楊貴生

（山西汾西礦業(yè)集團(tuán) 水峪煤業(yè)有限責(zé)任公司，山西 孝義 032300）

新峪礦建于上世紀(jì)60年代，隨著礦井開(kāi)采的延伸，井下供電網(wǎng)絡(luò)越來(lái)越復(fù)雜，目前的“五采”、“六采”兩個(gè)主力采區(qū)均為多級(jí)串聯(lián)供電方式。由于供電級(jí)數(shù)多、供電線路短，傳統(tǒng)的電流保護(hù)難以滿足選擇性和靈敏性的配合要求，在井下供電系統(tǒng)發(fā)生短路故障時(shí)，出現(xiàn)越級(jí)跳閘現(xiàn)象，造成大面積停電，且不能迅速判明故障位置，延誤送電時(shí)間，直接影響井下安全生產(chǎn)。

為解決多級(jí)供電網(wǎng)絡(luò)的越級(jí)跳閘問(wèn)題，除加強(qiáng)技術(shù)管理、提高設(shè)備可靠性外，研究應(yīng)用有效的繼電保護(hù)選擇性配合技術(shù)才是治本之策。

1 多級(jí)供電網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)越級(jí)跳閘的原因

礦井電網(wǎng)出現(xiàn)越級(jí)跳閘的原因有很多[1-2]，排除其他因素，礦井多級(jí)供電網(wǎng)絡(luò)缺乏有效的保護(hù)配合方法是重要原因之一。

傳統(tǒng)保護(hù)采用階段式電流保護(hù)方法[3]，即通過(guò)電流和時(shí)限定值的配合實(shí)現(xiàn)保護(hù)的選擇性。通常采用三段式電流保護(hù)，即第Ⅰ段為無(wú)時(shí)限電流速斷保護(hù)，為滿足選擇性，其電流定值應(yīng)按躲過(guò)下級(jí)母線的最大短路電流整定，時(shí)限定值為0 s，因此，它只能保護(hù)線路的一部分；第Ⅱ段為時(shí)限電流速斷保護(hù)，它必須保護(hù)線路的全長(zhǎng)，因此，其電流定值應(yīng)按下級(jí)母線的最小短路電流校驗(yàn)靈敏度，而時(shí)限定值一般需要時(shí)限級(jí)差的配合才能滿足可靠的選擇性要求；第Ⅲ段為過(guò)電流后備保護(hù)，需要時(shí)限級(jí)差配合來(lái)滿足選擇性。

目前新峪礦現(xiàn)有供電結(jié)構(gòu)難以實(shí)現(xiàn)上述三段式電流保護(hù)的選擇性配合要求，原因?yàn)椋孩儆捎诠╇娂?jí)數(shù)多，采用Ⅱ段時(shí)限電流速斷保護(hù)所需要的時(shí)限級(jí)差不能滿足與地面變電所主變過(guò)電流后備保護(hù)的時(shí)限配合要求；②從保護(hù)的靈敏性要求考慮，一味的通過(guò)延長(zhǎng)時(shí)限來(lái)保證故障時(shí)的選擇性，將增加設(shè)備損壞的風(fēng)險(xiǎn)；③井下變電所一般在進(jìn)線開(kāi)關(guān)配置速斷保護(hù)，以便快速切除母線故障，但更增加了保護(hù)選擇性配合的難度；④新峪礦井下采區(qū)變電所大多為“T”接串聯(lián)供電方式，傳統(tǒng)保護(hù)在技術(shù)上無(wú)法實(shí)現(xiàn)這種供電結(jié)構(gòu)的選擇性配合要求。因此，多級(jí)串聯(lián)供電網(wǎng)絡(luò)保護(hù)選擇性和靈敏性的矛盾十分突出，這也是繼電保護(hù)規(guī)程不推薦采用多級(jí)串聯(lián)供電方式的原因[4]，但限于煤礦特殊的工作環(huán)境，這種供電方式在礦井電網(wǎng)不能完全避免。

基于上述原因，井下多級(jí)供電網(wǎng)絡(luò)在進(jìn)行繼電保護(hù)整定時(shí)，只能保證靈敏性而犧牲選擇性，即只應(yīng)用Ⅰ段無(wú)時(shí)限速斷和Ⅲ段過(guò)電流保護(hù)，且無(wú)時(shí)限速斷的保護(hù)范圍將延伸至下級(jí)母線甚至更遠(yuǎn)，造成保護(hù)范圍重疊且無(wú)配合，這是系統(tǒng)故障時(shí)出現(xiàn)越級(jí)跳閘的主要原因。

2 智能零時(shí)限電流保護(hù)技術(shù)

為解決保護(hù)選擇性配合造成的礦井電網(wǎng)越級(jí)跳閘問(wèn)題，開(kāi)發(fā)了基于網(wǎng)絡(luò)智能識(shí)別技術(shù)的防越級(jí)跳閘系統(tǒng)，并進(jìn)行了工業(yè)試驗(yàn)及具體應(yīng)用。

2.1 智能零時(shí)限電流保護(hù)的設(shè)計(jì)思想

根據(jù)上述分析，礦井多級(jí)輻射狀電網(wǎng)存在保護(hù)選擇性和靈敏性無(wú)法兼顧的矛盾，解決這個(gè)矛盾是設(shè)計(jì)有效的防越級(jí)跳閘系統(tǒng)的關(guān)鍵。

隨著數(shù)字化保護(hù)和網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的發(fā)展，繼電保護(hù)裝置不再是孤立計(jì)算、獨(dú)立運(yùn)行的保護(hù)元件，通過(guò)保護(hù)裝置間的網(wǎng)絡(luò)通信，實(shí)現(xiàn)跨元件的互操作是數(shù)字化保護(hù)技術(shù)發(fā)展的特征。基于這種技術(shù)特征實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)保護(hù)系統(tǒng)，是新型保護(hù)配合技術(shù)的主要設(shè)計(jì)思想，將其定義為智能零時(shí)限電流保護(hù)。

2.2 智能零時(shí)限電流保護(hù)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與原理

智能零時(shí)限電流保護(hù)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu),見(jiàn)圖1。保護(hù)系統(tǒng)由綜合保護(hù)裝置和通信服務(wù)器構(gòu)成。保護(hù)裝置以32位DSP為硬件平臺(tái)，具有光纖通信接口，基于嵌入式實(shí)時(shí)多任務(wù)的軟件平臺(tái)；通信服務(wù)器采用FPGA處理技術(shù)，全光纖通信方式。

圖1 智能零時(shí)限電流保護(hù)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

通信系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，見(jiàn)圖2。保護(hù)裝置設(shè)計(jì)有A、B兩對(duì)光接口，其中一對(duì)光口與通信服務(wù)器的對(duì)應(yīng)母線的接口板連接，聯(lián)絡(luò)開(kāi)關(guān)的兩對(duì)光接口分別與對(duì)應(yīng)母線的接口板連接，進(jìn)線保護(hù)裝置的另一對(duì)光纖接口與上級(jí)變電所的出線保護(hù)裝置通信。

圖2 保護(hù)系統(tǒng)通信系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

見(jiàn)圖1，當(dāng)D2點(diǎn)發(fā)生短路故障時(shí)，該線路的DLD1保護(hù)啟動(dòng)，并通過(guò)A光接口將故障信息發(fā)送給通信服務(wù)器，服務(wù)器將故障信息轉(zhuǎn)發(fā)給進(jìn)線保護(hù)DLD0，告知其故障位置，同理，DL-D0依次將信息向上轉(zhuǎn)發(fā)；本級(jí)保護(hù)DL-D1完成故障處理程序后出口跳閘，而上級(jí)保護(hù)DL-D0則處于后備狀態(tài)，并與DLD1保持通信，一旦DL-D1跳閘成功，則DL-D0及后續(xù)保護(hù)全部釋放返回，若DL-D1保護(hù)在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)沒(méi)能成功跳閘（開(kāi)關(guān)拒動(dòng)），則處于后備狀態(tài)的DL-D0保護(hù)啟動(dòng)出口跳閘程序，并再次向上級(jí)保護(hù)發(fā)送故障狀態(tài)信息，防止開(kāi)關(guān)拒動(dòng)時(shí)造成再上級(jí)的保護(hù)越級(jí)跳閘。這是智能零時(shí)限電流保護(hù)技術(shù)的基本工作原理。

2.3 智能零時(shí)限電流保護(hù)的技術(shù)特征

基于網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的智能零時(shí)限電流保護(hù)有以下技術(shù)特征：

1）采用網(wǎng)絡(luò)通信方式解決了保護(hù)選擇性與靈敏性的矛盾。不需要電流定值和時(shí)限定值的嚴(yán)格配合即可實(shí)現(xiàn)上下級(jí)保護(hù)的選擇性配合。通信技術(shù)的應(yīng)用實(shí)現(xiàn)了故障定位，無(wú)論短路故障發(fā)生在哪一級(jí)，均為快速動(dòng)作的速斷保護(hù)；

2）實(shí)現(xiàn)了逐級(jí)快速后備保護(hù)。與傳統(tǒng)的被動(dòng)等待的后備保護(hù)方式不同，智能零時(shí)限電流保護(hù)采用主動(dòng)通信的后備保護(hù)方式，減小了后備保護(hù)的動(dòng)作時(shí)間（100～150 ms），并且實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)拒動(dòng)狀態(tài)下后備保護(hù)不越級(jí)；

3）簡(jiǎn)化了保護(hù)的配置，消除了保護(hù)死區(qū)。供電系統(tǒng)的任意開(kāi)關(guān)均可設(shè)置保護(hù)功能，無(wú)需考慮能否配合。與傳統(tǒng)保護(hù)方式不同，智能零時(shí)限電流保護(hù)在消除了保護(hù)死區(qū)的同時(shí)保證了選擇性。

3 應(yīng)用實(shí)例

圖3為新峪煤礦五采區(qū)變電所采用智能零時(shí)限電流保護(hù)技術(shù)的防越級(jí)跳閘系統(tǒng)應(yīng)用實(shí)例。在每個(gè)變電所安裝了一臺(tái)通信服務(wù)器，將高壓開(kāi)關(guān)的保護(hù)裝置通過(guò)光纜與通信服務(wù)器連接通信，一號(hào)中央變電所進(jìn)線開(kāi)關(guān)的一個(gè)保護(hù)光接口與地面變電所出線開(kāi)關(guān)的保護(hù)裝置連接通信，組成了全光纖通信的防越級(jí)跳閘系統(tǒng)。

圖3 防越級(jí)跳閘系統(tǒng)應(yīng)用實(shí)例

該系統(tǒng)五采四段變電所通過(guò)五采三段進(jìn)線開(kāi)關(guān)“T”接供電，這種供電方式的任意一個(gè)變電所內(nèi)發(fā)生故障越級(jí)跳閘時(shí)，均可能造成兩個(gè)變電所同時(shí)停電，實(shí)為應(yīng)用時(shí)應(yīng)避免的供電方式。而采用智能零時(shí)限電流保護(hù)后，通過(guò)在五采三段變電所的2號(hào)電所的通信信號(hào)綜合后與一號(hào)中央變電所對(duì)應(yīng)的出線保護(hù)接口通信，則可保證任意變電所發(fā)生故障時(shí)，均能起到防止越級(jí)跳閘的效果，體現(xiàn)了智能零時(shí)限電流保護(hù)技術(shù)的應(yīng)用靈活性。

4 系統(tǒng)試驗(yàn)

為了驗(yàn)證智能零時(shí)限電流保護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的有效性，在上述應(yīng)用現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行了防越級(jí)跳閘系統(tǒng)的試驗(yàn)。試驗(yàn)分為模擬試驗(yàn)和井下實(shí)際試驗(yàn)兩部分。

4.1 模擬試驗(yàn)

為保證井下實(shí)際試驗(yàn)時(shí)的可靠性，首先在地面搭建模擬試驗(yàn)系統(tǒng)，進(jìn)行模擬試驗(yàn)。使用四臺(tái)高壓開(kāi)關(guān)模擬4級(jí)供電系統(tǒng)。模擬試驗(yàn)線路示意圖，見(jiàn)圖4。

正常時(shí)的防越級(jí)跳閘系統(tǒng)模擬試驗(yàn)：將保護(hù)裝置設(shè)置為相同的保護(hù)定值，用升流器同時(shí)對(duì)四臺(tái)開(kāi)關(guān)施加相同的電流，驗(yàn)證每級(jí)保護(hù)的動(dòng)作情況。試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

模擬第四級(jí)開(kāi)關(guān)拒動(dòng)情況下的防越級(jí)跳閘系統(tǒng)模擬試驗(yàn)：拆除04號(hào)開(kāi)關(guān)的分勵(lì)接點(diǎn)，使之不能跳閘，模擬開(kāi)關(guān)拒動(dòng)。用升流器升流至遠(yuǎn)大于保護(hù)定值，沖擊試驗(yàn)至保護(hù)動(dòng)作。試驗(yàn)結(jié)果，如表2所示。

圖4 模擬試驗(yàn)線路

表1 模擬試驗(yàn)結(jié)果一

表2 模擬試驗(yàn)結(jié)果二

4.2 井下實(shí)際試驗(yàn)

井下實(shí)際的防越級(jí)跳閘系統(tǒng)試驗(yàn)在圖4的五采三段變電所進(jìn)行。將G05-3-08號(hào)和G05-3-02號(hào)開(kāi)關(guān)的保護(hù)定值均整定為50 A，利用G05-3-08號(hào)開(kāi)關(guān)所帶1 600 k災(zāi)A移動(dòng)變壓器的勵(lì)磁涌流（實(shí)測(cè)電流為120～200 A）進(jìn)行合閘沖擊試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)論與模擬試驗(yàn)結(jié)果一致。

5 結(jié)束語(yǔ)

智能零時(shí)限電流保護(hù)摒棄了傳統(tǒng)繼電保護(hù)的選擇性配合方式，采用基于網(wǎng)絡(luò)智能識(shí)別技術(shù)的保護(hù)配合方法，解決了新峪礦多級(jí)輻射狀電網(wǎng)保護(hù)選擇性與靈敏性的矛盾。通過(guò)應(yīng)用系統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)和實(shí)際運(yùn)行效果，驗(yàn)證了防越級(jí)跳閘系統(tǒng)設(shè)計(jì)的有效性。

[1]吳文瑕，陳柏峰，高燕.井下電網(wǎng)越級(jí)跳閘的研究及解決建議[J].工礦自動(dòng)化，2008（6）:136-138.

[2]欒永春，劉建偉.煤礦井下電網(wǎng)越級(jí)跳閘的原因分析和探討[J].工礦自動(dòng)化，2009（3）:82-84.

[3]王靜茹，欒貴恩.輸電線路電流電壓保護(hù)[M].北京：水利電力出版社，1989.

[4]國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)化委員會(huì).GB/T 14285-2006繼電保護(hù)和安全自動(dòng)裝置技術(shù)規(guī)程[S].2006