基于智能变电站的煤矿高压电网选择性接地保护探究

张新铁 李春燕 刘磊 赵杰 郭宇

摘要：从智能变电站煤矿高压电网的运行实际来看，当前阶段存在的主要问题是电网接地保护功能的适用性范围过窄，以及实现接地保护原理本身的技术缺陷问题导致的选择性失效。基于此，本文首先对煤矿电网的运行环境以及单片微机保护的不足问题进行分析，而后提出实现零序全电流多支路方向判定功能的电网优化策略，希望可以为提高煤矿供电系统运行的安全可靠性能，提供一些理论帮助。

关键词：智能变电站;煤矿高压电网;选择性接地

前言：井工开采的矿场在智能变电站高压电网建设时，为了避免一些大型功率机械设备或者电缆电线因绝缘层破坏失效，导致人员触电、机械损坏、瓦斯爆炸或井下发火，通常会将接入6kV高压电网的所有负荷设备不带电部分的金属外壳进行接地保护，这样的接地保护网可以限制故障支路的大电流现象。因此深入探究煤矿的高压电网选择性接地保护方案，是煤矿高压电网安全运行生产的重要保障。

1. 煤矿智能电网的运行分析

1.1电网接地故障问题分析

煤矿高压电网通常采用中性点不接地的供电方案，这样的电网线路中，负荷设备的对地电容将直接影响整个电网的单相接地电流。电网中各个负荷端的实际供电间距较短，所以通常情况下不容易发生接地点的电弧燃烧现象。但若是电网中某一负荷的其中一相被短接接地，那么会直接导致另外两相的对地电压骤升至原本的 倍，导致其他两相过载运行。由于煤矿电网的电缆线路以及各个负载设备长期处于条件恶劣的井下作业环境，实际有效保养存在一定客观难度，因此若相线局部存在着破损或薄弱点位，那么很容易因绝缘失效或击穿导致二相接地短路或者相间短路，从而影响整个煤矿智能电网的安全运行。

1.2接地保护功能的不足问题

煤矿电网的接地保护功能主要是通过横向选择与纵向选择的工作原理实现的，其中横向选择是指在各级接地保护装置的支路上利用单台微机来生成选择保护逻辑，进而提高电网接地保护动作的选线可靠性的。而纵向选择则是指上级用电负荷与下级用电负荷之间，依靠电位、电容、电流等电网运行检测信息的生成时間差来提供故障支路信息。但这种电网组网方案存在的主要问题在于，由于单台微机保护装置在电网中交互联动性较差，难以获得其他支路的运行情况，因此难以很好地完成线路的横向保护功能[1]。且另一方面，整个煤矿接地保护网的保护动作值设定上，都必须要依照电缆与设备的绝缘参数以及接地安装方案不同来做出适应调整，因此在煤矿电网中一旦出现更换、拆换或新接入某些大负载机械设备，很容易导致上下级负载配合动作参数设置出现错误，使得单微机保护装置无法合理完成纵向选择保护功能。上述两方面问题，经常导致煤矿电网的接地保护选择性失效问题，使电网出现误掉闸、误跳脱或者切断不及时的问题。

2. 基于智能电网的选择性接地保护优化策略

2.1谐波继电保护故障支路判断

煤矿智能高压电网的接地故障支路的选择判断，可以借助谐波继电保护来实现。它的基本选线保护原理为如下：

当煤矿电网某处负载端或线缆出现相线接地故障时，由于绝缘层破损或者烧焦导致线阻值出现不规律变化，使局部线路具有了非线性电阻的特性。此时尽管煤矿的输出电源的电势为基波，但故障支路中却出现了谐波分量，而在故障支路接地相中，由于接地端也具有电阻非线性变化的特性，会综合引起故障支路的谐波分量增大[2]。这种谐波电流分量出现时，会导致电网变压器的励磁电流增大，加剧煤矿电网的输电损耗，所以在不同支路的负载端分别接入一个谐波电流断相保护装置，就可以在煤矿电网出现接地故障时迅速反应切断故障支路。这种谐波电流断相器的内部，由一个电流互感器与次级烧组串联组成谐波检测装置，由于三次谐波电流始终为同相位，所以这个断相器本身相当于零序系统。当支路处于正常工况时，继电器在速饱和电流互感器的动作指令下吸合继电器两端，断相器抱死维持线路供电;而当支路出现接地故障产生谐波分量时，此时故障支路缺相，互感器释放使故障支路断开供电。但这种基于谐波继电保护的选线逻辑只能检测出煤矿电网的故障支路，无法检测出故障发生的实际部位，所以还需要借助其他保护装置动作来实现故障点位选择性功能。

2.1零序全电流功率方向故障点位判断

从上文煤矿电网的运行实际分析，想要保证电网的接地保护功能的选线准确性，就必须要采用集中保护的方式，在整个接地保护网中建立信息共享，依靠全站底层数据的数字共享来优化故障点位判断逻辑。在此基础上，零序全电流功率方向判断电网接地的基本原理与依据为如下：

当煤矿电网出现局部接地故障时，由于中性点不接地，所以此时接地故障相线相比于正常相线来说零序电压滞后90°，那么若是将整个电网的基准零序电压为坐标纵轴，将相线之间的零序电压矢量变化作为坐标横轴，那么此时任何一相都存在着对地绝缘电阻的有功电流分量。而正常情况下的电网负载支路，零序全电流的有功功率分量理应全部落于坐标正半轴，所以根据各个支路的零序电压与有功电流分项的象限分布，可以直接用于区分故障支路与非故障支路。当接地保护电网中性点经过消弧线圈的零序全电流功率矢量落在第一象限时，该支路为正常运行状态，反之则为故障支路。而零序全电流功率矢量在其他象限的分布i，还可以根据具体情况区分为过补、全补以及欠补三种动作情况。

结语：综上所述，在集中电气量比较的选线策略下，煤矿智能电网的选择性保护功能，主要由谐波继电保护断相器与微机控制的零序全电流功率方向检测装置来实现。其中前者负责检测出高压电网中存在的接地故障支路，后者则根据故障支路中的零序电压与全电流功率矢量变化区分故障点位。这样的选择性接地保护方案的优点在于适用范围大、准确性高、横向纵向选择可靠，进而确保煤矿高压智能电网得以长期稳定地供电，显著提高煤矿井下供电系统的安全生产性能。

参考文献：

[1]李建忠. 煤矿电网安全分析研究[D].中国矿业大学，2021.

[2]张斌.电网智能技术在煤矿供电系统中的应用[J].石化技术，2020，27（07）：144-145.