王建文

(西山煤電集團公司杜兒坪礦，山西 太原 030022)

煤礦井下供電系統(tǒng)存在供電距離短、延伸級數多的特點，短路保護難以整定，越級跳閘的現象時有發(fā)生，傳統(tǒng)意義上的光纖縱差保護難以解決。下面結合煤礦井下供電保護技術的現狀，闡述造成礦井供電越級跳閘的主要原因，分析煤礦系統(tǒng)“防越級跳閘”技術的原理及推廣應用情況。

1 礦井電網存在“越級跳閘”的原因

煤礦井下巷道狹窄，空氣潮濕，在此環(huán)境下使用的電器設備、供電電纜和電纜接頭容易發(fā)生漏電和短路事故。目前，我國煤炭企業(yè)電網多為多級輻射狀的供電模式，其特點為供電線路短，延伸級數多，不同級別的短路電流很接近，一旦線路某處短路，短路電流可達數千安到上萬安，短路點上面的各級開關都滿足電流速斷保護跳閘條件，當上級開關跳閘靈敏度高時上級開關跳閘，造成越級跳閘，甚至會直接造成地面變電站開關越級跳閘，特別是35 kV系統(tǒng)，造成全礦井停電的惡性事故，甚至會出現主扇停風事故。傳統(tǒng)的三段式過電流保護無法兼顧保護動作快速性和選擇性的要求，當井下供電系統(tǒng)發(fā)生故障時，普遍存在“越級跳閘”現象，造成恢復供電時間延長，直接影響井下的安全生產。在煤礦供電電網中，造成越級跳閘的主要原因主要有以下幾種:

1)短路保護難以整定。

井下供電線路短、多級變電所級聯導致拓撲結構復雜，短線路零秒的速斷保護無保護區(qū)，在線路末端發(fā)生短路故障時，其上級開關及上幾級開關感受的短路電流幾乎差不多，各級開關的零秒速斷保護無選擇性跳閘而造成越級跳閘;井下供電系統(tǒng)沒有時間級差，過流保護整定困難，在發(fā)生短路故障時，極易出現越級跳閘的情況。同時，井下防爆開關的拒動現象也時有發(fā)生，也極易造成越級跳閘現象的發(fā)生。

目前的系統(tǒng)以短路保護為主保護，系統(tǒng)圖上每個藍色小方塊代表一個短路保護。當采區(qū)變電所任何一條負荷線出現故障時，都有可能導致上一級變電所開關跳閘，即“越級跳閘”，導致停電范圍擴大。

2)傳統(tǒng)意義上的光纖縱差保護不能解決所有問題。

將傳統(tǒng)的光纖縱差保護作為聯絡線的主保護，能夠可靠解決部分“越級跳閘”問題，但對于三端線路及多端線路卻不能解決。因為現有的光纖縱差模型全部是根據兩端線路配置的，如果需要對多端線路進行光纖縱差處理，則存在技術上的難點而無法實現。

3)失壓保護時延難以整定、開關拒動。

大多井下保護器的失壓保護動作延時不能整定，為瞬動，另外部分失壓脫扣動作值不準確。饋線距離母線很近的地方發(fā)生短路故障時，母線電壓短時失壓，該段母線上其他開關的失壓保護誤動作也容易導致“越級跳閘”。

煤礦井下高爆開關質量參差不齊，開關動作速度差異較大，由于開關拒動造成的越級跳閘也時有發(fā)生。

4)井下缺乏母線保護。

母線上短路故障沒有相應的快速切除保護措施，故障切除時間長，母線短路時，母線損壞嚴重，同時母線故障時也極易造成越級跳閘。越級跳閘導致停電范圍擴大，嚴重影響了煤礦的安全生產，傳統(tǒng)的基于單臺開關數據過流保護原理的微機保護解決不了此問題。

5)漏電保護難以實現比較。

井下傳統(tǒng)的漏電保護的抗電磁干擾能力差，數據傳輸速率及處理速度慢，各支路零序電流只能根據自身情況進行判斷，無法實現與其他支路及上級支路進行比較判斷。電纜漏電后發(fā)展成短路故障，極易造成越級跳閘的發(fā)生。

2 煤礦系統(tǒng)領域常見“防越級跳閘“的原理

1)系統(tǒng)根據IEC61850 GooSE國際規(guī)約進行設計施工，傳輸方式上采用“以太網 IEC61850，IEC61870－5－104→隔爆交換機→工業(yè)以太環(huán)網→地面監(jiān)控→監(jiān)控→保護系統(tǒng)”構建數據通道，利用IEC61850的GOOSE技術實現保護測控設備之間的快速信息交換。

建設防越級跳閘系統(tǒng)時，需要將井下高開保護裝置全部更換為研發(fā)的新裝置，井下變電所配置交換機，裝置與交換機之間采用電纜通訊傳輸，地面配置環(huán)網交換機和后臺機，由井下保護裝置實時監(jiān)測信號傳輸到交換機，到地面環(huán)網交換機傳給后臺機，最終將信息傳到千兆環(huán)網交換機進行分析處理。系統(tǒng)實現采集到故障時，先啟動保護系統(tǒng)，取故障電流和裝置定值進行分析比較，從采集到故障電流信號到保護信號出口時間在35 ms內完成，加上開關固有動作時間60 ms，故可在95 ms內完成跳閘動作，當遇故障點最近的開關不動作的情況時，系統(tǒng)將上級所有的保護裝置全部啟動，點對點廣播式的發(fā)出信號，上級開關誰動作時間快誰動作。

2)系統(tǒng)采用點對點，裝置配合的原理進行數據分析，從而實現防越級跳閘功能。施工時，需要將所有開關的保護裝置全部更換為新產品，將系統(tǒng)上所有的裝置通過交換機以上下級的關系進行連接，形成網絡系統(tǒng)。當井下發(fā)生短路故障時，通過裝置以點對點的方式發(fā)出故障信息，信號由主機進行電流分析，保護裝置信號發(fā)出時間約為26 ms，同時閉鎖上級所有的保護裝置，從而起到不跳閘的功能。當故障點最近一級開關發(fā)生拒動時，系統(tǒng)將會把上級開關的保護裝置閉鎖，使開關動作。

3)系統(tǒng)采用網絡化基因拓撲算法，利用開關間自主交換故障信息進行協(xié)商的形式，自主判斷故障區(qū)段，實現全網零秒速斷，以達到防越級跳閘的目的，系統(tǒng)具有級聯縱差保護、母差保護、三段式過流保護和零延時智能后備保護等防越級跳閘保護功能。系統(tǒng)通過分散安裝的級聯縱差保護器搭建的專用保護信息網快速交換信息，能夠快速判斷故障區(qū)段，準確快速切斷距離故障點最近的故障開關，以達到防越級跳閘的目的，并且對于母線故障也能夠做到快速切除。其系統(tǒng)構成見圖1。

由圖1可知，整套防越級保護系統(tǒng)主要由級聯縱差綜合保護器和礦用本安型網絡交換機以及礦用光纜網絡構成。每個變電所縱差綜合保護器的差動通訊線連在一起，構成一個高速通訊總線，接入礦用本安型網絡交換機，轉發(fā)器間通過光纜連接構成高速通訊縱差環(huán)網。

此外，變電所縱差保護的RS485通訊線也連到一起構成485總線接入通訊轉發(fā)器或本安型電力分站，借用監(jiān)控通訊網傳到地面電力調度，對每臺保護的運行狀態(tài)進行實時監(jiān)測。

4)系統(tǒng)采用“集中保護”原理，運用高速光纖通訊和同步采樣技術，采用光纖以太網建立光纖傳輸通道，將井下各高壓開關的電流、電壓數據上傳至位于地面控制中心的保護主機。保護主機上配置差動保護模塊，取代傳統(tǒng)過流速斷保護作為線路的主保護，解決煤礦供電系統(tǒng)存在的越級跳閘問題。其動作原理是由地面控制中心的集成保護測控裝置(保護主機)采用“集中保護”。保護主機差動保護范圍固定，實現全系統(tǒng)零時限全線速動，采用線路縱差保護代替短路保護作為采區(qū)變電源進線的主保護。

圖1 防越級保護系統(tǒng)示意圖

5)通過網絡通訊實現上下級開關的數據共享，根據一條線路上每臺開關監(jiān)測到的數據和其在這條供電線路中所處的位置，確定故障區(qū)域，并根據每臺開關相對故障區(qū)域的位置確定保護方式，使離故障點最近的開關速斷保護動作，切斷故障，其余開關綜保處于后備保護狀態(tài)，若采用主保護的開關因機構原因無法分開切除故障，上級開關后備保護動作，切斷故障，從而防止越級跳閘事故的發(fā)生。

3 防越級跳閘系統(tǒng)建立應注意的問題

通過對以上“防越級跳閘”系統(tǒng)優(yōu)缺點的分析比較，并針對煤礦供電的現狀，進行綜合分析，得出進行防越級跳閘系統(tǒng)建立時應注意以下問題:

1)系統(tǒng)的保護裝置及通訊裝置等必須滿足井下防爆要求，并經國家相關部門檢定合格。

2)防越級跳閘系統(tǒng)建立時應采用分層、分散式保護配置原則，不推薦國家電網不提倡使用的集中式保護。

3)為了提高抗干擾性能，防越級跳閘系統(tǒng)采用數字通訊方式，并采用光纜方式進行數據傳輸。

4)防越級跳閘系統(tǒng)所使用的保護裝置，要具有較高的電磁兼容性能，保證在井下惡劣環(huán)境下能夠安全可靠工作。

5)保護裝置要采用可靠的操作電源，確保在交流失壓下能可靠動作，并有自備儲能電源。

6)防越級跳閘系統(tǒng)建立時，其通訊網絡應與礦井監(jiān)控定位系統(tǒng)網絡分開。

7)系統(tǒng)保護裝置要有失壓或電網波動情況下的防誤動功能，延時可調(1～5 s可調)。

8)系統(tǒng)要有完善的故障錄波及分析功能，并提供下載，自動錄波，錄波信息準確，能提供電流電壓波形及開關啟動、合位及跳位時間波形。

4 結束語

煤礦井下環(huán)境差、各種電氣設備種類繁多，電氣故障時有發(fā)生。為了防止大面積停電所造成的越級跳閘現象，煤礦供電系統(tǒng)在選用防越級跳閘系統(tǒng)時，一定要保證其系統(tǒng)動作靈敏、傳輸速度快，便于升級，同時也便于動作行為分析，防越級系統(tǒng)還必須能夠實時監(jiān)控保護動作行為信息。

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