陳瑞婷

(西山煤電集團公司 通風處，山西 太原 030053)

目前，西山煤電(集團)公司馬蘭礦供電系統(tǒng)為雙回路供電，110 kV 變電站兩條進線(屯馬I 回和屯馬II 回)均來自屯蘭礦區(qū)變電站。110 kV 變電站用6 kV 高壓電纜(經(jīng)限流電抗器)從井筒向井下中央變電所供電，中央變電所經(jīng)過本身的分段母線和高壓配電裝置將6 kV 電能分配給其附近的高壓用電設(shè)備，如主排水泵、動力變壓器等。

隨著井下采掘工作面不斷向前延伸，高壓供電電纜及設(shè)備逐漸深入末端，低壓系統(tǒng)一直向前延伸，從地面變電站到井下中央變電所再到各采區(qū)變電所，大多采用縱向、多層級、垂直、短線路供電模式。由于煤礦井下的環(huán)境惡劣，工作條件差，電纜來回拖拽容易受損，經(jīng)常發(fā)生短路故障，甚至發(fā)生越級跳閘。當越級跳閘到上級變電所，不僅影響井下生產(chǎn)，還會造成井下大面積停電，最終使整個煤礦生產(chǎn)系統(tǒng)癱瘓，嚴重威脅井下工人生命安全。因此，分析研究井下中央變電所電網(wǎng)越級跳閘的原因，對確保安全生產(chǎn)具有十分重要的意義。

1 中央變電所6 kV 線路保護整定原則及計算

1.1 線路保護整定原則

1)按躲過線路末端的故障整定:

式中:

Krel— 可靠系數(shù)，一般≥1.3;

靈敏度校驗:

式中:

2)當線路末端為變壓器時，可以采用與變壓器保護配合的方式整定以擴大保護的范圍。

式中:

Krel— 可靠系數(shù)，一般取1.3 ～1.4;

3)按躲過T 接線末端最大三相短路電流整定:

式中:

KK— 可靠系數(shù)，一般≥1.3;

4)當保護的靈敏度達不到要求時，根據(jù)相關(guān)的規(guī)程規(guī)定要保證最小靈敏度:

式中:

1.2 多級串供6 kV 線路保護整定配合原則

1)變壓器6/10 kV 所有出線開關(guān)，宜設(shè)置無時限電流速斷保護。

2)終端線路出線開關(guān)保護整定。

a)線路負荷為變壓器組時保護整定原則。

I 段保護定值按躲線路變壓器組末端最大三相短路電流整定，靈敏度按首端最小兩相短路電流校驗，要求不低于1.5，若靈敏度不滿足要求，應按滿足要求的靈敏度進行定值整定。

II 段保護定值按變壓器低壓側(cè)最小兩相短路故障情況下有不小于1.3 的靈敏度整定，時限設(shè)一級時間級差，同時應校核與低壓總饋開關(guān)短路保護的配合。

III 段保護定值應按照可靠躲過實際運行中變壓器可能流過的最大負荷電流整定，并按變壓器低壓側(cè)最小短路故障情況下由不小于1.5 的靈敏度校驗，時限設(shè)兩級時間級差。

b)線路負荷為高壓電動機時保護整定原則。

應優(yōu)先選用專用的電動機綜合保護裝置，配置整定方法按照電動機保護。若采用線路保護裝置的方式對電動機配置保護，電動機保護可配置I 段電流速斷保護和III 段過電流保護兩段保護。

I 段保護定值按可靠躲過電動機啟動電流進行整定，一般為(4 ～12)倍的額定電流，同時應當校驗保護安裝處故障的靈敏度，若I 段保護不能可靠躲過電動機的啟動電流，應在電動機啟動時將I 段保護退出。

III 段保護定值按可靠躲過正常運行時電動機的負荷電流整定，一般可取(1.3 ～1.5)倍的額定電流，III 段保護的動作時間的定值應當可靠躲過電動機的啟動時間，同時不應超出電動機過負荷運行的允許時間。

1.3 中央變電所線路保護整定計算

中央變電所線路保護整定計算示意圖見圖1。

圖1 中央變電所線路保護整定計算示意圖

1)中央變電所S725 開關(guān)。

a)I 段按躲過本線路T 接線末變壓器其他側(cè)母線三相最大短路電流整定:

靈敏度:

Kl=5 913/850.3 =6.8 ＞1.5，滿足要求。

b)II 段按保證本線路末端故障有足夠靈敏度整定:

時限取0.3 s。

2)中央變電所S731/S733 開關(guān)。

a)I 段:按可靠躲過電動機啟動電流進行整定，啟動電流取7 倍的額定電流;

取Krel=1.5，Kc=1，Ist=7 ×62 =4 34 A故:

靈敏度:

Kl=5 946/651 =9.2 ＞1.5，滿足要求。

b)III 段按可靠躲過正常運行時電動機的負荷電流整定，一般可取(1.3 ～1.5)倍的額定電流:

時間取20 s。

3)中央變電所進線開關(guān)總S735。

a)I 段:進線開關(guān)總S735 配合上級出線開關(guān)635 整定，為此總S735 的I 段動作值取:

上級馬蘭6 kV 站635 開關(guān) I 段整定值為9 863 A。

b)II 段現(xiàn)整定值取值與上級出線開關(guān)限時電流速斷保護現(xiàn)整定值相同，取3 942 A，時限同樣與之配合，取0.15 s。

2 越級跳閘原因分析

2.1 整定值對比分析

整定值對比分析示意圖見圖2。

圖2 整定值對比分析示意圖

現(xiàn)整定值按照多級串供線路保護整定原則和配合原則，根據(jù)短路電流進行整定，具體整定過程見上述多級串聯(lián)6 kV 線路保護整定算例。馬蘭礦井下中央變電所6 kV 出線開關(guān)741，I 段現(xiàn)整定值3 073 A＞2 365 A(741 線路末端母線最大三相短路電流)，短路不會越級到下級線路;I 段原整定值800 A ＜2 365 A(741 線路末端母線最大三相短路電流)，短路越級到下級線路。對于開關(guān)N843 原整定值為290 A＜662 A(末端變壓器低壓側(cè)母線最大三相短路時反映到高次側(cè)的電流)，且290 A ＜329 A(末端變壓器低壓側(cè)母線最小兩相短路時反映到高次側(cè)的電流)，即開關(guān)N843 的保護范圍超出了變壓器低壓側(cè)母線?，F(xiàn)整定值為861 A ＞662 A(末端變壓器低壓側(cè)母線最大三相短路時反映到高次側(cè)的電流)保護范圍沒有超出變壓器低壓側(cè)母線。

由于原整定值I 段相對較小，所以沒有設(shè)II 段保護也能夠滿足保護范圍。但I 段整定值較小也帶來了越級跳閘的隱患，現(xiàn)I 段整定值按躲過下級線路出口處最大三相短路電流整定，整定值較大需要設(shè)立II段與之配合用以保護線路全長。同一條線路的上級出線開關(guān)和下級進線開關(guān)的配合原則不同，現(xiàn)整定值按照下級進線開關(guān)配合上級出線開關(guān)整定，I 段在定值上進行配合，II 段在時間上進行配合，這樣上級出線開關(guān)的II 段整定值將小于下級進線開關(guān)的I 段整定值。

2.2 靈敏性與選擇性的協(xié)調(diào)配合

繼電保護規(guī)程要求，繼電保護需滿足可靠性、選擇性、靈敏性及速動性四項基本要求。對于馬蘭礦中央變電所6 kV 線路的長度普遍只有幾km 甚至不足1 km，加之系統(tǒng)大小運行方式差異，這些短線路組成的電網(wǎng)普遍存在線路首端的最小兩相短路電流值與線路末端的最大三相短路電流值區(qū)分不明顯，甚至首端的最小兩相短路電流值小于線路末端的最大三相短路電流值。因此，如果該線路出線開關(guān)的速斷保護按照可靠躲過線路末端的最大三相短路電流來整定，就會造成在最小運行方式下沒有保護范圍，靈敏度也不滿足要求;如果按照線路在最小運行方式下由不小于1.5 的靈敏度進行整定，整定值將小于線路末端的最大三相短路電流，即在大方式下該線路的保護范圍會延伸到下級線路或變壓器，甚至延伸到變壓器低壓母線，這樣當下級線路或變壓器開關(guān)出口處發(fā)生故障時，本級線路的保護將會同時動作或超前動作，即產(chǎn)生越級跳閘問題。

從圖2 可以看出，出線開關(guān)635 在最大運行方式下在線路末端(井下中央變電所I 段母線)發(fā)生三相短路時的短路電流經(jīng)計算為11 168 A，而最小運行方式下在線路出口處(馬蘭礦6 kV 站I 段母線)發(fā)生兩相短路時的短路電流經(jīng)計算為14 795 A，對出線開關(guān)635 進行保護整定:

首先按照原則:躲過線路末端最大三相短路電流整定:

為此按照小方式下母線出口處兩相短路有靈敏度整定:

由圖2 可知，在最大運行方式下，下級井下中央變電所出口處發(fā)生三相短路時的短路電流為11 168 A，最小運行方式下出口處發(fā)生兩相短路時的短路電流為9 019 A，即當井下中央變電所741 出線出口處發(fā)生相間短路時，中央變電所進線開關(guān)總735，馬蘭6 kV 出線開關(guān)635 將會同時動作，造成越級跳閘問題的產(chǎn)生。

靈敏性和選擇性這一矛盾在此顯然是不可調(diào)和的?！? ～110 kV 電網(wǎng)繼電保護裝置運行整定規(guī)程》條明確提出:3 ～110 kV 電網(wǎng)繼電保護的整定應滿足選擇性、靈敏性和速動性的要求，如果由于電網(wǎng)運行方式、裝置性能等原因，不能兼顧選擇性、靈敏性和速動性的要求，則應在整定時，保證基本的靈敏系數(shù)要求，同時，按照如下原則合理取舍:a)地區(qū)電網(wǎng)服從主系統(tǒng)電網(wǎng)。b)下一級電網(wǎng)服從上一級電網(wǎng)。c)保護電力設(shè)備的安全。d)保重要用戶供電。

因此，本次整定按照保證基本的靈敏系數(shù)要求進行整定，取整定值為9 863.3 A。

通過對馬蘭礦中央變電所原整定值進行分析、統(tǒng)計，中央變電所發(fā)生越級跳閘的線路共6 條，現(xiàn)整定后仍發(fā)生越級跳閘的線路(無法通過整定解決的)有4 條，減少2 條，具體的線路見表1:

表1 整定后中央變電所發(fā)生越級跳閘的線路表

3 結(jié) 論

階段式電流保護由于存在原理上的局限性，對于短線路保護很難同時滿足靈敏性與選擇性的要求，實際整定中只能是在保證一定的靈敏度的情況下，犧牲部分的選擇性。目前，解決該問題的主要手段是采用數(shù)字化變電站。

［1］ 張 軍，戚風林，常士中，等.6 kV 配電室越級跳閘原因分析與改進［J］.河南冶金，2010(1):52－53

［2］ 許建安.繼電保護整定計算［M］.北京:中國水利水電出版社，2003:47－51.

［3］ 馮成銘，陳 曦.大容量10 kV 線路保護整定計算及配合［J］.四川電力技術(shù)，2010(4):25－26.