数字式快速保护装置在矿山电力机车上的应用研究

(金堆城钼业股份有限公司矿冶分公司露天矿，陕西 渭南 714102)

1 概述

直流配电网络系统与交流配电网相比较，直流配电网供电容量大、可控性强、供电可靠性高、线路成本低、损耗小，非常适于各类分布式负载接入。直流配电网广泛应用于地铁、轻轨、矿山等轨道交通领域。

直流断路器作为直流系统中重要的控制和保护设备，是直流电网可靠、安全供电的重要保证。直流断路器必须能够限制并切断故障电流，维持直流电网安全稳定运行。

采用直流机械断路器，基本可以满足直流供电系统的需要，但在露天矿电机车车间直流网络实际运行过程中，仍存在许多缺限。其典型的事例：由于直流机械断路器本身的缺限，工矿直流电网当出现短路故障时易发生供电系统越级跳闸现象，工矿电网越级跳闸造成工矿大面积停电，严重影响到工矿采掘设备、运输设备的正常运行，不仅严重影响工矿生产，而且很容易诱发安全事故。露天矿电机车车间直流网络越级跳闸事故的频繁发生，影响工矿生产效率，增加露天生产及供矿成本。因此，解决工矿直流供电系统短路引起的越级跳闸问题，对工矿安全生产和提高工矿生产效率非常必要。

针对露天矿电机车车间直流网络越级跳闸现象，对直流快速机械开关进行技术改造，在改型开关上增加新近研发的快速数字式过载过流保护装置，构成新型电子脱扣系统，避免电力机车供电网络越级跳闸的现象发生。使用新型直流快速开关可极大提高工矿电力机车运行效率。

2 露天矿直流电网越级跳闸原因分析

直流断路器是直流供电系统中不可或缺的控制和保护设备。直流断路器有三种类型，即机械式直流断路器、直流固态断路器、混合型直流断路器。目前最广泛应用的是机械式直流断路器。机械式直流断路器主要包括脱扣电磁系统、触头系统、操作机构系统和灭弧系统四大部分。脱扣电磁系统的功能是当负载过流或过载故障发生时完成检测与脱扣，保证断路器可靠分闸；触头系统的功能是长时间承载额定电流、短时承受过载和故障电流；操作机构的功能是实现断路器的分合闸动作，保证触头系统的分合闸速度要求；灭弧系统的功能是拉伸、切割、冷却电弧，建立电弧电压，限制短路电流上升，实现分断任务。

露天矿直流网络越级跳闸事故的频繁发生，其原因比较复杂。有技术管理方面的原因，更多的是直流断路器本身的原因。

2.1 速断动作电流值整定困难

机械式直流断路器的保护特性为反时限特性，当短路电流达到一定值时进入速断动作区实现快速跳闸。传统断路器的速断动作电流值整定方法不科学、不合理。在实际生产作业中，现场技术人员通常是依据自身工作经验，并参照负荷最大时最大工作电流来整定线路电流保护速定值。这种整定简单方便，但动作电流值估算很困难，动作计算值存在较大误差，整定值没有办法做到很准确。或者由于运行方式改变后，没有重新计算动作电流定值 。当直流供电系统发生短路故障时，由于上下级机械式直流断路器常常能够同时越过反时限动作区、达到各自的速断动作值，其沿线断路器都会发出保护动作，易发生越级跳闸现象，扩大了停电范围，从而影响了电力系统的正常运行。

2.2 断路器固有延时特性

机械式直流断路器的功能动作主要包括继电保护装置的动作、继电器信号输出、跳闸电磁铁的动作、跳闸机构动作、真空断路器动作等，每一动作运作都需要固有时间。同时，较为繁复的运行动作使机械式直流断路器在露天太恶劣环境中作业时，动作机构发生疲劳，使用性能将逐渐降低，如较大湿度引发开关机构卡涩、难以灵活作业，增加开关固有动作时间，当出现线路故障后，开关会发生误动、保护动作迟缓或拒动，致使供电系统越级跳闸问题发生。

2.3 其他设备原因

其他设备原因包括机械工艺原因造成动作迟缓；因供电设计原因，造成保护死区或保护上下级；由于操作电源原因，造成开关拒动或者保护动作后不能跳闸；由于设备的质量较差，因质量原因导致回路速断保护拒动，越级造成上级区域保护动作。

3 工矿电力机车供电保护技术改造方案

150 t大吨位电力机车运输牵150 t大吨位电力机车运输牵引，由于这种机车电气保护系统不完善，快速开关过流过载脱扣是通过机构执行，是经过电流线圈电磁铁整定电流值通过机构扛杆来推动分闸机构脱扣断电，但是这种电流脱扣跳闸方式是依靠机构传动外力，所以跳闸断电时间过长，加上执行机构过江过程动作延长，导致本机车快速开关有时不能速断跳闸漏电，当本机车故障时直接越级到上级供电系统跳闸停电，造成供电系统大面积断电影响了前端设备生产正常运行。

针对露天矿电机车车间直流网络越级跳闸事故的频繁发生，经过广泛调研，采用对电力机车直流快速开关进行改造，增加快速数字式过载过流保护装置，形成新型快速电子脱扣系统，该型开关及配套的二次电子脱扣装置能够实现安全可靠脱扣，避免了脱扣装置拒动作的现象发生，避免电力机车供电网络越级跳闸的现象发生，提高了电机车运行效率同时保护供电系统正常运行。

数字式直流过载过流快速保护装置是湖南科通电气设备制造有限公司新近研发的工矿电力机车保护装置，主要针对露天矿电力机车直流网络频繁发生越级跳闸事故的现状专门研究开发的专用保护装置。

数字式直流过载过流快速保护装置功能完善，其基本功能：①具有过电流、过载保护功能，可以设定过电流、过载电流整定值和过载时间。过电流、过载电流设定值显示于小数码管。②过电流、过载采用分别独立控制方式。过电流过载保护输出类型为继电器式。③复位方式有自动复位和手动复位两种方式。④自动采集并显示被测的实际电流值，并自动捕捉电流的最大值和最小值。实际电流值显示于大数码管。⑤装置面板设有过电流、过载指示灯，保护装置安装了报警蜂鸣器。当出现过电流、过载现象时，指示灯亮并通过蜂鸣器报警。

数字式直流过载过流快速保护装置的基本电路包括单片机处理单元、电流采样单元、保护动作信号输出单元、过载电流和过电流整定值设定单元、过载时间设定单元、电流值显示单元、过电流过载指示与报警单元。数字式直流过载过流快速保护装置的基本原理是：电流采样单元实时检测供电电流大小，单片机处理单元保存分析检测到的电流值，通过与动作电流整定值和过载时间整定值比较判断，如达到跳闸条件，立刻输出保护动作信号，驱动执行机构实现跳闸断电功能。

针对露天矿实际情况研发的新型直流快速开关二次脱扣装置技术参数如下：电流测量范围为10-9999A(可设置保护动作电流整定值)，继电器最小相应时间约35 ms，输出继电器容量为7A/250VAC或7A/30VCD(阻性负载)，防护等级为IP30。安装方式采用开孔安装。

针对我矿电力机车现用的快速开关和新型快速开关安装尺寸不一致的问题，与湖南科通电气设备制造有限公司双方经过探讨重新设计了快速开关安装装置，达到了我矿电力机车安装要求。

对开关原配置的消弧装置进行了改造，更换灭弧装置的材料，增强灭弧装置的可靠性。针对原开关消弧罩安装方式不便于检修的问题，结合我矿电力机车实际情况，经过研究分析，确定改进方案，对快速开关灭弧装置进行改造，达到便于拆装、检修及维护的目的。

针对脱扣装置时限整定值过长导致不便于整定的问题，我们与湖南科通电气设备制造有限公司双方就此问题进行了给定值重新设定及现场调试，保证了二次脱扣系统整定值在系统要求范围内，解决了快速开关在电流达到整定电流值时反应慢的问题。

4 结语

新型快速直流开关的应用极大地降低了电力机车越级跳闸事故，经试验表明，越级跳闸事故率由未安装前的90%降低为5%，极大地降低了成本，提高了检修效率、运矿作业效率，应用新型直流快速开关能够极大降低露天矿运矿成本，提高运矿作业效率及检修效率。

使用新型直流快速开关预计可使我矿电力机车运行效率得到极大提高，人员检修效率提高80%，设备故障率降低90%。对露天矿电机车车间电力机车及配电站安装新型直流快速开关，可以提高作业人员的安全可靠性，改善设备作业效率，降低作业人员检修强度。露天矿现有8台电力机车，通过安装新型直流快速开关进行综合保护技术改造后，可以明显提高露天矿的经济效益和社会效益。