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(shù)多的特點，短路保護難以整定，越級跳閘的現(xiàn)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(jié)合煤礦井下供電保護技術(shù)的現(xiàn)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(shù)的原理及推廣應用情況。

1 礦井電網(wǎng)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(wǎng)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(shù)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(shù)千安到上萬安，短路點上面的各級開關(guān)都滿足電流速斷保護跳閘條件，當上級開關(guān)跳閘靈敏度高時上級開關(guān)跳閘，造成越級跳閘，甚至會直接造成地面變電站開關(guān)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(xiàn)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(xiàn)象，造成恢復供電時間延長，直接影響井下的安全生產(chǎn)。在煤礦供電電網(wǎng)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(lián)導致拓撲結(jié)構(gòu)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(guān)及上幾級開關(guān)感受的短路電流幾乎差不多，各級開關(guān)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(xiàn)越級跳閘的情況。同時，井下防爆開關(guān)的拒動現(xiàn)象也時有發(fā)生，也極易造成越級跳閘現(xiàn)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(xiàn)故障時，都有可能導致上一級變電所開關(guān)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(lián)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(xiàn)有的光纖縱差模型全部是根據(jù)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(shù)上的難點而無法實現(xiàn)。

3)失壓保護時延難以整定、開關(guān)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(guān)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(guān)質(zhì)量參差不齊，開關(guān)動作速度差異較大，由于開關(guān)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(chǎn)，傳統(tǒng)的基于單臺開關(guān)數(shù)據(jù)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(xiàn)比較。

井下傳統(tǒng)的漏電保護的抗電磁干擾能力差，數(shù)據(jù)傳輸速率及處理速度慢，各支路零序電流只能根據(jù)自身情況進行判斷，無法實現(xiàn)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(jù)IEC61850 GooSE國際規(guī)約進行設計施工，傳輸方式上采用“以太網(wǎng) IEC61850，IEC61870－5－104→隔爆交換機→工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)→地面監(jiān)控→監(jiān)控→保護系統(tǒng)”構(gòu)建數(shù)據(jù)通道，利用IEC61850的GOOSE技術(shù)實現(xiàn)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(wǎng)交換機和后臺機，由井下保護裝置實時監(jiān)測信號傳輸?shù)浇粨Q機，到地面環(huán)網(wǎng)交換機傳給后臺機，最終將信息傳到千兆環(huán)網(wǎng)交換機進行分析處理。系統(tǒng)實現(xiàn)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(nèi)完成，加上開關(guān)固有動作時間60 ms，故可在95 ms內(nèi)完成跳閘動作，當遇故障點最近的開關(guān)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(guān)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(shù)據(jù)分析，從而實現(xiàn)防越級跳閘功能。施工時，需要將所有開關(guān)的保護裝置全部更換為新產(chǎn)品，將系統(tǒng)上所有的裝置通過交換機以上下級的關(guān)系進行連接，形成網(wǎng)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(guān)發(fā)生拒動時，系統(tǒng)將會把上級開關(guān)的保護裝置閉鎖，使開關(guān)動作。

3)系統(tǒng)采用網(wǎng)絡化基因拓撲算法，利用開關(guān)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(xiàn)全網(wǎng)零秒速斷，以達到防越級跳閘的目的，系統(tǒng)具有級聯(lián)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(lián)縱差保護器搭建的專用保護信息網(wǎng)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(guān)，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(gòu)成見圖1。

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

此外，變電所縱差保護的RS485通訊線也連到一起構(gòu)成485總線接入通訊轉(zhuǎn)發(fā)器或本安型電力分站，借用監(jiān)控通訊網(wǎng)傳到地面電力調(diào)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(shù)，采用光纖以太網(wǎng)建立光纖傳輸通道，將井下各高壓開關(guān)的電流、電壓數(shù)據(jù)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(xiàn)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(wǎng)絡通訊實現(xiàn)上下級開關(guān)的數(shù)據(jù)共享，根據(jù)一條線路上每臺開關(guān)監(jiān)測到的數(shù)據(jù)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(jù)每臺開關(guān)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(guān)速斷保護動作，切斷故障，其余開關(guān)綜保處于后備保護狀態(tài)，若采用主保護的開關(guān)因機構(gòu)原因無法分開切除故障，上級開關(guān)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(xiàn)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(jīng)國家相關(guān)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(wǎng)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(shù)字通訊方式，并采用光纜方式進行數(shù)據(jù)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(wǎng)絡應與礦井監(jiān)控定位系統(tǒng)網(wǎng)絡分開。

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

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(guān)啟動、合位及跳位時間波形。

4 結(jié)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(xiàn)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?qū)崟r監(jiān)控保護動作行為信息。

［1］秦經(jīng)芳，孫英昌.機電一體化中電機控制與保護存在的問題及措施［J］.中國科技博覽，2013(22):37－38.

［2］張學成.工礦企業(yè)供電［M］.北京:煤炭出版社，2005:73－74.

［3］劉師良，王淑艷.基于CAN總線的礦用監(jiān)控系統(tǒng)接口設計［J］.煤礦安全，2011(4):42.

［4］王振華.礦山供電與井下照明安全技術(shù)實用全書［M］.長春:吉林電子出版社，2006:63－65.

［5］崔景岳，劉思沛，聶文龍.煤礦供電［M］.北京:煤炭工業(yè)出版社:2005:10－11.