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矿山电网瞬时电流速断保护整定策略

于群 崔国亮 古锋 刘韬

于群,崔国亮,古锋,等. 矿山电网瞬时电流速断保护整定策略[J]. 工矿自动化,2023,49(3):107-114.  doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.2022080092
引用本文: 于群,崔国亮,古锋,等. 矿山电网瞬时电流速断保护整定策略[J]. 工矿自动化,2023,49(3):107-114.  doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.2022080092
YU Qun, CUI Guoliang, GU Feng, et al. Setting strategy of instantaneous current quick-breaking protection for mine power grid[J]. Journal of Mine Automation,2023,49(3):107-114.  doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.2022080092
Citation: YU Qun, CUI Guoliang, GU Feng, et al. Setting strategy of instantaneous current quick-breaking protection for mine power grid[J]. Journal of Mine Automation,2023,49(3):107-114.  doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.2022080092

矿山电网瞬时电流速断保护整定策略

doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.2022080092
基金项目: 山东省自然科学基金项目(ZR2016EEM13);兖矿能源集团股份有限公司科技项目(1000B2021000029)。
详细信息
    作者简介:

    于群(1970—),男,山东淄博人,教授,博士研究生导师,博士,主要研究方向为电力系统运行与控制、电力系统继电保护等,E-mail:yuqun_70@163.com

  • 中图分类号: TD611.5

Setting strategy of instantaneous current quick-breaking protection for mine power grid

  • 摘要: 矿山电网作业环境较差,当井下供电系统发生短路故障时,使用复杂的防越级跳闸保护装置会使整个电网的可靠性降低、成本提高,并且矿山电网需要保证电流速断保护能够瞬时动作以切除短路故障,尤其是线路出口处的短路故障。目前矿山电网防越级跳闸保护方案不能兼顾保护速动性、供电可靠性和设备经济性。针对上述问题,根据矿山电网井下发生短路事故不能越级到井上的最低原则,提出了一种基于整体最优原则的矿山电网瞬时电流速断保护整定策略。分析了矿山电网短路电流与短路点位置的关系及线路首末端短路电流的分布特征,对比研究了传统单一整定方法存在的缺陷。定义了最小−最大系统阻抗比、最大系统阻抗与线路阻抗比、相邻线路阻抗比3个指标,用来表示不同短路电流分布场景的特征关系式和各整定方法满足要求的条件,从而判定不同短路电流分布场景下瞬时电流速断保护所适用的整定方法,并给出相应的最优整定策略流程。以典型矿山供电线路为例,根据所提整定策略对其各级保护开关进行整定计算,结果表明:采用该整定策略对矿山电网模型中5个存在越级跳闸风险的保护开关进行整定,可将其中4个保护开关的保护范围控制在2级线路之内,减少了越多级跳闸事故的次数,降低了矿山电网井下短路故障延伸到井上的概率。

     

  • 图  1  短路电流分布场景 1

    Figure  1.  Shor-circuit current distribution scenario 1

    图  2  短路电流分布场景2

    Figure  2.  Short-circuit current distribution scenario 2

    图  3  短路电流分布场景3

    Figure  3.  Short-circuit current distribution scenario 3

    图  4  整定策略流程

    Figure  4.  Setting strategy process

    图  5  矿山电网模型

    Figure  5.  Mine power grid model

    表  1  短路电流分布特征

    Table  1.   Features of short-circuit current distribution

    场景特征关系式
    1 线路首端最小两相短路电流在本线路首端和末端最大三相短路电流之间 $ 0 < {Z_{{\rm{s}}.\max .{L_i}}} < \dfrac{{0.866}}{{1 - 0.866{Z_{{\rm{s}}.\min .\max .i}}}} $或
    $0 < {Z_{ {\rm{s} }.\max .{L_{i + 1} } } } < \dfrac{ {0.866{ {Z'} _{ {L_i} } } }}{ {1 - 0.866{Z_{ {\rm{s} }.\min .\max .i} } } }$
    2 线路首端最小两相短路电流在本线路末端和下级线路末端最大三相短路电流之间 $ \dfrac{{0.866}}{{1 - 0.866{Z_{{\rm{s}}.\min .\max .i}}}} < {Z_{{\rm{s}}.\max .{L_i}}} < \dfrac{{0.866\left( {1 + 1/{{Z'} _{{L_i}}}} \right)}}{{1 - 0.866{Z_{{\rm{s}}.\min .\max .i}}}} $或
    $ \dfrac{{0.866{{Z'}_{{L_i}}}}}{{1 - 0.866{Z_{{\rm{s}}.\min .\max .i}}}} $<$ {Z_{{\rm{s}}.\max .{L_{i + 1}}}} < \dfrac{{0.866\left( {1 + {{Z'} _{{L_i}}}} \right)}}{{1 - 0.866{Z_{{\rm{s}}.\min .\max .i}}}} $
    3 线路首端最小两相短路电流小于下级线路末端最大三相短路电流 $ {Z_{{\rm{s}}.\max .{L_i}}} > \dfrac{{0.866\left( {1 + {{Z'} _{{L_i}}}} \right)}}{{1 - 0.866{Z_{{\rm{s}}.\min .\max .i}}}} $或
    $ {Z_{{\rm{s}}.\max .{L_{i + 1}}}} > \dfrac{{0.866\left( {1 + 1/{{Z'} _{{L_i}}}} \right)}}{{1 - 0.866{Z_{{\rm{s}}.\min .\max .i}}}} $
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    表  2  线路阻抗参数

    Table  2.   Line impedance parameters

    名称阻抗名称阻抗
    L1 0.0938+j0.086 8 L3 0.1222+j0.029 1
    L2 0.3930+j0.123 6 L4 0.6531+j0.365 0
    L3 0.1262+j0.030 1 L5 0.2040+j0.049 1
    L2 0.4542+j0.142 8 L6 0.3234+j0.134 1
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    表  3  短路电流有名值

    Table  3.   Short-circuit current nominal value

    位置短路点短路电流有名值/kA
    最大三相最小两相
    井上B16.7034.727
    B23.9203.019
    B33.5252.757
    动力变一次侧2.9362.343
    井下B25.9604.290
    B34.6463.500
    B3′′4.4653.385
    1号电动机母线4.3053.286
    3号移变一次侧4.1513.186
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    表  4  指标值

    Table  4.   Index value

    线路$ {Z_{{\rm{s}}.\min .\max .i}} $${Z_{ {\rm{s} }.\max .L_i} }$${Z'_{L_i} }$所属场景选择方法
    $ {L_1} — {L_2} $0.8147.8330.31023
    $ {L_1} — {L'_2} $0.8147.8330.26823
    $ {L_4} — {L_5} $0.8141.3473.56611
    $ {L_2} — {L_3} $0.8312.6903.17733
    $ {L'_2} — {L'_3} $0.8312.3303.79123
    $ {L_5} — {L_6} $0.8907.5120.57033
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    表  5  保护整定结果及对比

    Table  5.   Protection setting results and comparison

    保护开关方法1 方法2 方法3
    整定值/kA$ {\alpha _{\rm{p}}} $整定值/kA$ {\alpha _{\rm{p}}} $整定值/kA$ {\alpha _{\rm{p}}} $
    4015.166αp<02.333$ {\alpha _{\rm{p}}} $>13.363$ {\alpha _{\rm{p}}} $>1
    4024.981αp<02.257$ {\alpha _{\rm{p}}} $>13.652$ {\alpha _{\rm{p}}} $>1
    2015.575αp<02.860$ {\alpha _{\rm{p}}} $>24.183$ {\alpha _{\rm{p}}} $>2
    2025.358αp<02.860$ {\alpha _{\rm{p}}} $>24.1651< $ {\alpha _{\rm{p}}} $<2
    1017.152αp<03.151$ {\alpha _{\rm{p}}} $>24.6691< $ {\alpha _{\rm{p}}} $<2
    6013.871αp<01.838$ {\alpha _{\rm{p}}} $>12.735$ {\alpha _{\rm{p}}} $>1
    5014.230αp<02.012$ {\alpha _{\rm{p}}} $>22.9861< $ {\alpha _{\rm{p}}} $<2
    1024.704αp>0.153.151$ {\alpha _{\rm{p}}} $>24.424$ {\alpha _{\rm{p}}} $<1
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出版历程
  • 收稿日期:  2022-08-31
  • 修回日期:  2023-03-05
  • 网络出版日期:  2022-10-13

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