相敏短路保护原理

基于功率因数检测的矿井低压电网相敏保护的

研究

宋建成 谢恒 王雁欣 李安平

西安交通大学电力设备电气绝缘国家重点实验室，710049 西安 潞安矿务局王庄煤矿，046031

山西

STUDY ON PHASE\|SENSITIVE SHORT\|CIRCUIT PROTECTION

IN UNDERGROUND LV DISTRIBUTION NETWORKS

BASED ON DETECTING POWER FACTOR

Song Jiancheng Xie Hengkun

Xi'an Jiaotong University

Xi'an, 710049 China

Wang Yanxin Li Anping

Wangzhuang Colliery, Lu'an Coal Mining Bureau

Xiangyuan, 046031 China

ABSTRACT Beginning with the importance of installing short circuit protective system in underground LV cable distribution networks, the principle of phase\|sensitive short\|circuit protection on the basis of measuring power factor is presented in this paper, the definition methods for its action curve and all factors to interfere with action reliability is analyzed and discussed. Besides, the hardware structure and software flowchart of the protective system controlled by single\|chip microcomputer is also described in this paper. The protective system has been tested and applied to underground explosive\|proof feeder switchgear. It has been proved that this protective system is stable and reliable and is of great applied value in mining industry.

KEY WORDS Underground LV cable distribution networks

Phase\|sensitive short\|circuit protection Short\|circuit current Power factor

摘要 文章从煤矿井下低压电网中装设短路保护的重要性入手，描述了基于功率因数检测的相敏短路保护的工作原理。分析并讨论了其动作特

性曲线的确定方法以及影响动作可靠性的各种因素，介绍了以单片机为

中央控制单元所构成保护系统的硬件结构和软件框图，对保护系统进行

了测试试验并将其应用于矿用隔爆型真空馈电开关。实践证明,该保护系

统性能稳定，动作可靠，具有广阔的应用前景。

关键词矿井低压电网相敏短路保护短路电流功率因数

短路保护是煤矿井下供电系统中的三大保护之一［1］，它是一种保证

供电可靠性和安全性所必需的保护措施。然而在我国煤矿井下供电系统

中至今仍在沿用传统的鉴幅式继电保护或电子保护［2］。这种保护整定误

差大，动作时间长，可靠性低，尤其在用于馈电线路中的短路保护时，

若要保护全线路，则应按保护范围末端最小短路电流整定, 要求整定值

小，因而使大型电动机起动时易造成保护误动作; 若要躲过起动电流，

则要求整定值大，此时将不能保护线路全长而且灵敏度较低［3］。另外在

馈电开关附近短路时，其他开关往往会由于母线电压降低而造成误动作，

无横向选择性［4］，远不能适应现代化煤矿供电系统监测监控的需要。

针对上述缺陷，本文研究了以单片机为中央控制单元的基于功率因

数检测的相敏短路保护，建立了相敏短路保护的数学模型，分析了其作

用原理，设计了硬件和软件电路，并将其应用于矿用隔爆型真空馈电开

关［5］，验证了其有效性和实用性。

2 相敏保护的数学模型

在煤矿井下供电系统中，现有隔爆型馈电开关中的短路保护大多是

根据电流幅值整定动作值，其动作特性和大电机起动特性曲线如图1所

示。

图1 鉴幅式过流保护特性和大电机起动特性

Fig.1 Characteristics of short-circuit by

measuring current magnitude and starting

characteristics of large motor

图中曲线3和2分别为供电系统不同整定值下的保护特性，a、a′、b、b′和c、c′分别为对应曲线的反时限、定时限和速断保护区，曲线1为大型电动机起动时的起动电流特性。由图1可见，只要电流超过其整定电流，保护便立即

动作，执行机构跳闸。在大型电动机起动时，最大起动电流可能超过其整定电流，此时会引起保护误动作。

煤矿井下供电系统中的负载均为感性负载，在大型电动机起动时，功率因数比较低，而在短路故障情况下，功率因数则很高，所以采用基于功率因数检测的相敏保护原理不但可提高短路保护的灵敏度，而且还能保证其动作的可靠性。由于功率因数和短路电流的鉴别方式不同，相敏保护的动作特性也不完全相同。图2为一般相敏保护的保护特性。

图2 鉴幅、鉴相保护特性

Fig.2 Protective characteristics of magnitude

and power factor discrimination respectively

图2中，1为单独鉴相式保护特性，2为单独鉴幅式保护特性，显然

存在保护死区，3为鉴幅值和鉴相值相乘后所构成的保护特性，即

I*cosφ＝C

(1)

由式（1）可见，只要选择合适的常数C, 此时的保护区较单独鉴幅、

鉴相的保护区大。为了躲过大型电动机的起动电流而又使保护在正常运

行方式下当保护范围内发生短路故障时能可靠动作，则必须确定合理的

保护动作区。图3给出了典型煤矿供电系统短路电流、功率因数和短路

点距电源距离之间的关系曲线。图中I*＝I sh/I smax， I sh为短路电流，I smax

为供电系统最大短路电流。图4给出了鼠笼式电动机起动电流与功率因

数之间的关系曲线，其中I s*＝I s/I n, I s为电动机的起动电流，I n为电动

机的额定电流。