浅谈高压防爆开关综合保护器的主要功能及保护原理

摘要 本文阐述了保护器的功能、测量及电能质量监测功能、事件记录及故障录波功能、人机交流功能、显示功能以及通讯功能后,又详细阐述了保护器保护短路保护、绝缘监视保护、选择性漏电保护以及过压、欠压保护的相关原理,为生产实践打下了良好基础。

关键词 高压防爆;防爆开关;综合保护器

中图分类号TD6 文献标识码A 文章编号 1674-6708(2010)26-0041-02

1 保护器功能

为满足井下变电站的保护要求及适应未来井下自动化的发展需要,高压保护开关应当具备以下基本功能:

1)保护功能

(1)短路保护当负荷侧出现有短路故障时,保护器配置有三段式定时限过电流保护;(2)电缆绝缘监视保护对高压开关负荷侧使用的双屏蔽电缆的屏蔽芯线,屏蔽地线之间实现绝缘监视保护功能;(3)电流型漏电保护对所属电网中出现的单相接地故障,采用零序电流法选择检漏保护,漏电时报警并选出所接地的线路;(4)功率方向型漏电保护对下属电网中出现的单相接地故障,采用功率方向法选择性检漏保护,漏电时报警;(5)低电压保护当电网进线电压不足额定值的65%(可定值整定)时,可跳开开关;(6)过电压保护当电网进线电压超过额定值的118%(可定值整定)时,可跳开开关;(7)反时限保护对变压器、电机或其他负载在其出现断续过载时,对过载能量进行累运算,实现反时限保护。反时限曲线有一般反时限、非常反时限、极度反时限3种国际标准的特性曲线供选择;(8)具备风电闭锁和瓦斯闭锁功能。

2)测量及电能质量监测功能

保护器采用高速高精度AD芯片,每周波采样24点,并且应用频率跟踪技术和傅立叶算法,能够精确实时采集三相电压和电流,实时计算有功功率、无功功率、功率因数以及系统频率,为分析系统电能质量提供丰富的信息。

3)事件记录及故障录波功能

能记录最近发生的100条事件,装置掉电信息不丢失;记录最近一次保护启动及跳闸时连续16个周波的波形,便于帮助技术人员分析事故原因。

4)人机交流以及显示功能

在人机交互方面,保护器采用红外智能遥控器的设计,方便运行人员在井下不停电的情况下就可以实现对开关的各种操作及定值整定。同时保护器配有高亮度液晶显示屏作为人机交互接口,正常时显示当前电网电压数值及负载电流的数值,当有保护动作时,则自动调出故障告警信息画面和点亮告警指示灯,显示保护动作原因及故障电流(压)值。

5)通讯功能

保护器通过CAN总线和以太网与系统连接组成光纤环网的以太网系统,利用CAN总线通讯技术具有解决网络竞争问题,响应速度快的优势实现远方对保护器的遥测、遥信、遥调、遥控功能。

2 保护器保护原理

《煤矿安全规程》规定:井下高压变电站应装设短路、过载、欠压保护,为保证有选择性地切除漏电故障,应设有选择性漏电保护,在使用屏蔽电缆的场合,还应设置绝缘监视保护。针对井下保护装置的保护对象会遇到的各类故障和其故障特性,结合现有高压开关保护装置各种保护的保护功能,提出相应的保护原理。

2.1 短路保护

《煤炭安全规程》要求在煤矿井下高压电网中必须装设过电流保护系统。短路保护是煤矿井下供电系统中的三大保护之一,它是一种保证供电可靠性和安全性所必需的保护措施。短路是指供电系统中不等电位的导体在电气上被短接,各种类型的短路故障是煤矿井下最常见的故障之一。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。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保护系统的保护范围。但这一种判据有时不够可靠,会形成保护“盲区”。

为了有效地区分上述情况下的起动电流和短路电流,保证系统最远端发生短路时,保护具有足够高的灵敏度,系统采用“相敏保护”原理。

2.2 绝缘监视保护

在煤矿井下6kV供电系统中,电能是由地面变电所经两条或多条高压电缆送至井下中央变电所,然后用成套配电装置经高压双屏蔽电缆馈送给井下各高压负荷。由于双屏蔽电缆供电环境的特殊性,要求向工作面供电的高压防爆开关综合保护系统中除装有选择性漏电保护以外,还必须装设监视线保护。实践证明,同时装有漏电保护和监视线保护的高压防爆开关向工作面供电可以极大地提高供电的可靠性。所谓绝缘监视保护就是监视双屏蔽电缆的监视线和接地线有无断路或短路故障的保护。

2.3 选择性漏电保护

目前的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3类。其三者的保护原理为:

1)零序电流型是利用故障支路零序电流大于任意一条支路自身的零序电流的特点实现选择性;

2)零序功率方向型是利用电网发生接地故障后电压的变化以及故障支路电流和非故障支路电流与电压相位关系的不同来实现选择性。当电压和电流达到设定值时启动保护,然后利用非故障支路电流超高电压90°而故障支路电流滞后电压90°的特点,通过比较各支路电流与电压相位选出故障支路并切断该支路;

3)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。

2.4 过压、欠压保护

在正常情况下,配电线路和开关设备等对地绝缘,只承受相电压。由于某些原因,电网的电磁能量发生突变,造成电压异常升高,出现危及设备绝缘的电压称为过电压。而电压过低则称为欠电压。当实际电压等于或大于118%额定电压时,判定为过电压。实际电压等于或低于65%额定电压时,判定为欠电压。二者均属不正常工作状态。

欠压保护还可以作为短路保护的后备保护,当发生非金属性短路故障时,母线上的电压有可能不为0,这时通过欠压保护实现短路保护后备保护。系统通过直接交流采样,判断操作过电压的范围,进而确定是否发生欠压或过压不正常状态。

3 结论

分析了短路、绝缘监视、零序电流型、零序功率方向型和谐波方向型漏电保护、反时限电流保护原理,以及漏电故障稳态特性。为高压防爆保护开关综合保护器的设计提供了理论基础,以便其更好地实现保护功能。