邢彥偉

(西山煤電股份公司 太原選煤廠,山西 太原 030023)

·技術(shù)經(jīng)驗·

智能零時限電流保護在井下防越級跳閘的應(yīng)用

邢彥偉

(西山煤電股份公司 太原選煤廠,山西 太原 030023)

大型現(xiàn)代化煤礦井上下供電網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展存在差異，井下供電系統(tǒng)級數(shù)多，設(shè)備集中，并且不同廠家的設(shè)備靈敏度不同，發(fā)生短路時經(jīng)常出現(xiàn)上級保護越級動作的情況，甚至造成礦井大面積停電事故。為解決這一問題，提出以光纖差動保護技術(shù)為基礎(chǔ)，通過MPR304S礦用綜合保護裝置和KHL127型礦用隔爆型電流保護控制器配合智能零時限電流保護技術(shù)來實現(xiàn)防越級跳閘的方案。試驗表明，該系統(tǒng)能夠較好地解決煤礦井下越級跳閘的問題。

井下供電網(wǎng)絡(luò)；越級跳閘；智能零時限電流保護；光纖通信

隨著電力系統(tǒng)的發(fā)展，特別是在礦井建設(shè)現(xiàn)代化、自動化理念的影響下，近些年煤礦地面電網(wǎng)發(fā)展很快，基本實現(xiàn)了變電站綜合自動化，但受空間限制和井下環(huán)境影響，煤礦井下電網(wǎng)的自動化水平卻仍然相對落后。同時井工煤礦供電網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建需經(jīng)過地面、井下、終端設(shè)備等多個變電場所，這種供電方式用電設(shè)備集中，上下級之間供電線路很短，而且供電級數(shù)較多，不同場所短路電流非常接近，定時限速斷保護具有一定的危險性，只能作為下級開關(guān)速斷保護的后備保護，如果各級開關(guān)只設(shè)置主保護為零時限速斷保護，下一級母線處發(fā)生短路時的故障電流必然大于上一級速斷整定值，造成上下級保護同時達到跳閘條件，從而發(fā)生越級跳閘事故[1]. 也就是說，礦井電網(wǎng)發(fā)生故障時各級保護裝置不能進行選擇性跳閘，除非犧牲故障切除的快速性來保證選擇性[2]. 但隨著煤礦電網(wǎng)供電系統(tǒng)越來越復雜，要想保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性就必須縮短動作時限，因此，現(xiàn)代化大型煤礦必須解決繼電保護因無選擇性配合或配合不可靠發(fā)生的“越級跳閘”[1]. 本文提出一種光纖差動保護和智能零時限電流保護技術(shù)相結(jié)合的解決方案。

1 系統(tǒng)方案設(shè)計

1.1 光纖差動保護技術(shù)

光纖差動保護是在電流差動保護的基礎(chǔ)上演化來的[3]，其基本原理基于克?；舴蚧倦娏鞫?。它不受運行方式變化的影響，能夠理想地使得保護實現(xiàn)單元化，同時由于上下級的保護裝置之間不存在電聯(lián)系，系統(tǒng)運行可靠性大大提高[4]. 光纖電流差動保護系統(tǒng)的典型構(gòu)成見圖1. 光纖分相電流差動保護借助于線路光纖通道，實時向?qū)?cè)傳遞采樣數(shù)據(jù)，同時接收對側(cè)的采樣數(shù)據(jù)，各側(cè)保護利用本地和對側(cè)電流數(shù)據(jù)按相進行差動電流計算。根據(jù)電流差動保護的制動特性方程進行判別，判為區(qū)內(nèi)故障時動作跳閘，區(qū)外故障時保護不動作[4].

圖1 光纖差動保護配置原理圖

如圖1所示，假設(shè)M側(cè)為送電端，N側(cè)為受電端，則M側(cè)的電流由母線到線路，N側(cè)的電流由線路到母線，兩側(cè)電流大小相同但方向反向，線路兩側(cè)的差電流是零；當保護裝置發(fā)生區(qū)內(nèi)故障時，故障電流都是由母線流向線路，方向相同，線路兩側(cè)差電流發(fā)生變化，當其滿足電流差動保護的動作特性方程時，保護裝置發(fā)出跳閘令快速將故障相切除[5].

光纖差動保護技術(shù)作為解決越級跳閘的方法之一，不與其他保護配合也能確保斷電動作靈敏、準確，但煤礦供電存在“T”接線路，會出現(xiàn)高壓開關(guān)電流互感器(CT)不符合差動保護的問題。同時光差保護具有絕對選擇性，無法對母線故障起到保護，僅依靠后備保護在保護裝置上存在死區(qū)。

1.2 智能零時限電流保護技術(shù)

對井下供電系統(tǒng)中的高壓防爆開關(guān)進行分層、分級，上下級保護裝置的信息交換通過光纖進行。上一級變電所的進線保護裝置上的1對光纖通信接口連接饋線柜保護裝置，另一對接口與服務(wù)器對應(yīng)母線的接口連接(點對點方式)。各級保護裝置的整定值不用作出明顯的區(qū)分，整定時限可設(shè)為無延時。

如圖2所示，當?shù)V井供電網(wǎng)絡(luò)發(fā)生故障，離故障點最近的保護器動作，同時保護裝置向上級發(fā)送一個邏輯信號，上級保護裝置接收到邏輯信號后進行判斷，并對下級保護裝置的動作情況進行監(jiān)測，如果下級保護裝置已經(jīng)動作則上級不動作，如果下級保護裝置未動作，則上級開關(guān)立即跳閘，確保電網(wǎng)安全，所有信號均為光纖傳輸，速度快，損失小。

圖2 智能零時限電流保護配置原理圖

1.3 差動保護和智能零時限電流保護技術(shù)相結(jié)合

實踐表明，光纖差動保護技術(shù)為了實現(xiàn)保護配合功能，各級變電所的進線開關(guān)只能設(shè)置過流后備保護，切除故障時間長，變電所母線產(chǎn)生了保護死區(qū)。因此，只采用光纖差動保護技術(shù)解決越級跳閘的問題并不十分理想，在此基礎(chǔ)上配合智能零時限電流保護技術(shù)則效果較好，配置原理見圖3. MPR304S型數(shù)字式礦用綜合保護裝置提供了這種方案，該保護裝置可實現(xiàn)一側(cè)智能零時限保護功能，一側(cè)差動保護。

圖3 智能零時限與光纖差動保護配置原理圖

當電網(wǎng)系統(tǒng)中支線上D1點出現(xiàn)短路故障時，開關(guān)G1、G2的智能零時限保護裝置通過配合，使開關(guān)G2動作跳閘，開關(guān)G1不動作，由于短路點D1在光差保護范圍之外，故光差保護范圍內(nèi)開關(guān)不動作；當電網(wǎng)系統(tǒng)中母線上D2點出現(xiàn)短路故障，由于短路點D2處于光差保護范圍之外，故光差保護范圍內(nèi)開關(guān)不動作，但上級開關(guān)G1的智能零時限保護裝置檢測到故障電流，故開關(guān)G1動作；當電網(wǎng)系統(tǒng)中主線路上D3點出現(xiàn)短路故障，由于短路點D3處于光差保護范圍之內(nèi)，故光差保護范圍之內(nèi)開關(guān)同時動作。采用智能零時限電流保護系統(tǒng)與光差保護系統(tǒng)相結(jié)合的技術(shù)方案適用于一般的電網(wǎng)系統(tǒng)，可有效地實現(xiàn)防越級跳閘，從而縮小停電范圍。

2 防越級跳閘系統(tǒng)設(shè)計

防越級跳閘功能由智能零時限電流保護技術(shù)和光纖差動保護技術(shù)配合實現(xiàn)，系統(tǒng)由智能零時限電流保護設(shè)備、礦用保護控制器和通信網(wǎng)絡(luò)(光纖)組成。

2.1 綜合保護裝置

MPR304S型數(shù)字式礦用綜合保護裝置包括信號采集系統(tǒng)、濾波電路模塊、信號處理系統(tǒng)(32位)、A/D轉(zhuǎn)換、輸出模塊、通訊模塊等。如圖4所示，MPR304S保護裝置是將采集到的信息通過變換、濾波、處理、A/D轉(zhuǎn)換后采用FPGA進行處理，處理后輸出。該裝置設(shè)計了兩對光纖通訊接口，用于防越級跳閘系統(tǒng)，而且系統(tǒng)所有的信號均采取了隔離處理，保證了設(shè)備的電磁兼容性。

圖4 MPR304S保護裝置結(jié)構(gòu)圖

2.2 保護控制器

KHL127型礦用隔爆型電流保護控制器與MPR304S礦用綜合保護裝置配合實現(xiàn)智能零時限電流保護功能。電流保護控制器能夠?qū)崟r收集、分析各保護的故障信息，并和MPR304S礦用綜合保護裝置建立雙向通信(光纖通訊)相互傳輸信息，實現(xiàn)故障的定位。

控制器由電源模塊、光纖接口模塊、顯示模塊等構(gòu)成，結(jié)構(gòu)見圖5. 電源模塊集成了后備電源，停電后能維持不低于2 h的電池供電。光纖接口模塊由接口板(4塊)組成，每個接口板分別有10對光纖接口，每對光纖接口獨立工作，各接口的工作狀態(tài)由顯示模塊顯示。控制器的通信模塊采用光纖傳輸信息，通過FPGA處理信息，具有極高的通信速率，而且工作穩(wěn)定、可靠。

圖5 保護控制器結(jié)構(gòu)圖

3 系統(tǒng)測試

在4臺PJG9L-6型礦用隔爆型永磁高壓真空配電裝置中安設(shè)MPR304S綜合保護裝置，按圖6所示線路連接，組成1個小型電網(wǎng)進行測試。為了保證試驗結(jié)果，4臺開關(guān)分級，編號分別為01、02、03、04，且開關(guān)的電流整定值設(shè)置相同，動作時間均設(shè)置為0 s.

3.1 正常運行時數(shù)據(jù)測試

1) 測試內(nèi)容：保證4臺高壓防爆開關(guān)綜合保護裝置的分勵接點正常投運，模擬試驗電流達到整定值時4臺開關(guān)的跳閘情況，觀察第4級開關(guān)是否正常動作，并測試上級開關(guān)是否出現(xiàn)越級跳閘。

2) 測試方法：將每個高開的電流整定值設(shè)為一樣，均為160 A，動作時間均設(shè)置為0 s，然后用升流器升流。

3) 測試結(jié)論：每次試驗均為第四級開關(guān)動作。測試數(shù)據(jù)見表1.

3.2 第四級開關(guān)拒動測試

1) 測試內(nèi)容：取消第四級高壓防爆開關(guān)綜合保護裝置的分勵接點，模擬試驗電流達到整定值時本開關(guān)拒動后上級開關(guān)跳閘情況，觀察第三級開關(guān)是否正常動作，并測試第一級、第二級開關(guān)是否出現(xiàn)越級動作。

2) 測試方法：將每個高開的電流整定值設(shè)為一樣，均為30 A，動作時間均設(shè)置為0 s，零時限開放時間設(shè)定也一樣，均為100 ms，然后用升流器升流，沖擊至保護動作。

圖6 模擬試驗線路圖

次序1234操作時間15：15：1215：18：5015：20：4515：22：02設(shè)備編號設(shè)備型號動作電流動作時間動作電流動作時間動作電流動作時間動作電流動作時間01PJG9L-6(300/5)02PJG9L-6(200/5)03PJG9L-6(200/5)04PJG9L-6(200/5)161A(A相)162A(C相)27ms160A(A相)162A(C相)33ms159A(A相)161A(C相)29ms160A(A相)161A(C相)27ms

3) 測試結(jié)論：每次試驗均為上一級(第三級)保護動作，沒有出現(xiàn)越級跳閘的情況。測試數(shù)據(jù)見表2.

表2 測試情況表

4 現(xiàn)場應(yīng)用

如圖7所示，礦井供電系統(tǒng)有進線、分段和出線3種類型，并按照母線將變電站分為不同的區(qū)域，每個區(qū)域配備1套KHL127型通信服務(wù)器，MPR304S綜合保護裝置有2對光纖通信口，分段開關(guān)和進線開關(guān)將光纖接入不同區(qū)的通信服務(wù)器，出線開關(guān)將光纖接入本區(qū)的通信服務(wù)器，綜合保護裝置接收不同區(qū)域的信號，信號的傳遞按照區(qū)域自動劃分，實現(xiàn)保護系統(tǒng)獨立存在，不受其他干擾。王家?guī)X煤礦供電系統(tǒng)建設(shè)過程中應(yīng)用了智能零時限電流保護技術(shù)，系統(tǒng)投運以來，井下未發(fā)生過越級跳閘現(xiàn)象。

圖7 礦井供電系統(tǒng)區(qū)域劃分圖

王家?guī)X煤礦地面變電站2號高開和井下變電所1號高開、5號高開安設(shè)MPR304S綜合保護裝置，通過光纖傳輸和KHL127型通信服務(wù)器組成網(wǎng)絡(luò)保護系統(tǒng)，綜采工作面煤機、刮板輸送機等設(shè)備從5號高開取電。將1號、5號高開和地面變電站2號高開動作時限設(shè)為0 s，速斷保護電流設(shè)置成400 A，取消5號高開的跳閘接點(人為造成拒動)，刮板輸送機電流故障時，1號高開動作，未造成上級電源的保護動作，動作情況見表3.

表3 保護動作情況表

實踐表明，智能零時限電流保護能夠較好地阻擋井下越級跳閘，目前，此方案已在山西焦煤集團西曲、新峪、雙柳等煤礦廣泛應(yīng)用。

5 結(jié) 論

智能零時限電流保護技術(shù)既滿足煤礦供電網(wǎng)絡(luò)故障切除的快速性，也保證了繼電保護的選擇性配合。智能零時限電流保護與光纖差動保護配合組成的防越級跳閘系統(tǒng)，同時可作為母線故障的主保護，消除了保護死區(qū)，通過與礦井地面電網(wǎng)保護裝置的接口對接，可構(gòu)建一體化的防越級跳閘系統(tǒng)，是一種比較理想的防越級跳閘的解決方案，適用于大多數(shù)的煤礦供電網(wǎng)絡(luò)。

[1] 吳兆法．關(guān)于山西王家?guī)X煤業(yè)有限公司采區(qū)變電所防越級跳閘系統(tǒng)設(shè)計及實施[D].太原:太原理工大學,2015.

[2] 丁靜波.輻射型配電網(wǎng)絡(luò)中智能零時限電流保護的應(yīng)用[J].工礦自動化,2012(11):67-69.

[3] 靳躍中.東龐礦6 kV總配電所光纖縱差保護改造[J].河北煤炭，2011(1):46-47.

[4] 胡 峰.光纖電流縱差保護在220 kV輸電線路應(yīng)用研究[D].廣州：華南理工大學，2012.

[5] 陳昌黎,楊 斌.GPS技術(shù)在光纖差動保護調(diào)試中的應(yīng)用[J].湖北電力，2010,34(3):16-17.

Application of Intelligent Current Protection of Zero Time Limit in Override Trip Prevention for Coal Mine

XING Yanwei

The development of the power supply network of large scale modernized coal mine is different. There are many stages in the underground power supply system, and the equipments are concentrated. The sensitivity of the equipment from different manufacturers are different. When the short circuit occurs, the higher level protection leapfrog action occurs frequently, even resulting large scale power failure. To solve the problem, proposes the program based on optical fiber differential protection technology, through the MPR304S mine integrated protection devices and KHL127 mine flameproof current protection controller with intelligent zero time current protection technology to achieve anti leapfrog Tripping. The test results show that the system can solve the problem of coal mine over tripping.

Underground power supply network; Override trip; Intelligent current protection of zero time limit; Fibre communication

2016-08-14

邢彥偉(1975—)，男，山西原平人，2013年畢業(yè)于山東交通學院，工程師，主要從事選煤廠機電管理工作

(E-mail)13734008486@163.com

TD611

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1672-0652(2016)09-0031-05