礦山高壓電網(wǎng)橫向故障預(yù)警及選擇性漏電保護(hù)系統(tǒng)的研究與應(yīng)用

劉奎玉，唐沂偉，高俊超，馬德建

(嵩縣山金礦業(yè)有限公司，河南 洛陽 471400)

1 概述

礦井電力系統(tǒng)故障一般可分為橫向故障和縱向故障兩大類。橫向故障是指各種類型的短路，包括三相短路、兩相短路、單相接地短路和兩相接地短路。在三相短路中，由于短路的三相阻抗相等，三相電流和電壓仍然是對稱的，也稱為對稱短路。

運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)表明，單相短路占電力系統(tǒng)短路故障的絕大部分，約占短路故障總數(shù)的65%，三相短路僅占5%～10%。雖然三相短路故障發(fā)生概率最小，但故障產(chǎn)生的后果最嚴(yán)重，必須引起足夠的重視。垂直斷層主要是指各種類型的斷層，包括單相斷層、兩相斷層和三相斷層。

2 礦山橫向電氣故障的發(fā)展過程

圖1 電氣故障發(fā)展過程圖

2.1 礦山高壓電網(wǎng)橫向故障原因

2.1.1 供用電設(shè)備自身質(zhì)量問題

礦井和井下有大量的供電和利用設(shè)備。設(shè)備因其制造質(zhì)量、生產(chǎn)工藝、出廠時(shí)采用的技術(shù)規(guī)格等原因，不能達(dá)到規(guī)定的要求。因此，在使用過程中很容易發(fā)生漏電。同時(shí),在地下運(yùn)行的過程中,當(dāng)電源在使用設(shè)備和電纜損壞,裂縫絕緣層和電纜盤在使用圓圈是“8”,它將導(dǎo)致電纜熱功率的增加,絕緣老化,等等,導(dǎo)致電纜的絕緣性能的大幅削減和電源設(shè)備。嚴(yán)重時(shí)出現(xiàn)漏電、短路故障影響供電安全。

2.1.2 礦山安全用電管理力度不強(qiáng)

在礦山用電管理工作中，由于長期維護(hù)不到位，一些電線和電纜可能被壓埋或浸泡在陰溝中，導(dǎo)致電纜絕緣受潮老化，導(dǎo)致泄漏故障。在井下生產(chǎn)過程中，部分線纜及用電設(shè)備超負(fù)荷運(yùn)行或被砸傷、刮傷等現(xiàn)象未被及時(shí)發(fā)現(xiàn)，也可能導(dǎo)致絕緣降低發(fā)生漏電故障，由此可以得出，絕緣老化是造成漏電的主要原因。

2.2 礦山高壓電網(wǎng)橫向故障危害

2.2.1 人身觸電傷亡事故

當(dāng)?shù)V井供電設(shè)備發(fā)生泄漏故障時(shí)，操作者直接與供電設(shè)備外殼接觸，造成觸電事故。當(dāng)電纜導(dǎo)線刺穿電纜外護(hù)套，直接暴露在空氣中時(shí)，工作人員與操作者相互接觸也會(huì)發(fā)生觸電事故。

2.2.2 燒損燒毀供配電電氣設(shè)備

當(dāng)配電電氣設(shè)備或電線電纜發(fā)生泄漏故障時(shí)，在斷開電線或電纜絕緣時(shí)，泄漏電流會(huì)產(chǎn)生大量熱量，燒壞電纜或設(shè)備，造成停電故障，影響安全生產(chǎn)及人身安全。另外，很多礦山采用中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)，如井下發(fā)生弧光性接地漏電故障未能及時(shí)切除故障線路，會(huì)引起孤光過電壓，造成供電系統(tǒng)發(fā)生鐵磁諧振，嚴(yán)重時(shí)可燒壞配電設(shè)施，對礦山的安全生產(chǎn)造成極大危害。

2.2.3 短路故障的危害

兩相短路故障乃至三相短路故障是礦山供電系統(tǒng)中最為嚴(yán)重的電氣故障，輕則造成大面積停電事故，重則可能造成瓦斯、煤塵爆炸，火災(zāi)，給企業(yè)帶來巨大的經(jīng)濟(jì)損失和人身傷亡事故。

如果能夠?qū)⒁恍┦鹿氏麥缭诿妊繝顟B(tài)，做到防微杜漸，那會(huì)給煤炭企業(yè)帶來巨大的經(jīng)濟(jì)利益和很好的社會(huì)效益。

3 絕緣監(jiān)測系統(tǒng)

3.1 絕緣監(jiān)測模塊

該模塊負(fù)責(zé)系統(tǒng)絕緣降低的監(jiān)測與監(jiān)控，當(dāng)系統(tǒng)絕緣降低到定值時(shí)將監(jiān)測到的數(shù)據(jù)上傳至后臺(tái)并報(bào)警。

3.2 絕緣監(jiān)測及單相接地測控模塊

3.2.1 無單相接地故障時(shí)絕緣監(jiān)測及單相接地測控

在礦山電力系統(tǒng)中，監(jiān)測單相接地時(shí)，為了動(dòng)作的準(zhǔn)確性，一般將開口三角電壓的定值定在10V以上，接地電流定在1A以上，這樣很多的高阻性接地故障被濾除掉，致使很多絕緣降低的故障發(fā)展成單相接地事故。

絕緣監(jiān)測及單相接地測控模塊可以一直監(jiān)視零序電壓，并將正常時(shí)的開口電壓記憶，如果開口電壓發(fā)生波動(dòng)且一直向上波動(dòng)，就將其記憶，此時(shí)如有一饋出線的零序電流數(shù)值大于定值，且零序電壓和零序電流的相位關(guān)系符合時(shí)序鑒別原理、線路的對地導(dǎo)納也發(fā)生很大變化，即證明本線路的絕緣已降低到一定程度，繼續(xù)發(fā)展就會(huì)造成單相接地故障。該裝置將信息上傳至管理模塊，由管理模塊將信息綜合處理后上傳至后臺(tái)系統(tǒng)，并報(bào)警哪條饋出線單相接地的風(fēng)險(xiǎn)增加。

3.2.2 發(fā)生單相接地故障時(shí)絕緣監(jiān)測及單相接地測控

當(dāng)系統(tǒng)中某處發(fā)生單相接地時(shí)，絕緣監(jiān)測及單相接地測控模塊除具備將故障線路選出外，還可以檢測非故障線路的零序電流和零序電壓的相位關(guān)系，同時(shí)還檢測該線路的對地電導(dǎo)，如該健全線路對地導(dǎo)納、電流數(shù)值、相位發(fā)生顯著變化，證明該線路對地絕緣降低。該裝置將信息上傳至管理模塊，由管理模塊將信息綜合處理后上傳至后臺(tái)系統(tǒng)，并提示工作人員哪條線路的絕緣降低。

4 單相接地系統(tǒng)（漏電監(jiān)控系統(tǒng)）

該系統(tǒng)利用PT取零序電壓信號(hào)，利用零序電流互感器取零序電流信號(hào)。為保證判斷的準(zhǔn)確性，電流、電壓互感器的精度不低于0.5級。

將零序電壓和零序電流信號(hào)送入絕緣監(jiān)測及單相接地測控模塊，該模塊綜合采用山東科技大學(xué)傅桂興教授發(fā)明的“零序基波時(shí)序鑒別”原理、零序?qū)Ъ{原理及相位關(guān)系等判斷故障，準(zhǔn)確度極高。裝置判斷完成后將故障信號(hào)上傳至管理機(jī)，有管理機(jī)將所有信息綜合處理后通過以太網(wǎng)傳至后臺(tái)系統(tǒng)，并進(jìn)行相關(guān)處理，發(fā)出報(bào)警或跳閘信號(hào)。同時(shí)由后臺(tái)系統(tǒng)準(zhǔn)確指定故障位置。

圖2 三相電網(wǎng)零序電流分布規(guī)律

圖3 零序等值電路圖

圖4 不同接地方式和不同補(bǔ)償狀態(tài)下單相接地故障電流矢量圖

圖5 “零序基波時(shí)序鑒別法”判定法則

如圖5的U0J與某路I0的方波同時(shí)符合以下兩條件：

（1）零序電流I0上升沿滯后于零序電壓U0J上升沿而超前零序電壓U0J下降沿，即零序電流I0上升沿界于零序電壓U0J的上升沿與下降沿之間；

（2）零序電流I0下降沿滯后于零序電壓U0J下降沿須大于0度而小于180度；

則該I0對應(yīng)的線路為單相接地故障線路（如圖5中之a(chǎn)、b）,否則為非故障線路（如圖5中之c、d、e）。

5 兩相接地短路故障評估系統(tǒng)

當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障后，系統(tǒng)發(fā)生兩相接地故障的風(fēng)險(xiǎn)大大增加，據(jù)統(tǒng)計(jì)礦山電力系統(tǒng)發(fā)生短路故障有80%是有單相接地故障衍變而成的，如何預(yù)測發(fā)生單相接地后發(fā)展成短路故障的風(fēng)險(xiǎn)程度是降低兩相短路故障的重要因素。

現(xiàn)今采取的辦法主要是中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地降低接地電流的辦法，雖然解決了一些問題，但還不能起到預(yù)測的功能。

如果采用零序?qū)Ъ{和相位判別法可提前準(zhǔn)確預(yù)估兩相短路的危險(xiǎn)程度。

當(dāng)發(fā)生接地故障后，非故障線路中的絕緣監(jiān)測及單相接地測控模塊會(huì)實(shí)時(shí)監(jiān)控本線路的零序電流和零序電壓，并計(jì)算該線路的對地導(dǎo)納及電壓和電流的相位，如果導(dǎo)納和相位沒有變化，則證明發(fā)生兩條線路對地短路的風(fēng)險(xiǎn)小；如果導(dǎo)納和相位有變化，且向特定的方向變化，則證明發(fā)生兩條線路對地短路的風(fēng)險(xiǎn)增大；絕緣監(jiān)測及單相接地測控模塊就將該線路的信息傳至管理模塊，管理模塊處理后傳至后臺(tái)系統(tǒng)，后臺(tái)系統(tǒng)經(jīng)計(jì)算、比較處理后立刻切斷接地故障線路。這樣會(huì)降低甚至避免兩相故障的發(fā)生。

6 結(jié)語

礦山高壓電網(wǎng)橫向故障預(yù)警及選擇性漏電保護(hù)系統(tǒng)技術(shù)研究，對于高壓供電電網(wǎng)可實(shí)現(xiàn)以下功能：不受消弧線圈補(bǔ)償?shù)挠绊?；具有選擇性漏電保護(hù)功能；系統(tǒng)絕緣降低預(yù)警；饋出線電纜絕緣降低預(yù)警；單相接地故障告警或跳閘；單相接地向兩相短路發(fā)展的風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警。以上功能與技術(shù)指標(biāo)，屬國內(nèi)首創(chuàng)，對國內(nèi)非煤礦山高壓電網(wǎng)安全具有重大意義做出貢獻(xiàn)！