煤矿供电系统中继电保护及故障检测研究

2020-02-21黄振华

机电工程技术 2020年7期

黄振华

（中国煤炭科工集团太原研究院有限公司，太原 030006）

0 引言

作为煤矿生产的主要动力来源，煤矿供电系统占据十分重要的位置。继电保护系统是供电系统安全运行的基本保障，采煤期间大多事故问题均与继电保护装置不正确使用存在直接或间接关系。对此，应采用文献分析与案例调查的方法，研究煤矿供电系统中继电保护及故障检测的具体情况，以保证供电系统的正常运行［1］。相较于国外大型煤矿，中国供电系统中的继电保护技术依然比较落后，安全方面相差较大，零件加工与设计理念也存在较多亟待解决的问题。对此，应加大对煤矿供电系统中继电保护技术的研究力度，及时采用合理科学的故障检测方法，及时解决问题，从而确保供电系统的稳定运行。

1 煤矿供电系统继电保护应用

1.1 继电保护类型

瓦斯保护装置、电流保护装置以及电压保护装置等均属于常见的继电保护装置。瓦斯保护装置主要应用于油浸式变压器供电系统，当发生内部故障时，线路会发生短路问题，电流产生的电弧会分解变压器内部油与绝缘物，产生气体压力，当达到一定程度后，便会启动瓦斯保护装置；电流保护装置较为常见，当电流量设定大于标准值时，系统会启动保护；欠压、过电压以及零序电压保护等均属于电压保护装置的组成部分，为了避免供电系统运行期间出现瞬间电压变化问题，供电系统应有效采用电压保护装置，以免烧毁电力设备［2］。除了上述3种继电保护装置，差动保护、方向保护以及距离保护等也属于保护装置。

1.2 继电保护作用

煤矿开采期间较常使用电力能源，供电系统占据十分重要的位置，但实际运行期间，供电系统较易发生短路故障问题，严重影响正常运行，甚至还会降低企业的经济效益。对此，煤矿企业应合理采用继电保护措施，提高运行的稳定性。继电保护装置可以实时监测煤矿供电系统的运行情况，一旦发生故障，可以准确及时地预测，并在整体供电系统中隔离故障部分。除此之外，继电保护系统还可以监控供电系统电气设备的工作情况，及时预警异常工况，保证工作人员了解系统的运行情况，从而采用合理的解决措施。

1.3 继电保护要求

在煤矿生产过程中，供电系统具备十分重要的作用，具有可靠、选择、灵敏以及速动等特点。速动指继电保护装置可以快速隔离并排除故障，避免损坏设备；灵敏指供电系统发生故障时，继电保护装置可以针对故障类型有针对性地选择保护措施［3］；可靠性指继电保护装置可以确保供电系统的稳定安全运行；选择性指在供电系统发生故障时，继电保护装置可以合理判断并及时隔离。

2 煤矿供电系统常见故障及检测方法

2.1 常见故障

短路故障在煤矿供电系统中最为常见，且还包括过热故障、瓦斯故障以及电压故障等问题，这些均会导致供电系统发生短路，降低电压，严重影响供电系统与电力设备的正常运行。

2.2 故障检测方法

（1）短接检测法

煤矿供电系统发生故障时，工作人员判断短接线情况，在一定范围内限定故障，切实提高故障检测效率。供电系统电路回路开路一般采用短接检测方法，继电器不动作时也会发生保护行为。

（2）替换检测法

煤矿供电系统发生故障时，故障元件可以利用新元件或正常元件替换，以明确故障发生范围。

（3）参照检测法

工作人员在确定故障范围时应利用正常与非正常技术进行参数对比，以判断接线错误类型。比如在校正定值时，当检测值与预期值存在差异时，无法准确判断故障原因，此时便可以采用参照检测方法。

（4）直观检测法

煤矿供电系统发生故障时，应观察跳闸线圈或合闸接触器的工作情况，判断回路是否存在故障［4］。当继电器内部发黄时，工作人员可以直接闻元件的味道，根据烧焦味道明确故障的发生位置。

3 煤矿供电系统继电保护措施

煤矿供电系统在发生故障问题时，应采用科学方法进行检测，采用继电保护措施，以便及时准确切除，避免发生大面积的停电事故。继电保护措施主要包括单相接地故障保护措施、过电流速断保护措施以及过负荷保护措施。

3.1 过负荷保护措施

煤矿供电系统运行过程中较易发生过负荷故障问题，且大多由重载启动因素引起。当保持在允许温度范围内时，供电系统中的电力设备会继续运行，因此变压器、电动机等电力设备均具备过载能力。当负荷电流过大，超出允许范围时，则极易引起负荷故障问题，从而影响供电系统的正常运行。为了有效保护供电系统各元件，减少过流发生时间，应及时采用继电保护装置，完成过负荷保护动作，降低负荷故障的发生几率。

3.2 过电流与电流速断保护措施

煤矿供电系统运行期间，井下电缆相间短路会导致过电流与电流速断问题，以致瞬间增大母线电流，降低电压。在发生此类故障后，短时间内煤矿供电系统中的电力设备便会被烧毁。过电流与电流速断会严重影响供电系统的正常运行，此时继电保护装置可以迅速启动，及时隔断危害，以便在元件通过最大负荷电流时，可以及时切除区外短路故障，自动返回速写装置。电流速断保护装置主要被应用至煤矿地面变电所中，计算动作值时应以保护区末端最小运行方式为依据，整定三相短路电流值［5］。

3.3 单相接地保护措施

单相接地故障在煤矿供电系统中较为常见，因此应在地面与井下变电所高压馈线安装单相接地保护装置，以便准确显示故障支路情况，及时预警，准确采用处理措施，避免事故进一步扩大。

4 煤矿供电系统中继电保护案例分析

4.1 榆阳区某煤矿供电系统情况

本矿变电所属于终端变电所，只为此煤矿供电，原设计总负荷容量为7 500 kVA，两台各8 000 kVA的主变压器分列运行。随着煤矿开采量的不断增加，分列运行变电所无法满足煤矿的生产需求，较易出现故障问题，应增加继电保护装置。

4.2 继电保护接地系统设计原则

（1）36 kV以上的电气设备，绝缘损坏会导致危险电压的产生，此时必须安装接地保护装置，相互连接铅护套，禁止将几台设备串联接地。且所有接地的电气设备与局部接地装置应与井下地极形成总接地网，为电气设备安装接地母线，且电缆接地芯线主要功能为监视接地回路，不能兼具其他功能。

（2）煤矿继电保护应采用零序保护、过电流保护以及无时限电流速断方法。其中在使用速断保护装置时应避免出现三相短路电流，尽可能增大母线电压［6］。

4.3 煤矿供电系统设计

（1）煤矿综采工作面应设置局部接地极与进回风巷口，为回风巷每个高压连接器设置局部接地极，并将1 组局部接地极集中安装至3台以上电力设备中。

（2）接地网保护接地点的电阻不得超过20 Ω。

（3）电气设备的接地保护装置不得采用镀锌扁铁制作材料。

（4）工作人员应根据《煤矿安全规程》设置局部接地极组与接地部件材质的几何参数，且连接导线与接地导线不得利用铝导体材料。

（5）应在潮湿处埋设局部接地极，且采用镀锌钢管，几何尺寸的直径为42 mm，长度不得小于5 m。在钢管上钻直径为5 mm的透眼，埋设于地下，且接地母线还应采用裸铜线与镀锌钢材，局部接地外露长度不得小于100 mm［7］。

（6）应将接地极安装至低压馈电开关、照明综保等设备，保证辅助接地极与局部接地极的距离超过5 m，且辅助母线电缆截面积不得小于25 mm2。除此之外，工作人员应为主水泵房设置主接地极，在配电点分设局部接地极，连接电缆接地芯线与专用接地线，形成接地网，可靠连接电气设备金属外壳与接地网，保证接地电阻小于2 Ω［8］。