煤矿供电继电保护整定计算研究毕业设计.doc

煤矿供电继电保护整定计算研究毕业设计目 录1绪论11.1 本课题的目的与意义11.2煤矿电网继电保护及整定计算软件现状21.3 本文的工作重点22 煤矿电网继电保护原则归纳32.1煤矿电网供电结构描述32.2煤矿电网继电保护原则归纳42.2.1煤矿电网主变压器保护52.2.2 6kV线路电流速断保护102.2.3 漏电保护122.2.4煤矿电网高压电气设备保护配置162.3本章小结173 煤矿电网故障计算的实现193.1 煤矿电网故障计算的特点193.2 三相对称短路计算203.2.1 网络数学模型的建立203.2.2 故障点辐射状等值网络形成253.2.3 指定时刻对称短路电流的计算323.2.4 短路全电流与冲击电流的计算353.3 两相短路故障电流的计算363.4 单相接地电容电流的计算373.5 故障电流计算的实现流程393.6 本章小结404 整定配合基本原则414.1整定配合基本原则概述414.2保护的整定方法414.3差动保护414.3.1纵联差动保护424.4阶段式保护434.4.1保护原则概述434.4.2 电流速断保护434.4.3 延时电流速断保护474.4.4 过电流保护524.5 本章小结565 煤矿电网继电保护系统计算软件的实现575.1 软件的总体结构及功能介绍575.2 煤矿电网继电保护系统计算软件的运行615.3 本章小结646总结与展望656.1 总结656.2 展望65参考文献67英文文献69中文翻译77致 谢85中国矿业大学2009届本科生毕业设计 第 页1绪论1.1 本课题的目的与意义煤矿企业是电力系统的重要用户并且对可靠性要求比较高。煤矿的供电系统是矿区生产的主要动力源，而继电保护是整个煤矿电力系统安全运行的重要保障。它应该保障矿区电力网络正常的生产和运行，并且在出现故障的时候能迅速准确的切除故障。从安全运行的角度出发，煤矿电网中继电保护装置应满足可靠性、灵敏性、选择性和速动性这四个基本要求，而继电保护整定计算是确保“四性”的主要手段。因此继电保护定值的整定工作一直是煤矿电气技术人员日常工作中的重点和难点。矿区电网和一般的10kV配电网有很大的不同，矿区的电网以单端辐射状供电为主，高压短线路较多，负荷与供电结构需要经常地变动，同时煤矿生产的工作条件具有特殊性，其主要负荷集中在井下，井下空气湿度大，空气中浮游大量杂质（如煤尘）并且腐蚀性气体（如CO2、NO、NO2、SO2等）含量高，属于易燃易爆场所，发生短路故障时可能造成火灾事故，甚至引起瓦斯煤尘爆炸，所以煤矿企业的供电和电气设备与普通电力用户相比有其特殊地方，并且对继电保护有更高的要求。煤矿生产的工作条件是具有十分特殊性的，其电网的安全、稳定运行是煤矿企业安全生产的重要保障。要保障煤矿企业主设备安全可靠运行，正确、合理的保护定值整定是必不可少的措施之一。但是目前煤炭系统内，继电保护整定管理水平总体上比较低，至今没有形成统一的，被系统内认可的整定计算规范，目前各单位还处于手动计算，各自为阵的状态。 随着煤矿生产对供电可靠性的要求越来越高，各煤矿企业对继电保护整定工作日益重视，越发认识到制定一套适合于煤矿生产实际情况的继电保护整定规范的必要性与重要性。本软件设计的目的就是如何利用目前先进的软件编程技术，开发出具有使用价值的图形化的煤矿电网继电保护整定计算与管理系统，实现对供电系统中高压电气设备参数、继电保护配置、保护整定计算及继电保护定值单等进行管理，计算机根据人为选择各设备的继电保护整定原则，对其进行整定计算与灵敏度校验。整个系统操作简单、方便、灵活，使保护整定技术人员的工作量降低到最小。本软件在设计开发过程中，将可视化技术、数据库技术、面向对象程序设计方法与煤矿继电保护整定计算相结合，对煤矿电网主设备继电保护原则、供电结构拓扑分析、数据库管理作了一些很有意义的基础性研究应用工作。1.2煤矿电网继电保护及整定计算软件现状煤炭行业由于历史条件，以及对煤矿电网继电保护投入资金和认识不足等客观原因，到目前为止煤矿电气技术人员的继电保护整定工作仍然延用传统的手工计算与人工校验的方法，即根据已有的系统一次接线图查找图纸中各电气设备的相关参数，然后根据供电系统的不同运行方式分别计算出各点的最大与最小短路电流，最后根据所得故障电流与设备参数计算出各项保护的定值。但是由于煤矿生产的特殊性，其负荷与供电结构经常需要变动，特别是井下部分，每次负荷与供电结构的变动都要求对定值进行重新计算，其工作量非常大且十分繁琐。同时必须引起重视的是整个煤炭系统内至今并未形成一套与本行业生产实际情况相适应的继电保护整定规范，这样首先对煤矿继电保护整定软件的开发与推广形成了最根本的障碍，以及由于煤矿电气技术人员本身的技术水平原因，在进行煤矿电网继电保护整定计算时采用的整定计算和保护之间配合的方法有时是错误的，这样会带来的井下线路经常性的越级跳闸、无选择性跳闸等很多问题，影响整个系统的供电可靠性。与煤矿系统相比电力系统使用的继电保护整定软件则相对的完备与成熟，主要软件有中恒博瑞图形化继保整定软件、四方博瑞图形化继保整定软件、中国电力科学院的PSASP中的继电保护模块等，它们面向的是10kV、35kV、110kV、220kV和500kV的电网或是发电厂，而煤矿电网是以6kV辐射状供电为主，继电保护的配置与整定远没有电力系统电网那么复杂，同时电力系统的软件单价都十分的昂贵。因此煤矿企业采用电力系统的继保软件进行整定计算是不合适同时也是不经济的！1.3 本文的工作重点目前随着煤炭形势的转好，产量不断的扩大，煤矿企业对供电的可靠性有了更高的要求。煤矿企业的继电保护工作非常需要一种针对煤矿生产实际情况的具有可视化功能、继电保护配置规范合理的保护整定软件。本论文选择了煤矿电网继电保护整定计算与管理系统的开发作为研究方向，在煤矿电网继电保护整定原则的整理方面作了一些研究和应用工作。2 煤矿电网继电保护原则归纳煤矿生产的工作条件是具有十分特殊性的，其电网的安全、稳定运行是煤矿企业安全生产的重要保障。要保障煤矿企业主设备安全可靠运行，正确、合理的保护定值整定是必不可少的措施之一。但是目前煤炭系统内，继电保护整定管理水平总体上比较低，至今没有形成统一的，被系统内认可的整定计算规范，目前各单位还处于手动计算，各自为阵的状态。随着煤矿生产对供电可靠性的要求越来越高，各煤矿企业对继电保护整定工作日益重视，越发认识到制定一套适合于煤矿生产实际情况的继电保护整定规范的必要性与重要性。2.1煤矿电网供电结构描述图2-1典型煤矿供电结构图2-1为典型的煤矿供电网络的一部分。为保证煤矿供电的可靠性，煤矿安全生产规程中规定：每一矿井应有两回电源线路。当任一回进线发生故障停止供电，另一回进线应能担负整个煤矿的全部负荷。不仅是煤矿35kV或110kV变电所，其他井下各采区变电所等，也是采用一回路运行，另一回路带电备用方式，确保煤矿生产过程中供电的连续性、可靠性。从整体上来看煤矿电网可以分为地面与井下两大部分：地面部分如选煤厂变电所、锅炉房变电所的电源，是由地面35kV或110kV变电所的6kV母线直接供电；井下部分一般由地面6kV母线，经限流电抗器或隔离变压器，用高压电缆从井筒向井下中央变电所供电，中央变电所经过本身的分段母线和高压配电装置将6kV电能分配给其附近的高压用电设备，如主排水泵、动力变压器等，并向各采区变电所供电，采区变电所的动力变压器一般将电压降到660V，通过低压电缆分送到工作面配电点，在由工作面配电点分送到工作面的各设备。如果采区内还有其他的工作面，6kV电能则由采区变电所的高压配电装置送到附近的变电硐室中，然后经过降压再送到工作面配电点。通过以上的描述可以看出，煤矿电网正常运行方式下，整体上是辐射状结构。从细节上看它结合了电力系统中的输电网与配电网两者的特点，现将煤矿电网供电结构的特征总结如下：1. 煤矿电网供电结构在正常运行方式下为辐射状类似于配电网，但传输线路上并无T型分支线路，同时也不存在像10kV配网中的线路分段开关，其又具有输电网的特点。2. 地面的各高压配电点基本上是由35kV或110kV变电所6kV母线直接供电，供电距离一般不会超过1000m，而下井线路供电级数较多，其中央变电所以下部分每一级之间供电距离大都很短，有的线路长度不足500m。3. 煤矿电网中的所有高压开关设备都安装在变电所内，如高压断路器都位于选煤厂等变电所中，高压防爆开关都位于中央变电所、各采区变电所或配电硐室中。煤矿电网中地面的高压配电点如选煤厂变电所、锅炉房变电所，井下的采区变电所从结构和功能上都十分的类似于10kV配网中的开闭所。2.2煤矿电网继电保护原则归纳煤矿电网中电气设备主要以线路、变压器、电动机为主，每种设备对应若干种保护原则，本软件继电保护原则主要以中华人民共和国电力行业标准3110kV电网继电保护装置运行整定规程（中华人民共和国电力工业部1995-11-27批准1996-06-01实施）、煤矿安全生产规程（2005年1月1日起实行）为参考，并结合煤矿生产运行实际,讨论煤矿电网电气设备继电保护整定原则应该如何配置。以下结合煤矿电网特点与继电保护整定计算工作中存在的问题，就主变压器的差动保护与后备保护、6kV线路速断保护与漏电保护这四个方面进行详细的讨论分析。2.2.1煤矿电网主变压器保护矿区主变压器是煤矿电网中最重要的电气设备之一，担负着整个矿区的用电负荷，电压等级一般为35kV，但规模较大，产量较高的矿井可为110kV。正常情况下煤矿电网安装有23台主变，之间互为备用。由于主变发生故障对整个电网的影响很大，因此应加强其继电保护装置的功能，以提高整个系统安全运行。按技术规程的规定，并结合煤矿生产实际，其继电保护的配置原则为：1. 瓦斯保护 用来反映变压器的内部故障和漏油造成的油面降低。同时也能反映绕组的开焊故障。即使是匝数很少的短路故障，瓦斯保护同样能可靠反应。瓦斯保护有重、轻之分，一般重瓦斯动作于跳闸，轻瓦斯动作于信号。2. 纵差动保护用来反映变压器绕组的相间短路故障，绕组的匝间短路故障，以及引出线的相间短路故障。应当看到，对于变压器内部的短路故障，如绕组尾部的相间短路故障，绕组很少的匝间短路故障，纵差动保护和电流速断保护是反应不了的，即存在保护死区；此外也不能反映绕组的开焊故障。注意到瓦斯保护不能反映油箱外部的短路故障，故纵差动保护和瓦斯保护均是变压器的主保护。3. 短路故障后备保护用作变压器外部短路故障和作为变压器的瓦斯保护、纵差动保护的后备保护。根据变压器6kV侧母线是否接有自备电厂，可采用过复合电压（方向）过电流保护等。4. 接地保护 煤矿主变压器高压侧中性点为不接地运行（110kV主变在操作时为防止过电压，临时将高压侧中性点接地，操作完成后将其断开），可用零序电压保护构成变压器的接地保护，此外如果装有放电间隙，还应设有中性点间隙零序电流保护。5. 过负荷保护为防止长期过负荷对变压器的损害，应根据可能的过负荷情况装设过负荷保护，带延时动作于信号。6. 非电量保护 非电量保护包括：变压器本体和有载调压的油温保护；变压器的压力释放保护，此外还有变压器带负荷后启动风冷的保护；过负荷闭锁有载调压的保护。2.2.1.1主变差动保护随着煤矿企业对继电保护工作的重视，经过技术升级已经基本淘汰了老式的BCH型继电器构成的差动保护装置，普遍采用微机式的变压器测控单元，其差动保护部分主要包括差动速断保护、比率差动保护、低压侧过流保护、CT断线判别。主变差动保护整定计算主要是确定差动速断电流倍数、二次谐波制动系数、最小启动电流、比率制动斜率。1. 比率差动保护整定 图2-2为目前被微机保护广泛采用的三折线比率差动保护的动作曲线（以南瑞RCS-9671/3变压器差动保护装置为例），制动特性由AB、BC、CD直线段组成，制动特性为式（2-1）所示，其变量有动作电流，制动电流，差动电流启动值，比率制动系数0.30.75可调，变压器的额定电流，折线上半部分为保护动作区。图2-2 三折线比率差动保护动作特性曲线（2-1）两个拐点电流和，通常固定为0.5，固定3，固定为1。在整定计算时只需确定、及可。因为差动保护为设备的主保护，在定值上和其他设备不存在上下级的配合关系，本身有很高的灵敏度，所以通常情况下采用工程计算的方式确定值如式（2-2），值如式（2-3）56。其中取1.5，为非周期分量系数两侧同为P级电流互感器（TA）时取2.0，为TA同型系数，取1.0，为TA变比误差，取0.1，为偏离额定电压最大调压百分数，如调压抽头为，则5%，为由于微机保护电流平衡调整不连续引起的不平衡电流系数，实际上，为可靠起见，仍沿用常规取值，。 （2-2） （2-3）2. 二次谐波制动系数整定变压器空载合闸或外部短路故障切除电压突然恢复时，变压器会有很大的励磁电流及励磁涌流通过，而励磁涌流仅在变压器的一侧流通，故流入差动回路。当变压器发生内部故障时差动回路也会流过很大的短路电流。所以当二次谐波制动判别差动回路的电流为励磁涌流时闭锁差动保护，一般 二次谐波电流与基波电流的比值一般整定为15%20%，微机保护的制动系数可选0.15即可。3. 差动电流速断保护整定当差动保护的保护区内发生严重短路故障时会产生相当大的短路电流，电流互感器会发生饱和，这时应该无时限地切除故障。差动电流速断值一般可取68。2.2.1.2主变后备保护为反映变压器外部相间短路引起的过流以及作为差动保护、瓦斯保护的后备保护或相邻元件的后备，变压器应装设反映相间短路故障的后备保护，由于煤矿企业的主变电压等级大都为35kV或110kV，因此最常采用的方式是复合电压闭锁的（方向）过流保护作为变压器的后备保护。当作为差动保护和瓦斯保护的后备保护时，高压侧后备保护动作于各侧断路器，此时装设在主电源侧的保护段对变压器各电压侧的故障应均能满足灵敏度要求，变压器其他侧装设的后备保护，主要作为各侧母线和线路的后备保护，动作后跳开本侧或两侧断路器；此外，当变压器断路器和CT之间发生故障时（死区范围），后备保护同样可以反应，起到后备保护作用。根据以上要求主变压器的后备保护的配置原则如下：1. 对于单侧电源的变压器，后备保护一般装设在变压器的电源测（高压侧），但从加强设备保护装置的可靠性出发一般在低压侧也装设后备保护，见图2-3。因为6kV侧无电源，系统进线正常为一用一备，这样高压侧后备保护（保护1）就无须和电力系统一样分成两段时限或三段时限，先跳开高压侧母联，然后跳变压器两侧开关，而是只设一段复压闭锁过流时限跳开变压器两侧开关及能满足要求。同时应注意到，PT断线时不退出与其电压有关的保护，因为宁可使用不经过复合电压闭锁的过流保护，也不能失去变压器保护的最后一道防线。低压侧后备（保护2）保护设两段时限，由于煤矿变电所6kV母线并未装设专门的母线保护，因此低压侧后备第I段时限跳开断路器QF5，第II段时限跳开高、低压侧断路器QF1、QF2或只跳断路器QF2。各后备保护的动作时限如式（2-4）所示： （2-4a）（2-4b）（2-4c）图2-3 主变后备保护配置图2. 对于6kV母线接有自备电厂的变压器，高压侧后备除了应有的一段不带方向的复压闭锁过流保护外，还应装设一带方向的过流保护段，方向由变压器指向母线，该保护段起到高压侧外部短路故障的后备保护作用。当线路发生短路时，可由QF4的方向保护元件跳开进线，如果QF4因某种原因据动，则由QF1带方向保护段经一延时动作跳开断路器，然后6kV母线通过切除非重要负荷，由自备电厂带保安负荷运行，直到进线线路切换成功并恢复全矿供电。低压侧后备保护同（1）中保护设置相似。各后备保护的动作时限如式（2-5）所示，为带方向过流保护段时间： （2-5a） 、 （2-5b） （2-5c） （2-5d）2.2.1.3 主变限时电流速断保护 由于煤矿高压电网的地面部分的供电半径一般很小，高压负荷非常集中，如变电所6kV母线至洗煤厂高压配电点的线路大概一般不足1000m，同时因为煤矿电网中通常只有下井线路才装设限流装置或隔离变压器，其他出线均未装设。如果地面线路发生短路故障，由于供电线路较短，这样产生的故障电流值很大（和母线发生短路无多大区别）。假如故障线路保护据动或故障发生母线上，这时值很大的短路电流只有靠低压侧后备动作切除。这样保护动作时间过长很可能会引起变压器内部受损，发生线圈的匝间短路，最后导致差动保护动作。如在进行山东济宁三号煤矿的电网安全分析项目中发现，其主变现低后备的复压闭锁过流保护I段时间定值长达1.8s。还有近年河南永煤集团发生过，由于35kV变电所6kV母线出线柜隔离开关损坏造成6kV母线短路，同时由于低后备保护装置据动，造成主变绝缘损坏的事故。所以根据煤矿电网结构的实际情况，认为非常有必要在低压侧增设带时限的电流速断保护。为了增加保护的可靠性，限时电流速断保护和原来的复压闭锁过流保护尽量不公用一套过流保护设备和电流互感器（TA），直流操作电流引自不同直流母线。在实际中我们可选用了差动保护单元中未使用的低压侧过流单元作为限时电流速断保护，也可以用低后备单元中的尚未被利用的复压闭锁过流，将过流保护经复压闭锁控制字改成退出，作为限时电流速断保护。限时电流速断定值，可按两种方法取值：1. 按躲过母线所有出线电流速断保护（I段）的最大动作值整定。2. 按母线发生最小两相短路时，保证最小灵敏度1.3整定。限时电流速断保护动作时间和6kV出线的I段或II段配合，考虑煤矿的实际情况选择和I段配合，一般取0.6s。2.2.2 6kV线路电流速断保护2.2.2.1煤矿井下越级跳闸原因分析从图2-1煤矿电网典型供电结构图，可以看出煤矿供电主要分为地面与井下两大部分，其中地面的各高压配电点基本上是由35kV或110kV变电所6kV母线直接供电，而下井线路供电级数较多。当井下发生短路故障时经常会发生越级跳闸现象，特别是有时采区变电所的短路故障，会越级跳到地面6kV母线的出线开关处。现简要的分析，煤矿井下发生越级跳闸的主要原因：1. 整定方法不合理通过多次与煤矿有关电气技术人员的现场交流，发现有些煤矿现有的井下线路的电流速断保护的整定方法，是采用煤炭工业部制定的煤矿井下供电的三大保护细则（煤炭工业出版社）中第6条中用于1200V及以下低压电缆线路的短路保护的整定计算方法，其值整定如式2-6，为速断保护的整定值，为容量最大的电动机的额定启动电流，对于数台电动机启动同时启动的情况，假如其总的功率大于单台启动的容量最大的电动机功率时，则为这几台同时启动的电动机的额定电流之和，需求系数，为其余电动机的额定电流之和。（2-6）这种方法所得到得值要比按最大短路电流计算得到得值要小得多，这使得速断保护的范围大大伸出了下一级线路，由于井下的高压线路每一级之间的长度基本上都很短，大约只有500800m，因此当下级线路发生严重短路故障时，就很可能造成越级跳闸。2. 高压短距离线路较多当线路较长时，其始端和末端的短路电流差别较大，因而短路电流的变化趋势比较陡，速断保护范围较大，而当线路较短的时候，由于线路短路电流的变化平缓，速断保护的整定值在考虑了可靠系数后，其保护范围将很小甚至等于零。如在井下有的电缆线路大约只有500800m，有的甚至只有几十米，上下级的短路电流很难区分，速断保护范围为零，此时的瞬时速断形同虚设，电力系统规程建议在灵敏度小于1的情况下不适宜装设电流速断保护，但是煤炭规程规定井下必须装设速断保护不准甩掉不用。因此认为供电线路较短是造成井下越级跳闸的主要原因。3. 保护装置原因煤矿井下的保护装置速断保护动作定值的设定和电力系统的保护装置有很大的不同，它不是连续可调的，而是根据高防开关所装设的TA的一次侧额定电流设定的（如北京顺诚的综保装置），其保护装置的档位只有2倍、3倍、4倍、5倍、6倍、8倍、10倍，比如TA的变比为400/5A，根据档位选择，其速断定值最小为800A，最大为4000A，级差最小为400A，最大为800A。这样很难根据整定计算得到的值，来设定保护装置的准确的动作值。这样造成设定值可能偏大导致灵敏度校验不通过，没有最小保护范围，可能使保护装置据动，而选较小档的时候，可能又使值偏小造成越级跳闸。目前很多煤矿企业已经认识到了此种保护装置的局限性，正逐步的使用性能更好，保护定值可以连续调节的高开综保装置，如上海山源电子的ZBT-11高开综合保护器。2.2.2.2 6kV线路电流速断保护整定煤矿6kV线路的电流速断保护的整定，是煤矿继电保护整定工作的重点与难点，其定值的是否合理，直接关系到电网能否安全可靠性运行。如前文煤矿电网典型供电结构描述中，可以看出煤矿供电主要分为地面与井下两大部分，其中地面部分供电级数基本上只有一级，而下井线路供电级数较多，而且所有线路的断路器或高防开关都装设在各个高压配电点和采区变电所中。因此6kV线路电流速断保护整定可以按线路的类型与开关安装位置进行：1. 当线路为35kV或110kV变电所6kV母线至地面高压配电点出线时，因其供电的距离较短，当发生短路故障时相当于6kV母线近点短路，其电流值很大，6kV母线的残压较低，为了能快速切断故障一般其出线的电流保护只设置电流速断保护（I段）与过电流保护（III段）。因为线路较短速断保护的最小灵敏度很难保证，因此可采取保证I段保护有最小灵敏度整定。2. 当线路为6kV母线至井下中央变电所出线时，因其一般都接有限流电抗器，所以电流I段按线路末端最大短路电流整定可以保证其最小灵敏度。为保证其可靠性可以装设带时限电流速断保护（II段），其动动作值与下一级开关的电流速断定值相配合。3. 当线路为井下部分的供电线路时，根据线路连接对象的不同可分为：中央变电所至各采区变电所的供电线路与给隔爆变压器、移动变压器、高压电动机供电的线路两种。对于前者的整定方法与（1）类似，当为后者时可采用线路变压器组的方式进行整定，动作值与变压器或高压电动机的速断配合，以扩大保护范围。4. 如开关为变电所进线开关，可以按照配网中开闭所进线开关的保护整定方法进行处理。6kV线路的电流速断保护的整定原则如下所示：1. 按躲过本线路末端故障最大三相短路电流整定，可靠系数，默认值1.3，为本线路末端故障最大三相短路电流。 (2-7)2. 与本线路末端的变压器或高压电动机的速断定值配合，可靠系数，默认值1.3，为变压器或高压电动机的速断定值。 (2-8)3. 按I段保护有最小灵敏度整定，灵敏系数，默认值1.5，为线路始端故障的最小两相短路电流。 (2-9)4. 如开关为变电所进线开关，可按本侧母线短路满足灵敏度要求计算，为本侧母线短路时流过保护安装处的最大短路电流，灵敏系数，默认值1.5。 (2-10)但是对于上下级之间只有几百米的线路而言，当发生严重短路故障时很难保证不发生越级跳闸现象，这是由于线路本身的结构造成的，不过对于煤矿电网的6kV线路电流速断保护整定，我们可以通过选择合理的速断保护整定原则，尽量减小越级跳闸的范围。2.2.3 漏电保护煤矿电网为6kV小电流接地系统，发生单相接地时不形成短路回路，在电力系统安全运行规程规定可继续运行12小时。但是长时间的接地运行，极易形成两相接地短路，弧光接地还会引起全系统过电压。特别是矿井电网，因其大部分为电缆供电，环境恶劣，故障多，高压电缆经常发生单相漏电或单相接地故障，这种故障如不及时发现和处理，就会造成多相短路而使供电中断，影响正常生产，并给矿井和人身安全带来严重威胁。在煤矿电网中，一般用漏电来泛指电网中的各种接地故障，这与供配电网中通常讲的单相接地故障实际上是同一概念。所谓漏电，就是指三相电网中的任一相导线经电阻与地或地线相接；而单相接地是指任一相导线直接与地或地线相接，又称金属性接地。据统计，煤矿电网中金属性接地故障只占5%，而漏电故障高达95%，也就是说，绝大部分故障是漏电故障。2.2.3.1 选择性漏电保护选择性漏电保护是指：当电网的某一线路发生接地或漏电故障时，保护装置仅使开关切除或发出信号指示接地（漏电）故障所在线路，保证非故障线路正常供电。对选择性接地（漏电）保护问题，由于电网中性点接地方式的不同，则处理的方式也各不相同。1. 中性点不接地系统假设如图2-4中性点不接地系统中，线路的A相经过渡电阻接地，由于只有零序电流可以流入大地，和接地故障点构成回路，总的零序电流之和就等于流过接地电阻的电流。其中、分别为线路、的每相用集中参数表示的对地电容，为零序电压，3、3、3为各线路的零序电流。图2-4 中性点不接地系统零序等效电路从图2-4可以看出，流过故障支路零序电流互感器（）的零序电流是所有非故障支路零序电流之和，故障支路零序电流不流过本支路零序电流互感器，方向是由支路指向母线，流过非故障支路零序电流互感器（、）的零序电流就是本身支路的零序电流，方向是由母线指向支路2。故障支路零序电压、零序电流的矢量关系如图2-5所示。图2-5 中性点不接地系统零序电流、零序电压矢量图由图2-5可以得出，在中性点不接地系统中，通过零序电流的大小和方向是很容易区分故障支路和非故障支路的，也就是零序功率方向原理。即流过故障线路的零序电流大于流过非故障支路的零序电流，且故障线路的零序电流滞后零序电压，非故障支路零序电流超前零序电压。2. 中性点经消弧线圈接地系统对中性点经消弧线圈接地系统，目前主要采用消弧线圈并电阻运行的接地方式，且消弧线圈自身的有功成分较大。由图2-6可知，当系统发生单相接地故障时，就相当于在流过故障支路零序电流互感器的零序电流中增加了一电感性电流和电阻性电流，方向由支路指向母线，矢量关系如图2-7所示（消弧线圈为欠补偿状态）。图2-6 消弧线圈并电阻接地系统零序等效电路图2-7消弧线圈并电阻接地系统零序电压、零序电流矢量图由于电阻电流的加入，使流过故障支路的零序电流同非故障支路的零序电流之间存在一定的角度。在忽略各支路对地绝缘电阻的影响时，流过非故障支路的零序电流在零序电压轴上的投影为零，而故障支路的零序电流在零序电压轴上的投影为消弧线圈并联电阻中的电流，方向是零序电压的负方向。可见，只需取出与零序电压反相位的有功分量，就可以很方便的区分故障支路与非故障支路，实现选择性接地保护，即零序电流有功分量方向法。2.2.3.2 选择性接地保护系统煤矿供电系统一般分为三级，即煤矿地面变电所，井下中央变电所和采区变电所。为实现接地（漏电）保护选择性的要求，这些变电所都应装设接地保护装置（图2-8中的），从而构成三级选择性接地保护系统。接地保护的横向选择（、）通过各级保护装置的工作原理实现，而纵向选择性（、）则靠时间差来达到。各级保护装置动作时间的配合如图2-8所示，即按时限阶梯原则配合，其阶段时限。此系统中，仅采区变电所处要动作于跳闸。一般井下的综合保装置可根据中性点运行方式的不同，可选择漏电保护动作门槛值与动作时限。图2-8 各级接地保护装置动作时间配合2.2.4煤矿电网高压电气设备保护配置本文根据相关规程规定并结合煤矿生产实际，将高压电动机、变压器、6kV线路、补偿电容器、母联开关等电气设备的继电保护配置原则进行了整理，如表2-1所示。表2-1 煤矿电网电气设备保护配置表设备对象保护配置35kV 110kV 主变保护纵联差动保护二次谐波制动CT断线闭锁差动保护差动速断保护后备保护高压侧后备复合电压闭锁（方向）过流保护低压侧后备限时电流速断保护(安装于低压侧)零序（接地）保护间隙零序电流保护零序电压保护瓦斯保护本体轻瓦斯保护本体重瓦斯保护有载调压器瓦斯保护过负荷保护非电量保护 变压本体、有载调压的油温保护；变压器的压力释放的保护；变压器带负荷后启动风冷的保护；过负荷闭锁有载调压的保护设备对象保护配置地面配电变压器电流速断保护；过负荷保护；低压侧单相接地保护（采用在低压侧中性线装设专用零序保护）；瓦斯保护（干式变压器除外）井下动力变压器电流速断保护；过负荷保护；漏电保护并联补偿电容器瞬时或限时电流速断保护；过电流保护；过电压保护；低电压保护；接地保护；单星形接线电容器组电压差动保护；单星形接线电容器组开口三角电压保护（不平衡电压保护）；双星形电容器中性线不平衡电流保护母 联过电流保护；电流速断保护（兼做母线充电保护）高压电动机异步电动机电流速断保护；过电流保护；过负荷保护；负序电流保护；单相接地保护；低电压保护（重要电机可不设）；过电压保护。同步电动机电流速断保护；过电流保护；过负荷保护；负序电流保护；单相接地保护；低电压保护（重要电机可不设）；过电压保护；失步保护；失磁保护。6kV线路地面部分电流速断保护；限时电流速断保护（下井线路）；过流保护；单相接地保护；低电压保护；低频减载（有自备电厂情况）井下部分电流速断保护；过流保护；低电压保护；漏电保护2.3本章小结本章首先介绍了煤矿电网典型的供电结构，针对煤矿企业电气技术人员常遇到的继电保护问题，并结合煤矿生产实际，重点介绍了主变的差动保护的整定，主变相间短路故障的后备保护配置，强调了装设主变限时电流速断保护的必要性，并分析了井下6kV线路越级跳闸的原因及速断保护的整定方法，以及中性点在不同运行方式下的漏电保护原理，最后对煤矿电网主设备的继电保护配置作了总结，为煤矿电网继电保护整定软件提供了整定依据。3 煤矿电网故障计算的实现 煤矿企业处于电力系统的末端，煤矿企业电网中可能包含发电机、变压器、供配电线路、补偿电容器、限流电抗器、各种开关设备、负荷等多种电气元件。故障电流计算是煤矿电气技术人员最经常进行的日常工作之一。目前在煤矿企业中普遍采用手工方法进行计算，过程繁琐且结果不精确，采用计算机进行故障计算可以提高计算的准确度和速度，减轻电气技术人员劳动强度。本软件中的故障计算模块既可以单独运行作为煤矿常见故障计算功能来使用，处理最大、最小或指定运行方式下的各种短路电流值，为煤矿企业供电方案的设计、供配电设备的选择做出参考，同时也可作为煤矿继电保护整定计算的一部分，为煤矿继电保护整定计算专家系统模块进行整定值计算提供必要的故障电流值的数据准备。3.1 煤矿电网故障计算的特点短路是供电网络和电气设备因绝缘损坏等缘故，致使相与相或相与地之间电气上被短接的现象，它是电力系统中最常见且危害较大的一种故障。由于煤矿企业生产环境的特殊性，煤矿电网有特殊要求，即煤矿井下电网中性点严禁直接接地，所以不存在相与地（地线）之间的短路。煤矿电气技术人员需要经常计算的故障电流主要有：1次暂态短路电流：用来计算继电保护装置的整定值；2短路发生后时的短路电流周期分量：校验开关电器额定断流量；3短路电流稳态有效值：校验设备、母线及电缆的热稳定性；4短路冲击电流和短路全电流最大有效值：用来校验电气设备和母线的动稳定性； 5两相短路电流：用来校验继电保护装置的灵敏度；6单相接地电容电流：用来确定煤矿高压电网是否需要采取措施来限制单相接地电容点流。本软件的故障计算模块进行计算时有一些假设条件：1不计变压器的非标准变比情况和励磁电流的影响；2只计算故障电流的工频分量；3不计输电线路的对地电纳，不考虑互感线路情况；4用恒定电抗来代替负荷。在煤矿企业的地面、井下有许多大容量电动机负荷，如风机、提升机、综采设备等，这些大容量电动机负荷在短路故障发生时，可能以“附加电源”的形式存在，向故障点送出反馈电流，而这些反馈电流对故障电流值的影响往往是不能被忽视的。所以在故障计算的计算机实现时，需要充分考虑短路瞬间电动机作为附加电源的问题。构成附加电源的电动机应满足以下条件：1处于过激磁状态运行，且接在同一点的总装机容量为1000kW及以上同步电动机。这种运行状态下的同步电动机在短路故障过程中相当于有阻尼、带自动电压调整器的水轮发电机。由于同步电动机一般都装设低电压保护，若电动机端电压低于整定值时，保护装置就会动作，开关自动跳闸，使电动机与母线分开。所以当同步电动机作为附加电源时，一般当短路时间大于以后，同步电动机就对短路电流无影响。只有在计算次暂态短路电流和短路发生后的短路电流周期分量时才考虑同步电动机所提供的反馈电流；2在同一点同时运行的总装机容量在800 kW及以上，并且短路点就在电动机机端的高压异步电动机。异步电动机对短路过程影响的时间很短，当时其反馈电流就不作考虑，一般只考虑它的反馈电流对冲击电流的影响。在计算不对称短路时异步电动机不被作为附加电源考虑。煤矿电网的电源分为无限大容量电源和有限大容量电源两大类。大多数煤矿企业的电源直接来源于电力系统的末端变电所或地区变电所，故障计算时此类电源被视为无限大容量电源；而当煤矿企业有自备电厂（如煤矸石电厂）或短路过程中存在附加电源时，这些电源都就应按有限大容量电源来对待。3.2 三相对称短路计算根据煤矿安全规程443条的规定“严禁井下配电变压器中性点直接接地”以及“严禁由地面中性点直接接地的变压器或发电机直接向井下供电”，所以煤矿电网都为小接地电流系统，对称短路故障在煤矿电网中虽然发生的几率小于不对称短路故障，但它是最严重的故障类型，是探讨其它各种故障的基础，所以首先研究三相对称短路故障的计算。3.2.1 网络数学模型的建立煤矿电网分为高压（额定电压大于1140V）和低压（额定电压小于等于1140V）两部分。高压电网的接线方式有单电源辐射状接线、多电源（包含附加电源）放射状接线和多电源环状接线，而低压电网一般为单电源辐射状接线。本文主要介绍高压电网的故障计算方法，由于低压电网的故障计算与高压电网的单电源辐射状网络的故障计算方法相近，所以不作介绍。对于煤矿电网的高压部分，在软件设计时考虑到为了方便计算机描述高压网络，减少因描述煤矿电网结构而占用过多的计算机内存，加快运算，人为规定煤矿电网的高压部分由一个主干网络和若干个连接在主干网络相关节点上的辐射状负荷分支网络共同组成，两种网络分别采用不同的处理方法。 1主干网络的描述主干网络是一个连通的区域，在本系统中规定：电源(包含地区变电所或电力系统末端变电所母线、煤矿煤矸石电厂的同步发电机)、电力变压器、地面变电所母线、井下各水平的中央变电所母线、故障发生时产生的附加电源以及连接上述所有电气元件的架空线路和电缆线路所组成的网络作为煤矿电网高压部分的主干网络。煤矿电网的主干网络一般具有节点数目不多，链支较少的特点。计算机描述电力网络的数学模型主要有节点导纳矩阵与节点阻抗矩阵两种，前者主要用于电力系统的潮流计算和稳定计算，而在故障计算时常采用节点阻抗矩阵。节点阻抗矩阵是关于网络电路参数对节点电压和节点电流的阻抗特性的描述，它取决于构成网络中各支路的电气参数和它们的最终的连接方式。节点阻抗矩阵的形成方法主要包括连续回代法和支路追加法51,52,53。根据煤矿电网的主干网络的特点，本系统采用支路追加法形成节点阻抗矩阵的方法来描述煤矿电网的主干网络。支路追加法就是把整个网络看成是从第一条支路开始，逐步地增加支路，最后将全部支路按预定方式连接而形成的。这样节点阻抗矩阵也就相应地由一阶开始，随着支路的逐条增加而最终演变成一个阶的节点阻抗矩阵。采用节点阻抗矩阵的优点是比较直观，同时也比较容易适应网络接线变更时对阻抗矩阵的修正。节点阻抗矩阵是一个对称的满阵，在本软件中为了减少占用的计算机内存容量，形成节点阻抗矩阵时只求解、存储该矩阵中的上三角元素。在本软件中，追加电源支路时采用电压源等值电路来表示电源支路，当遇到无限大电源支路时，采用一个阻抗值为无穷小的正值的支路来代替电源内阻。遇到发电机、附加电源时也采用电压源等值电路来表示。根据网络支路在追加过程中的对网络结构影响的不同，支路分为树支和链支两种类型；又根据它们是否有一端接地，又分为接地树支与不接地树支，接地链支与不接地链支。在网络中若追加支路后，网络中增加一个节点，称为追加树枝；若在网络中追加支路后，网络中增加一个环路，则称为追加链支。若网络中含有接地支路，应选取任意一条接地支路作为追加支路的第一条支路，若不含接地接地支路，则可选容量较大的一条电源支路作为追加支路的起点，此时的节点阻抗矩阵为；追加完所有的电源支路再追加非电源支路。每追加一条树支，网络阶数增加一阶，而每增加一条链支，网络增加一条回路，节点阻抗矩阵的阶数不变。追加支路法的具体算法：设追加前网络阻抗矩阵为： (3-1) （1）在原网络中接入阻抗为的接地树支时： (3-2) （2）在原网络中接入阻抗为的不接地树支时： (3-3) (3-4) (3-5) （3）在原网络、节点间接入阻抗为的不接地链支时（设原网络有个节点）： (3-6)（4）在原网络的节点上接入阻抗为的接地链支时： (3-7)在故障仿真时，有时需要计算主干网络中某一支路元件参数发生变化、断开某一支路（如设备检修）、母联的闭合（或断开）等情况，此时再对新的主力网络重新生成节点阻抗矩阵是费时又不必要的，在程序中采用对原矩阵进行适当的修正得到新的主力网络的矩阵的方法。（1）断开节点和节点之间的支路这种网络结构的改变可以通过在原来节点、间再并联一个阻抗为的链支线路，使节点、之间的阻抗变为无穷大来模拟，原始矩阵元素的修正公式为： (3-8) （2）闭合两段母线间的母联开关当母线的母联开关闭合时，相当于在原来节点、间接入阻抗为零的链支支路，根据下式可得修正后的阻抗矩阵元素： (3-9)合上母联开关后，由上式可求出开关两侧母线节点和的自阻抗和互阻抗分别为： (3-10) (3-11)（3）断开两段母线间的母联开关母联开关的断开不能简单的按照断开一条支路的办法来处理，即并联一条阻抗值为的链支来模拟。在本模块中，断开母联开关采用以下三个步骤来模拟这种网络结构的变化,设原阻抗矩阵为。第一步，在两段母线节点、之间增设一个虚拟节点，在与两个节点之间接入一个阻抗值为的树支 (如图)，其中为一个无穷小的正值，根据追加不接地树支的方法修改原节点阻抗矩阵即可得新矩阵；第二步，在与两个节点之间接一阻抗值为的链支，这样即可保证节点、之间的总阻抗为零(如图)。根据追加链支的方法，在第一次修正的矩阵上进一步修改，得到新矩阵；第三步，在与两个节点之间在并联一个阻抗为的链支，通过该链支来模拟母联开关的断开(如图)，即可得到最终的修正矩阵。母联开关断开母联开关图3-1母联开关断开的模拟增设虚拟节点断开的模拟2负荷分支网络的描述煤矿电网的负荷分支网络是由若干个辐射状负荷网络所构成的。辐射状网络是最简单、最常见的供电网络，它是由某一个方向单向馈电的网络。计算机在对负荷分支网络的描述中引入了节点支路相关矩阵的概念。节点支路相关矩阵：以支路顺序号为行号，节点号为列号所形成的表明节点与支路相关特性的矩阵，并且规定在矩阵中只含有0、1两个元素，由电源注入节点的电流必