΦ比较环节，若没发生相间短路，则两相输出相同，比较环节无输出；若出现相间短路，则两相的cosΦ会有很大差别，则cosΦ比较环节立即输出高电位。另一方面当两相电流中有任一相达到短路电流整定值时，短路电流比较环节也输出高电位。当短路保护鉴别环节同时接到两个输入信号时，立即发出跳闸指令，完成短路保护。在实际应用中，短路动作整定电流可以小于电动机启动电流。所以在电动机启动时，电流比较环节输出高电位，但cosΦ比较环节无输出（电动机启动前后三个相的cosΦ相同），故短路保护鉴别环节不会发出跳闸指令，避免了电动机启动的误动作。

图6 相敏短路保护原理框图

4 结论

本文针对煤矿电气设备中的短路保护的应用，分析了传统短路保护和相敏短路保护的区别，阐述了相敏短路保护的优越性，解释了现代高产高效矿井大型设备中短路保护短路电流整定值比较低的原因，对煤矿现场人员有一定指导作用。

[1]国家煤矿安全监察局.煤矿安全规程[M].北京：煤炭工业出版社，2010.

[2]顾永辉.煤矿电工手册[M].北京：煤炭工业出版社，2009.

[3]刘思沛.煤矿供电[M].北京：煤炭工业出版社，1991.

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[5]王宾，祝龙记.基于单片机的矿用电动机相敏保护的实现[J].工矿自动化，2006（01）：28-31.

〔责任编辑 石白云〕

Analysis of Phase-sensitive Short-circuit Protection for Low-voltage Power-supply System in M ine Shafts

GUO Gang
（School of Coal Engineering，ShanxiDatong University，Datong Shanxi，037003）

The traditional short-circuit protection method，which is based on judging the electric current amplitude，is no longer suitable for modern coal production，which applies large-capacity machinery.Nevertheless，the phase-sensitive protection method，which is based on the changes of both current amplitude and power factors，is capable of telling starting current from shortcircuit current thus can avoidmis-operation during the equipment starting process.Therefore，thismethod is notonly good in making judgment，but also can improve effectiveness.

mine shafts；power-supply system；short-circuit protection

X171.1

A

1674-0874（2012）03-0067-03

2011-02-02

郭刚（1965-），男，山西大同人，高级实验师，研究方向：煤矿电气工程。