煤礦井下低壓供電系統(tǒng)相敏短路保護(hù)的應(yīng)用分析

郭剛

（山西大同大學(xué)煤炭工程學(xué)院山西大同 037003）

煤礦井下低壓供電系統(tǒng)相敏短路保護(hù)的應(yīng)用分析

郭剛

（山西大同大學(xué)煤炭工程學(xué)院山西大同 037003）

傳統(tǒng)的煤礦井下低壓供電系統(tǒng)短路保護(hù)，以電流幅值大小為判斷依據(jù)，已不適應(yīng)現(xiàn)代煤礦大容量生產(chǎn)機(jī)械設(shè)備的啟動(dòng)及短路保護(hù)要求，而相敏短路保護(hù)同時(shí)以電流幅值大小和功率因數(shù)變化為依據(jù)，可以明確區(qū)分啟動(dòng)電流和短路電流，避免啟動(dòng)時(shí)大電流造成短路保護(hù)的誤動(dòng)作，提高短路保護(hù)的準(zhǔn)確性和可靠性，起到有效的過流保護(hù)作用。

煤礦井下；供電系統(tǒng)；短路保護(hù)

隨著煤礦高產(chǎn)高效礦井的建設(shè)，煤礦生產(chǎn)機(jī)械設(shè)備的裝機(jī)容量不斷加大，電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)電流非常大。而傳統(tǒng)的短路保護(hù)是以系統(tǒng)電流幅值大小為依據(jù)來設(shè)計(jì)，短路保護(hù)整定時(shí)，一方面要躲過啟動(dòng)電流，另一方面要按保護(hù)范圍末端最小兩相短路電流進(jìn)行校驗(yàn)。如果供電線路較長(zhǎng)，則供電系統(tǒng)末端最小兩相短路電流計(jì)算值則較小，若按最小兩相短路電流進(jìn)行整定，則大容量電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)啟動(dòng)電流會(huì)造成短路保護(hù)的誤跳閘；若按8倍以上的額定電流（躲過電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)電流）進(jìn)行整定，則最遠(yuǎn)端短路事故發(fā)生時(shí)，短路保護(hù)拒動(dòng)，會(huì)造成更大的系統(tǒng)事故，所以傳統(tǒng)的短路保護(hù)不能適應(yīng)現(xiàn)代化煤礦低壓供電系統(tǒng)短路保護(hù)的需要。為此，相敏短路保護(hù)在現(xiàn)代化煤礦井下低壓供電系統(tǒng)中得到廣泛的應(yīng)用。本文就相敏短路保護(hù)較傳統(tǒng)短路保護(hù)的優(yōu)越性做應(yīng)用分析。

1供電系統(tǒng)短路分析

1.1 短路：電源經(jīng)小阻抗直接形成回路即短路

1.2 電路發(fā)生短路以后出現(xiàn)的現(xiàn)象分析十倍或更大

圖1 煤礦中性點(diǎn)絕緣的三相三線制供電原理圖

（2）短路后，電源所帶的負(fù)載性質(zhì)由感性負(fù)載向電阻性負(fù)載變化，功率因數(shù)變大，趨向于1

如圖1，電路正常時(shí)電源所帶負(fù)載是三相交流電動(dòng)機(jī)，屬感性負(fù)載，cosφ＜1；線路短路后，電源所帶負(fù)載是供電導(dǎo)線，感抗非常小，幾乎可以判定為純電阻性負(fù)載，cosφ=1（cosφ趨向于1）。

2 短路保護(hù)的設(shè)計(jì)

2.1 傳統(tǒng)短路保護(hù)設(shè)計(jì)原理

以電流幅值大小為依據(jù)，要考慮躲過電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)電流，并用最小兩相短路電流進(jìn)行校驗(yàn)。一般短路電流的整定值都比較大，Izd=8Ie以上。

圖2 過流保護(hù)特性和電機(jī)起動(dòng)特性曲線圖

（1）短路電流急劇增大，是正常運(yùn)行電流的幾

圖中1為大型電動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)的起動(dòng)電流特性；2和3分別為供電系統(tǒng)不同整定值下的保護(hù)特性；a，a′，b，b′，c，c′分別為對(duì)應(yīng)曲線的反時(shí)限、定時(shí)限和速斷保護(hù)區(qū)。

由圖2可見，供電系統(tǒng)中電流超過額定電流即會(huì)啟動(dòng)過載保護(hù)，而只有供電系統(tǒng)中電流超過短路保護(hù)整定值，短路保護(hù)裝置才立即動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)短路保護(hù)。

2.2 基于功率因數(shù)檢測(cè)的相敏短路保護(hù)設(shè)計(jì)原理

同時(shí)以功率因數(shù)變化和電流大小變化為依據(jù)，I*cosφ=C，只要選擇合適的常數(shù)C，此時(shí)的保護(hù)區(qū)較單獨(dú)比較電流大小或單獨(dú)比較功率因數(shù)變化的保護(hù)區(qū)大。由于電動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)起動(dòng)電流很大但功率因數(shù)比較低，而在短路故障情況下，短路電流非常大同時(shí)功率因數(shù)也很高。因此，相敏短路保護(hù)可以明確區(qū)分電動(dòng)機(jī)起動(dòng)和系統(tǒng)短路，使短路保護(hù)可靠性得到保證，同時(shí)還提高了保護(hù)的靈敏度，見圖3。

圖3 電流大小比較、功率因數(shù)變化保護(hù)特性

圖中1為單獨(dú)比較電流大小保護(hù)特性；2為單獨(dú)比較功率因數(shù)變化保護(hù)特性，顯然存在保護(hù)死區(qū)；3為電流大小比較和功率因數(shù)變化比較相乘后所構(gòu)成的保護(hù)特性。

圖4 短路電流、起動(dòng)電流和功率因數(shù)的關(guān)系曲線

如圖4所示，同時(shí)考慮供電系統(tǒng)事故前后電流大小比較和功率因數(shù)變化值兩個(gè)因素，既可避免電動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)的誤動(dòng)作，又可兼顧線路最遠(yuǎn)端兩相短路。曲線D是兩者相乘為一常數(shù)所確定的臨界動(dòng)作曲線，即I*cosφ＝C。按此整定短路保護(hù)值可以保證既保護(hù)線路全長(zhǎng)，又避免啟動(dòng)大電流造成的短路保護(hù)誤動(dòng)作，增強(qiáng)短路保護(hù)的靈敏度和可靠性。

3 相敏短路保護(hù)的硬件

3.1 相敏短路保護(hù)裝置，主要由電流互感器、電壓互感器、相敏整流橋、比較器和積分輸出回路等組成

以電流互感器輸出的電流信號(hào)相位與電壓互感器輸出的電壓信號(hào)相位來區(qū)別供電系統(tǒng)的正常狀態(tài)和短路故障狀態(tài)、以區(qū)分電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)電流和供電系統(tǒng)的短路電流。以避免電動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)的誤動(dòng)作，同時(shí)保護(hù)遠(yuǎn)距離的短路故障、另外可使開關(guān)的電流整定值大幅度的下降。

3.2 相敏短路保護(hù)裝置要求在各相設(shè)一個(gè)相敏檢測(cè)

環(huán)節(jié)

現(xiàn)以其中一相為例說明其工作原理。如圖5所示，4只二極管組成了環(huán)形相敏整流橋，以電壓互感器送來的相電壓信號(hào)UA為橋路的工作電源。從A相電流互感器測(cè)得的電流信號(hào)IA經(jīng)電阻R變?yōu)殡妷篣i，反映A相電流的大小。相敏整流輸出電壓UOA由電阻RZ取得。當(dāng)Ui=0時(shí)，在UA的正半波，D3，D4導(dǎo)通。由于D3導(dǎo)通與D4導(dǎo)通后在電阻RZ上形成的電流大小相等，方向相反，故合成電流為0，UOA無輸出；同理，在UA的負(fù)半波時(shí)D1，D2導(dǎo)通，UOA仍無輸出。

圖5 相敏短路保護(hù)環(huán)節(jié)A相檢測(cè)環(huán)節(jié)原理圖

當(dāng)Ui≠0時(shí)，在保持UA＞Ui的情況下，D1，D2和D3，D4兩兩交替導(dǎo)通，4只二極管的電流以不同的方向流經(jīng)電阻RZ，在RZ上所形成的平均電壓為UOA=KUAUicosΦA(chǔ)，其中，ΦA(chǔ)為A相的功率因數(shù)角；K為計(jì)算系數(shù)。由于相電壓UA在短路前后可視為不變，所以UOA的大小不僅與電流IA有關(guān)，而且與cosΦA(chǔ)有關(guān)。

工作原理如圖6所示，一方面每?jī)上嗟南嗝魴z測(cè)環(huán)節(jié)，采集的信號(hào)一起送往cosΦ比較環(huán)節(jié)，若沒發(fā)生相間短路，則兩相輸出相同，比較環(huán)節(jié)無輸出；若出現(xiàn)相間短路，則兩相的cosΦ會(huì)有很大差別，則cosΦ比較環(huán)節(jié)立即輸出高電位。另一方面當(dāng)兩相電流中有任一相達(dá)到短路電流整定值時(shí)，短路電流比較環(huán)節(jié)也輸出高電位。當(dāng)短路保護(hù)鑒別環(huán)節(jié)同時(shí)接到兩個(gè)輸入信號(hào)時(shí)，立即發(fā)出跳閘指令，完成短路保護(hù)。在實(shí)際應(yīng)用中，短路動(dòng)作整定電流可以小于電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)電流。所以在電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)，電流比較環(huán)節(jié)輸出高電位，但cosΦ比較環(huán)節(jié)無輸出（電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)前后三個(gè)相的cosΦ相同），故短路保護(hù)鑒別環(huán)節(jié)不會(huì)發(fā)出跳閘指令，避免了電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)的誤動(dòng)作。

圖6 相敏短路保護(hù)原理框圖

4 結(jié)論

本文針對(duì)煤礦電氣設(shè)備中的短路保護(hù)的應(yīng)用，分析了傳統(tǒng)短路保護(hù)和相敏短路保護(hù)的區(qū)別，闡述了相敏短路保護(hù)的優(yōu)越性，解釋了現(xiàn)代高產(chǎn)高效礦井大型設(shè)備中短路保護(hù)短路電流整定值比較低的原因，對(duì)煤礦現(xiàn)場(chǎng)人員有一定指導(dǎo)作用。

[1]國(guó)家煤礦安全監(jiān)察局.煤礦安全規(guī)程[M].北京：煤炭工業(yè)出版社，2010.

[2]顧永輝.煤礦電工手冊(cè)[M].北京：煤炭工業(yè)出版社，2009.

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〔責(zé)任編輯 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

郭剛（1965-），男，山西大同人，高級(jí)實(shí)驗(yàn)師，研究方向：煤礦電氣工程。