谷文才

(平煤股份朝川礦,河南平頂山 467000)

煤礦供電防越級跳閘保護系統(tǒng)的應(yīng)用研究

谷文才

(平煤股份朝川礦,河南平頂山 467000)

煤礦井下供電目前存在速斷過流保護定值無法整定、漏電保護難實現(xiàn)比較等難題,導(dǎo)致漏電、短路等故障發(fā)生頻繁,嚴(yán)重威脅供電可靠性。尤其廣泛存在的“越級跳閘”問題,是影響煤礦井下可靠供電的一重要因素。本文分析了煤礦供電防越級跳閘保護系統(tǒng)原理,并提出了解決應(yīng)用方案,實現(xiàn)了保護的選擇性和快速性,有效地避免了多次越級跳閘的發(fā)生,具有較高的使用價值和廣闊的應(yīng)用前景。

越級跳閘 可靠性 無人值守 數(shù)字式 快速性

我國煤礦井下電網(wǎng)大多采用短電纜組成級數(shù)較多的輻射狀的干線式級聯(lián)網(wǎng)絡(luò),實際運行中,由于綜采工作面工作條件較差、環(huán)境比較惡劣,電纜在回采過程中來回拖拽,容易受損。一旦電纜受損就可能造成電纜絕緣擊穿而形成相間短路,引起電網(wǎng)短路故障。由于井下配電回路阻抗較小,通常下級回路發(fā)生短路故障時,短路電流比較大,超過上級速斷保護裝置電流整定值,使上級速斷保護裝置動作而造成越級跳閘,情況嚴(yán)重的甚至?xí)竭^多級。越級跳閘無疑會增大停電范圍,嚴(yán)重影響煤礦安全生產(chǎn),因此,井下越級跳閘的防治工作十分重要。

圖2 分布式區(qū)域保護正常動作

圖3 斷路器拒動時的分布式區(qū)域保護

表1 防越級跳閘技術(shù)對比表

1 常見防越級跳閘保護原理

目前常見的防越級跳閘保護原理主要有以下幾種：

(1)電流差動。差動保護是根據(jù)“電路中流入節(jié)點電流的總和等于零”原理制成的。差動保護把被保護的電氣設(shè)備看成是一個接點,那么正常時流進被保護設(shè)備的電流和流出的電流相等,差動電流等于零。當(dāng)設(shè)備出線故障時,流進被保護設(shè)備的電流和流出的電流不相等,差動電流大于零。當(dāng)差動電流大于差動保護裝置的整定值時,保護動作,將被保護設(shè)備的各側(cè)斷路器跳開,使故障設(shè)備斷開電源。差動保護原理簡單、使用電氣量單純、保護范圍明確、動作不需延時。電流差動保護需要專用通道。電流差動保護只適用于少數(shù)節(jié)點差動,無法解決開閉所多出線與多進線間的保護配合問題,多層級差動復(fù)雜性和成本也過高。

(2)系統(tǒng)判別法。系統(tǒng)判別法的實現(xiàn)以電力監(jiān)控系統(tǒng)為基礎(chǔ)。發(fā)生短路故障時,流過短路電流的節(jié)點上報故障信息,由監(jiān)控系統(tǒng)對運行方式和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進行故障點判別,然后再下發(fā)命令使離故障點電源側(cè)最近的開關(guān)跳閘。系統(tǒng)判別法依賴于電力監(jiān)控系統(tǒng),實現(xiàn)成本較低。但通信實時性難以保證,實現(xiàn)0秒(或小于35ms)速斷保護比較困難,難以滿足相關(guān)繼電保護標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)程要求。

(3)集中式保護。集中式保護采用數(shù)字化變電站技術(shù),系統(tǒng)內(nèi)各綜保通過傳輸接口實時上送采樣值。由安裝于地面的高性能保護器進行采樣變換和故障識別。集中式保護需要高覆蓋率的高速、專用傳輸通道,實現(xiàn)成本很高。

(4)總線通信法。總線通信法采用CAN等工業(yè)總線實現(xiàn)相關(guān)節(jié)點的故障信息交換,故障時動態(tài)決定跳閘優(yōu)先級?？偩€通信法實施成本低。但總線傳輸速率受限,存在多節(jié)點競爭,工業(yè)環(huán)境下易受干擾等問題,通信實時性和可靠性缺乏難以保障。

2 分布式區(qū)域保護

結(jié)合以上分析,在工作實際中采取分布式區(qū)域保護。本方案采用分布式區(qū)域保護原理。區(qū)域保護的基本思想為：使各級保護建立信號聯(lián)系。當(dāng)任何一級保護在檢測到短路故障時,迅速發(fā)出閉鎖信號,閉鎖其上一級保護,以將故障鎖定在最小跳閘范圍內(nèi)。當(dāng)斷路器失靈時,上級保護可快速動作;母線故障可實現(xiàn)快速跳閘。區(qū)域保護適用于分支較多的配電網(wǎng),解決保護時間級差無法配合問題。對于同一變電站或開閉所內(nèi),區(qū)域保護信號傳遞可采用硬接線開入開出方式實現(xiàn),也可采用基于工業(yè)以太網(wǎng)的IEC 61850 GOOSE報文交換方式。前者造價低,設(shè)計施工均簡單。后者性能突出,有利于簡化電纜,改造時占用喇叭嘴數(shù)量、9芯端子數(shù)量少,易于實施。

分布式區(qū)域保護與其他防越級跳閘技術(shù)對比,具有成本低,可靠性高,可實施性強,易于維護等特點。具體如表1。

2.1 分布式區(qū)域保護動作性能分析

分布式區(qū)域保護采用突變量作為啟動判據(jù),動作靈敏。現(xiàn)以圖1為例,對保護動作性能進行分析(如圖2)。

假設(shè)出線1發(fā)生相間短路,記時刻t0=0。進線和出線保護均感知故障電流,突變量啟動判據(jù)成立,發(fā)出區(qū)域保護信號,耗時5ms,記t1=5ms。區(qū)域保護聯(lián)絡(luò)信號傳送到對側(cè)耗時約10ms,記t2=15ms。進線保護在速斷出口前,收到出線1的故障聯(lián)絡(luò)信號,關(guān)閉跳閘出口。由于出線1保護沒有收到任何聯(lián)絡(luò)信號,在t3=35ms時刻速斷保護出口,切除故障線路。故障切除后,撤除向進線發(fā)送的聯(lián)絡(luò)信號。

分布式區(qū)域保護還對出現(xiàn)較頻繁的6/10kV斷路器拒動情況進行了考慮。目前6/10kV真空斷路器跳閘時間約50～60ms,考慮可靠切除短路電流等因素,動作于跳閘的保護,在發(fā)出跳閘命令110ms后如果故障電流仍未消失,則認(rèn)為是斷路器拒動,保護器主動撤除上送的聯(lián)絡(luò)信號。收到聯(lián)絡(luò)信號的保護,則啟動一個285ms

(160+110+15)的聯(lián)絡(luò)信號自動解除計時,作為后備保護。如圖3所示。

2.2 分布式區(qū)域保護裝置

DS-200數(shù)字化保護測控裝置和DSKJ-600高開綜合保護器采用了專利技術(shù)的分布式區(qū)域保護技術(shù),分別用于井上和井下6/10kV系統(tǒng),徹底實現(xiàn)防越級跳閘。DS-200數(shù)字化保護測控裝置采用PowerPC+DSP雙處理器架構(gòu),具有2路IEC 61850 GOOSE通信接口,2路硬接線閉鎖信號輸入接口,2路硬接線閉鎖信號輸出接口。該系列裝置通過了國家繼電保護及自動化設(shè)備質(zhì)量監(jiān)督檢測中心的IEC 61850規(guī)約一致性檢測,已廣泛應(yīng)用于智能電網(wǎng)改造和建設(shè)工程。DSKJ-600高開綜合保護器通過了國家認(rèn)定的防爆檢測機構(gòu)檢驗,取得了防爆合格證,可用于具有甲烷或煤塵爆炸危險的礦井。井下保護器采用DSKJ-600高開綜合保護裝置。該型號裝置基于高性能MPC 8313 高性能PowerPC架構(gòu)開發(fā),采用VxWorks實時操作系統(tǒng)。具有2路IEC 61850 GOOSE通信接口,2路本閉鎖信號輸入接口,1路本安閉鎖信號輸出接口。該裝置通過了國家安全生產(chǎn)重慶礦用設(shè)備檢測檢驗中心的檢測,取得了防爆合格證。

[1]李晶,路文梅.供電系統(tǒng)繼電保護[M].北京：中國電力出版社,2008．

谷文才,1986年3月出生,2007年參加工作,助理工程師,工作單位平煤股份朝川礦。