[科普中国]-矿山配电

简介

矿山工作环境恶劣，温度较高，高压电网经常会出现漏电和单相接地故障，若不及时排除，电网绝缘将会承受线电压，长期运行将导致绝缘击穿，发展成三相或两相短路故障。另外，在接地点出现的电弧和电火花能量会导致煤尘、瓦斯爆炸，直接危及人身安全。而矿用高压配电装置是煤矿井下高压供电系统终端线路的主保护，它起到了保护高压电缆和变压器的作用1。

选择性漏电保护漏电保护的主要目的是通过切断电源的操作来防止人身触电身亡和漏电电流引爆瓦斯和煤尘的事故发生。选择性漏电保护是指当电网发生漏电故障时，能够有选择性地发出故障信号或切断故障支路电源。它可以保证只切除漏电故障线路和设备，非故障线路和设备继续工作，减小故障停电范围，而且便于寻找漏电故障，缩短漏电停电时间，提高供电的可靠性。我国煤矿6kv高压供电系统属于小电流接地系统，并采用电缆供电方式。按《煤矿安全规程》规定: 矿井变电所高压馈电线上，应装设有选择性漏电保护装置。但是正如绪言中指出的那样，为限制超标的单相接地电容电流，有些矿井电网特别是大型矿井电网中性点采用了消弧线圈接地方式，这将影响原有选择性漏电保护系统的正常工作。

矿井高压漏电保护装置按工作原理大致可分为零序电流型、零序功率方向型和谐波方向型三类。其中用于井下的主要是零序电流型和零序功率方向型，并且后者占绝大多数，其保护原理为零序电流型是利用故障支路零序电流大于任一支路自身的零序电流的特点实现选择性。

谐波方向型是利用高压电网所含的谐波成份来实现选择性的。谐波是高压电网中固有的成份，谐波中以三次、五次谐波含量较大，由于三次谐波受变压器接线组别的影响，更因其方向一致，使得相间没有三次谐波电压，而五次谐波不受此影响，所以，提取五次谐波较为理想。利用五次谐波信号来实现选择性不受电网中性点接地方式的影响。为了适应不同电网的要求，将零序电压整定值做成多档可调，可以根据电网大小进行选择，这样可保证系统动作值的稳定性2。

短路保护短路是指供电系统中不等电位的导体在电气上被短接，在煤矿供电系统中，由于环境比较恶劣，设备易受潮，以及绝缘自然老化、机械损伤等原因，造成供电线路和设备的损坏，从而引起短路。短路故障是煤矿井下最常见的故障形式之一，直接影响着井下供电的安全性、可靠性和连续性。因此，《在煤矿井下高压电网中必须装设过电流保护系统。电网短路故障包括：三相短路、两相短路、两相接地短路以及变压器绕组匝间短路。

当电网发生突然短路时，系统总是由工作状态，经过一个暂态过程，再进入短路稳定状态。电流由正常值突然增大，经过暂态过程达到新的稳态。由于短路后电源负荷阻抗比正常运行时小得多，所以短路电流比正常运行时大得多。

强大的短路电流对供电系统及电气设备造成极大的危害。例如，短路电流产生的热和电动力效应会使电气设备受到破坏；短路点的电弧可能烧毁电气设备：短路点附近电压显著降低，使供电受到严重的影响或被迫中断；短路电流还是引起瓦斯和煤尘爆炸的主要原因，所以必须对短路故障进行保护。

在高压配电装置测控系统中，对各种短路故障都应采取电流速断保护。电网正常运行时，输电线路上通过负荷电流，发生相间短路时通过短路电流，短路电流往往比负荷电流大得多。所以短路保护一般都采用电流检测原则，以电流的幅值作为判据，根据短路时通过保护系统的电流大小来选择动作电流的大小，以动作电流的大小来控制测控系统的保护范围，但是为了有效的区分起动电流与短路电流，采用相敏保护原理3。

负荷过大保护鉴于过负荷时电网电流大于额定电流，可以采用检测电网工作电流的方法来检测过负荷状态。矿井电网负荷波动大，系统运行很不稳定，从而造成线路中电流发生变化。在过载过程中，有时本次延时保护还没有动作时，过载特性即发生变化，使保护返回，重新计时，造成热量的积累。这样连续过载使得热量不能立刻完全散走，还有可能出现断续过载。这样连续过载使得热量不能立刻完全散走，还有可能出现断续过载。在热量没有完全散走的情况下，保护重新计时，造成设备和开关出现热量积累，所以热量积累的问题必须加以考虑2。

供电可靠对矿山企业的重要负荷，如主要排水、通风与提升设备，一旦中断供电，可能发生矿井淹没、有毒有害气体积聚甚至坠罐等事故。采掘、运输、压气及照明等中断供电，也会造成不同程度的经济损失和人身事故。根据对供电可靠性要求的不同，矿山电力负荷分为以下三级：

1）一级负荷。凡因突然中断供电会造成人员生命危险，重要设备损坏报废，造成重大经济损失的，均属一级负荷，如矿井的主排水泵，有爆炸危险的矿井主通风机和竖井载人提升机等。对于一级负荷应采用两个独立的电源，即双回路供电，保证供电的连续性。

2）二级负荷。凡因突然停电会严重减产，造成较大经济损失的为二级负荷，如井下和地面生产系统的主要设备等。二级负荷的供电线路一般应设一回路专用线路，有条件的可采用两回路线路。

3）三级负荷。凡不属于一级和二级负荷的为三级负荷，如机修厂、生活福利设施等。对它们的供电一般采用单回路供电线路2。

供电安全必须按照安全生产规程的有关规定进行供电，满足矿山生产的特殊环境，确保安全生产。

供电质量供电质量主要是衡量供电的电压和频率是否在额定值和允许偏差范围内，因为用电设备的确在额定值下运行性能最好。供电电压允许偏移范围为±5%，电压偏移增大，用电设备性能恶化，严重时会造成设备损坏3。

供电经济从降低供电设施、器材的建设投资和减少供电系统中的电能损耗及维护费用等方面考虑，以求供电的经济性。

总结随着智能技术的进一步发展，人工智能技术开始逐渐应用到电力系统中，主要解决一些传统技术难以解决的问题，如绝缘在线检测、故障类型判断等，并取得了一定的进展。专家预测，未来智能技术在控制领域必将得到更为广泛的应用，如何将智能技术更好地应用到矿井电网保护系统中，使其保护功能更加完善，动作更加可靠，这是矿井电网继电保护技术的发展方向3。