哈爾濱國力電氣有限公司 張文瑞

1.引言

煤礦供電網(wǎng)在出現(xiàn)短路故障時(shí)容易發(fā)生越級跳閘事故，導(dǎo)致井下大面積停電，引起瓦斯積聚，威脅礦井安全。本文分析了礦井供電系統(tǒng)的特點(diǎn)以及越級跳閘事故的原因，在深入研究防越級跳閘工作原理及特性的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一種有效防止越級跳閘的保護(hù)自動(dòng)化系統(tǒng)，解決了煤礦供電系統(tǒng)廣泛存在的越級跳閘技術(shù)難題，能有效保障煤礦供電系統(tǒng)的可靠性和礦井的安全性。煤礦井下開采作業(yè)，特別是高瓦斯礦井，都存在瓦斯?jié)撛谖C(jī)，而井下供電系統(tǒng)故障是導(dǎo)致瓦斯災(zāi)害的重要因素；而隨著煤礦井下供電容量的不斷增大，電網(wǎng)電壓的不斷升高以及供電距離的不斷加長，人們對礦井供電系統(tǒng)的可靠性、安全性和連續(xù)性的要求越來越高，井下工作環(huán)境惡劣、負(fù)荷波動(dòng)大、工況不穩(wěn)定、瓦斯煤塵積聚、滴水冒頂?shù)仁鹿蕰?huì)使電氣設(shè)備絕緣強(qiáng)度逐漸降低，同時(shí)由于操作人員維護(hù)不當(dāng)或操作錯(cuò)誤，輸電線路的導(dǎo)線斷裂等原因，經(jīng)常會(huì)發(fā)生漏電及單相接地故障，礦用隔爆型高低壓開關(guān)是煤礦井下高低壓供電系統(tǒng)終端線路的主保護(hù)，它起到了保護(hù)高壓電纜、變壓器和電氣設(shè)備的作用，是目前井下普遍使用的保護(hù)設(shè)備，但是各種高壓保護(hù)裝置本身具有一些缺點(diǎn)，由于數(shù)據(jù)的封閉性，導(dǎo)致“信息孤島”的形成，因煤礦供電特點(diǎn)，使得下級支路發(fā)生短路故障時(shí)，末端的短路電流和始端的短路電流在大小上相差無幾，導(dǎo)致上級速斷保護(hù)啟動(dòng)，造成越級跳閘，甚至越過多級跳閘。本文基于智能變電站思想，打破“信息孤島”，構(gòu)造“動(dòng)態(tài)邏輯跳閘時(shí)間級差”的方法解決越級跳閘問題，實(shí)踐證明具有很強(qiáng)的實(shí)用性和推廣性。

2.煤礦供電特點(diǎn)

2.1 短線路較多：有的下井線路僅有100-500米；采區(qū)變到配電點(diǎn)僅有50-500米。

2.2 下井線路經(jīng)過的開關(guān)級數(shù)多：地面—井下中央變電所—采區(qū)變電所—配電點(diǎn)。

2.3 電力系統(tǒng)給定的速斷定時(shí)限短（0.2～0.5s），井下高壓開關(guān)一般均裝設(shè)速斷保護(hù)。

2.4 井下高壓開關(guān)一般均裝設(shè)有低電壓保護(hù)。

3.越級跳閘原因分析

3.1 保護(hù)定值整定方法不合理

速斷保護(hù)定值按躲過最大負(fù)荷電流整定，比按短路電流整定得到的值要小得多，發(fā)生短路后沿線保護(hù)均啟動(dòng)，跳閘取決于開關(guān)的機(jī)械特性。

3.2 短線路造成保護(hù)定值無法區(qū)分

（1）短線路短路電流的變化平緩，始末端短路電流差值小，按躲過線路末端最大短路電流整定，一般保護(hù)靈敏度<1。

（2）電力系統(tǒng)規(guī)程建議在靈敏度小于1的情況下不適宜裝設(shè)電流速斷保護(hù)，但是煤炭規(guī)程規(guī)定井下必須裝設(shè)速斷保護(hù)，不準(zhǔn)甩掉不用。

（3）此時(shí)一般按同一靈敏系數(shù)法整定，造成線路在最小運(yùn)行方式下有保護(hù)范圍，然而在最大運(yùn)行方式下可能發(fā)生越級跳閘。

3.3 失壓脫扣保護(hù)導(dǎo)致越級跳閘

井下高壓隔爆開關(guān)失壓保護(hù)為2級，一級是保護(hù)裝置帶的，一般可整定；一級是開關(guān)帶的失壓脫扣線圈，動(dòng)作值及時(shí)間不可整定。饋線距離母線很近的地方發(fā)生短路故障時(shí)母線電壓短時(shí)失壓，該段母線上其他開關(guān)的失壓保護(hù)誤動(dòng)作導(dǎo)致“越級跳閘”

4.解決越級跳閘保護(hù)原理

基于以上越級跳閘原因的分析，開發(fā)一種智能微機(jī)保護(hù)裝置，保護(hù)裝置之間信息共享，具有“保護(hù)互鎖”功能，利用下級饋出線或設(shè)備保護(hù)動(dòng)作信號快速閉鎖本線路速斷保護(hù)功能，實(shí)現(xiàn)選擇性跳閘，避免越級跳閘。下面就以某礦1條供電級聯(lián)線路為例（如圖1），具體說明防越級跳閘實(shí)現(xiàn)過程

如圖1所示，考慮極限情況，線路末端（205出線）發(fā)生短路，僅靠電流定值無法滿足選擇性的要求，所有級聯(lián)線路（201,104,101,6131#）的保護(hù)裝置均流過短路電流，啟動(dòng)速斷保護(hù)，裝置啟動(dòng)速斷保護(hù)同時(shí)向上一級發(fā)出閉鎖信號，同時(shí)檢測下級是否有閉鎖信號發(fā)出，如果檢測到閉鎖信號，則閉鎖速斷保護(hù)出口

（閉鎖時(shí)間一般為150ms）否則經(jīng)過短暫延時(shí)（一般設(shè)定30ms）后跳閘，這樣各級饋線保護(hù)裝置無需考慮選擇性，只需保證靈敏度即可以避免越級跳閘。

如果通信鏈路出現(xiàn)故障，下級閉鎖信號不能及時(shí)可靠傳輸，此時(shí)本級保護(hù)裝置經(jīng)短暫延時(shí)（一般設(shè)定30ms）跳閘，不會(huì)導(dǎo)致事故擴(kuò)大。另外，保護(hù)裝置

在失電后仍可以正常工作一段時(shí)間，以便查詢故障信息，分析故障原因，實(shí)現(xiàn)故障快速定位.

5.智能微機(jī)保護(hù)裝置整體設(shè)計(jì)方案

智能保護(hù)裝置采用雙CPU結(jié)構(gòu)，克服傳統(tǒng)裝置計(jì)算速度慢、計(jì)算精度低和保護(hù)功能不完善的缺點(diǎn)，充分發(fā)揮雙CPU結(jié)構(gòu)并行工作、分工合作的優(yōu)點(diǎn)以及DSP運(yùn)算速度快、擅長數(shù)字信號處理的優(yōu)點(diǎn)，既滿足繼電保護(hù)速動(dòng)性、選擇性、可靠性和信息共享的要求，同時(shí)實(shí)現(xiàn)高精度實(shí)時(shí)測量。

裝置主CPU采用運(yùn)算速度快、擅長數(shù)字信號處理的DSP芯片TMS320F2812作為主CPU控制模擬量采集和計(jì)算、保護(hù)判斷、開關(guān)量輸出和輸出。從CPU也采用DSP芯片TMS320F2407，負(fù)責(zé)人機(jī)對話、液晶顯示、與上位機(jī)通信等實(shí)時(shí)性要求不高的系統(tǒng)任務(wù)。裝置總體原理框圖如圖2所示。

（1）中央處理單元：由2片DSP構(gòu)成雙CPU結(jié)構(gòu)，用于實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、計(jì)算、邏輯判斷、定時(shí)、存儲(chǔ)，人機(jī)對話、保護(hù)信息共享、與上位機(jī)通信等功能。

圖1 某礦1條供電級聯(lián)線路

圖2 裝置總體原理框圖

（2）開關(guān)量輸入、繼電器輸出單元：開關(guān)量輸入單元取自相應(yīng)設(shè)備的輔助常開接點(diǎn)，用于識別現(xiàn)場開關(guān)的狀態(tài)。需要輸入的開關(guān)量有真空斷路器的合閘、分閘狀態(tài)燈；繼電器輸出單元包括用于控制真空斷路器的輸出接點(diǎn)和保護(hù)發(fā)生故障時(shí)的報(bào)警信號。

（3）交流采樣單元：用于采集計(jì)算電網(wǎng)A、B、C三相電壓，A、C兩相電流以及零序電流、電壓。

（4）人機(jī)對話單元：用于定值輸入，操作方式的確定，電網(wǎng)工作參數(shù)、工作狀態(tài)、故障類型的顯示等。

6.防越級跳閘保護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

基于數(shù)字處理器技術(shù)，現(xiàn)場總線技術(shù)和工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)，結(jié)合井下的實(shí)際情況，礦井供電網(wǎng)防越級跳閘保護(hù)系統(tǒng)主要由如下部分組成：

（1）地面主站及備用站：地面主站及備用站設(shè)在地面監(jiān)控調(diào)度中心，一般有三臺(tái)服務(wù)器，其中一臺(tái)作為通訊服務(wù)器，負(fù)責(zé)監(jiān)控工作主站與井下監(jiān)控分站之間的數(shù)據(jù)交換以及與調(diào)度室進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)，另外兩臺(tái)監(jiān)控工作站兼作數(shù)據(jù)服務(wù)器，互為備用，礦調(diào)度中心的監(jiān)控主站與礦領(lǐng)導(dǎo)及相關(guān)機(jī)電管理部門監(jiān)測監(jiān)控終端之間通過現(xiàn)有局域網(wǎng)相連。

（2）井下電力監(jiān)控分站：電力監(jiān)控分站與智能保護(hù)器之間通過以太網(wǎng)相連，其它子系統(tǒng)、監(jiān)控分站與地面監(jiān)控主站之間用光纖相連，構(gòu)成雙環(huán)自愈的光纖以太網(wǎng)，該光纖以太網(wǎng)留有多個(gè)備用的以太網(wǎng)口，作為其它業(yè)務(wù)通道，如變電所的視頻，音頻系統(tǒng)等均可接入該以太網(wǎng)。

（3）智能保護(hù)裝置：在每個(gè)采區(qū)變電所或工作面配電點(diǎn)，其礦用隔爆型高壓配電裝置或低壓饋電開關(guān)的各種電量或狀態(tài)量被送智能保護(hù)裝置，該裝置負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)采集打包、并將數(shù)據(jù)發(fā)送給井下電力監(jiān)控分站，各分站將數(shù)據(jù)發(fā)到網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)各個(gè)分站的數(shù)據(jù)共享，使其在主服務(wù)器故障時(shí)仍然能夠動(dòng)作，具備了強(qiáng)大的數(shù)據(jù)吞吐能力和數(shù)據(jù)處理能力。

7.結(jié)束語

該系統(tǒng)不僅具有完善的保護(hù)和控制功能，而且利用網(wǎng)絡(luò)解決了各個(gè)保護(hù)裝置之間由于距離等因素?zé)o法數(shù)據(jù)共享的問題，有效解決了目前煤礦常出現(xiàn)的越級跳閘的現(xiàn)象，保證了煤礦供電系統(tǒng)的安全性、可靠性和經(jīng)濟(jì)性，具有顯著的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。