陳　然

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煤礦采區(qū)變電所光纖縱差保護(hù)研究及實(shí)踐

陳然

摘要本文介紹了同煤集團(tuán)挖金灣礦井供電系統(tǒng)采用差動(dòng)技術(shù)原理，實(shí)施了光纖縱差保護(hù)監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)，重點(diǎn)防止短路越級(jí)跳閘問(wèn)題；敘述了差動(dòng)技術(shù)原理、現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施內(nèi)容、調(diào)試方法和試驗(yàn)效果；對(duì)實(shí)施內(nèi)容進(jìn)行了針對(duì)性分析和選擇性研究，提出了煤礦采區(qū)變電所采用光纖縱差保護(hù)技術(shù)防止越級(jí)跳閘是有效的觀點(diǎn)。

關(guān)鍵詞煤礦；供電；光纖；縱差保護(hù)

0　引言

煤礦井下電網(wǎng)供電距離長(zhǎng)、供電級(jí)數(shù)多，采用電纜供電方式，電纜線路單位電阻、電感比較小，特別是煤礦采區(qū)變電所至上級(jí)中央變電所或至下級(jí)綜采工作面的供電容量大線路短，導(dǎo)致電纜線路首末端短路時(shí)，短路電流相差不大，單靠傳統(tǒng)的過(guò)流定值加時(shí)間延時(shí)級(jí)差的方法無(wú)法區(qū)分是下級(jí)變電所的下級(jí)電纜短路還是本變電所的電纜短路，使短路、過(guò)流保護(hù)無(wú)法進(jìn)行配合，不可避免的造成越級(jí)跳閘情況的發(fā)生，從而擴(kuò)大了井下停電范圍，對(duì)礦井的安全、連續(xù)生產(chǎn)造成了嚴(yán)重的影響甚至是威脅[1]。如同煤集團(tuán)挖金灣煤礦井下電網(wǎng)電壓等級(jí)為6 kV系統(tǒng)，從中央變電所到供采煤工作面的采區(qū)變電所的電纜長(zhǎng)度約7 300余m，供電級(jí)數(shù)多，沿途經(jīng)過(guò)5個(gè)采區(qū)變電所，采用過(guò)流定值加時(shí)間延時(shí)級(jí)差的整定方法，常造成越級(jí)跳閘情況的發(fā)生。為了消除煤礦井下的越級(jí)跳閘現(xiàn)象，本文對(duì)煤礦采區(qū)變電所的供電系統(tǒng)實(shí)施了光纖縱差保護(hù)配置研究及實(shí)踐。

1　現(xiàn)狀技術(shù)與分析

目前地面電力系統(tǒng)短線路保護(hù)通常采用短線路差動(dòng)保護(hù)、高頻差動(dòng)保護(hù)技術(shù)，實(shí)踐表明可以可靠地避免越級(jí)跳閘發(fā)生，也是最為有效的方法。差動(dòng)保護(hù)是根據(jù)“電路中流入節(jié)點(diǎn)電流的總和等于零”原理制成的。它把被保護(hù)的電氣設(shè)備看成是一個(gè)接點(diǎn)，正常時(shí)流進(jìn)被保護(hù)設(shè)備的電流和流出的電流相等，差動(dòng)電流等于零。當(dāng)設(shè)備出線故障時(shí)，流進(jìn)被保護(hù)設(shè)備的電流和流出的電流不相等，差動(dòng)電流大于零。當(dāng)差動(dòng)電流大于差動(dòng)保護(hù)裝置的整定值時(shí)，保護(hù)動(dòng)作，將被保護(hù)設(shè)備的各側(cè)斷路器跳開(kāi)，使故障設(shè)備斷開(kāi)電源。但電流差動(dòng)保護(hù)只適用于少數(shù)節(jié)點(diǎn)差動(dòng)，無(wú)法解決煤礦井下變電所多出線與多進(jìn)線間的保護(hù)配合問(wèn)題，多層級(jí)差動(dòng)復(fù)雜性和成本也過(guò)高[2]。

煤礦井下原有的繼電保護(hù)系統(tǒng)多采用定值+延時(shí)級(jí)差的配合方式來(lái)保證保護(hù)動(dòng)作的選擇性。但隨著煤礦大型大容量綜采設(shè)備越來(lái)越廣泛的使用，短路電流越來(lái)越大，再加上老礦井供電設(shè)備逐年投入，年久設(shè)備保護(hù)裝置精度下降，已經(jīng)無(wú)法滿(mǎn)足礦井安全供電生產(chǎn)和保護(hù)動(dòng)作選擇性的要求。

為了消除煤礦井下的越級(jí)跳閘現(xiàn)象，采用先進(jìn)的光纖縱差保護(hù)，吸取地面線路、變壓器差動(dòng)保護(hù)成熟、可靠的理論，結(jié)合煤礦電網(wǎng)的實(shí)際供電特點(diǎn)。將原來(lái)單端電氣量故障判斷方式設(shè)計(jì)為雙端電氣量故障判斷模式，通過(guò)光纖網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，從而有選擇性的判斷故障區(qū)間，有選擇性的切除故障，以達(dá)到避免井下一點(diǎn)故障、多點(diǎn)跳閘的大范圍停電事故的發(fā)生。目前在供電、配電線路保護(hù)應(yīng)用中，較為先進(jìn)的保護(hù)方式是光纖縱差保護(hù)。光纖傳輸不受井下強(qiáng)電磁波干擾，通信誤碼率低，運(yùn)行穩(wěn)定，在安全性和可靠性方面有顯著的優(yōu)勢(shì)；光纖頻帶寬、容量大，保證了監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)傳輸通道暢通無(wú)阻。

2　技術(shù)原理

基于分布式智能速斷保護(hù)原理的光纖級(jí)聯(lián)縱差保護(hù)，采用了分層、分散式的保護(hù)動(dòng)作方式，利用了網(wǎng)絡(luò)化拓?fù)渌惴ê烷_(kāi)關(guān)間自主交換故障信息進(jìn)行協(xié)商的形式，自主判斷故障區(qū)段，實(shí)現(xiàn)全網(wǎng)零秒速斷，以達(dá)到防越級(jí)跳閘的目的。系統(tǒng)主要由光纖數(shù)字縱聯(lián)差動(dòng)裝置、帶有光纖引入功能的高壓真空配電裝置兩部分構(gòu)成。光纖數(shù)字縱聯(lián)差動(dòng)裝置分散安裝于井下高壓真空配電裝置內(nèi)部，做為故障檢測(cè)和動(dòng)作裝置，通過(guò)采用分布式智能速斷原理，能夠可靠實(shí)現(xiàn)相間故障和母線故障的準(zhǔn)確判斷和故障隔離。

設(shè)計(jì)采用2 400 HZ的高速采樣和傅里葉算法，快速計(jì)算出故障電流，并作為差動(dòng)動(dòng)作激勵(lì)量來(lái)實(shí)現(xiàn)線路差動(dòng)保護(hù)。傅里葉算法將電流等頻域信號(hào)轉(zhuǎn)換成時(shí)域信號(hào)，實(shí)現(xiàn)正弦波和余弦波的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，快速提取縱差保護(hù)需要的數(shù)據(jù)信息，從而為縱差保護(hù)的快速分析和判斷提供數(shù)據(jù)。同煤集團(tuán)挖金灣煤礦井下電網(wǎng)縱差保護(hù)判斷邏輯原理見(jiàn)圖1。

圖1挖金灣礦井下電網(wǎng)縱差保護(hù)原理

由地面6 kV變電所向付井底變電所供電，然后再由付井底變電所向某采區(qū)變電所的315 kVA變壓器供電。地面變電所到付井底變電所和付井底變電所到采區(qū)變電所的線路為聯(lián)絡(luò)線。途中11KC、11C等開(kāi)關(guān)為聯(lián)絡(luò)開(kāi)關(guān)，均配置差動(dòng)保護(hù)，其他開(kāi)關(guān)不配置差動(dòng)保護(hù)。地面6 kV變電所至付井底變電所段發(fā)生短路，11KC開(kāi)關(guān)保護(hù)感受到了短路電流，而11C開(kāi)關(guān)保護(hù)處無(wú)短路電流，兩開(kāi)關(guān)處的電流差是短路電流，這時(shí)，兩開(kāi)關(guān)中的差動(dòng)保護(hù)均動(dòng)作，跳開(kāi)地面6 kV變電所至付井底變電所兩端的開(kāi)關(guān)。付井變電所至采區(qū)變電所段發(fā)生短路，11KC、11C兩開(kāi)關(guān)保護(hù)均感受到了短路電流，G-05開(kāi)關(guān)的11C開(kāi)關(guān)保護(hù)處無(wú)短路電流。這樣，11KC、11C兩開(kāi)關(guān)的差電流為零，差動(dòng)保護(hù)不動(dòng)作。11C與G-05開(kāi)關(guān)的11C開(kāi)關(guān)處的電流差是短路電流，這時(shí)，兩開(kāi)關(guān)中的差動(dòng)保護(hù)均動(dòng)作，跳開(kāi)付井底變電所至某采區(qū)變電所兩端的開(kāi)關(guān)。

3　光纖縱差保護(hù)實(shí)驗(yàn)

3.1實(shí)驗(yàn)方法

采用變壓器空載合閘模擬產(chǎn)生短路電流，見(jiàn)圖1所示。變壓器空載合閘時(shí)電流為100 A左右。實(shí)驗(yàn)時(shí)通過(guò)設(shè)備數(shù)據(jù)監(jiān)控工具查看地面、井下的轉(zhuǎn)發(fā)器發(fā)送的報(bào)文。實(shí)驗(yàn)前，工作人員已將付井底變電所其他開(kāi)關(guān)分閘。

3.2模擬區(qū)外故障（G-05開(kāi)關(guān)饋出線短路）

將G-05開(kāi)關(guān)保護(hù)器的短路定值調(diào)整為空載合閘變壓器時(shí)的40%，即1 A。合上G-05開(kāi)關(guān)，7325、G-01開(kāi)關(guān)閉鎖縱差保護(hù)，G-05開(kāi)關(guān)短路保護(hù)動(dòng)作，動(dòng)作值2.98 A，G-05開(kāi)關(guān)保護(hù)跳閘，切除故障，此實(shí)驗(yàn)共計(jì)3次，每次均為G-05開(kāi)關(guān)短路保護(hù)動(dòng)作，切除故障。

實(shí)驗(yàn)結(jié)論：在區(qū)外故障時(shí)，如果出線保護(hù)正確動(dòng)作，縱差保護(hù)不啟動(dòng)，均可靠閉鎖。

3.3模擬區(qū)外故障（G-05開(kāi)關(guān)拒動(dòng)或母線短路）

將G-05開(kāi)關(guān)保護(hù)器的短路定值恢復(fù)為正常值15 A，合上G-05開(kāi)關(guān)，7325、G-01開(kāi)關(guān)閉鎖縱差保護(hù)，G-01開(kāi)關(guān)智能后備過(guò)流保護(hù)動(dòng)作，過(guò)流值0.54 A，G-01開(kāi)關(guān)保護(hù)跳閘，切除故障。此實(shí)驗(yàn)共計(jì)3次，每次均為G-01開(kāi)關(guān)智能后備過(guò)流保護(hù)動(dòng)作，切除故障。

實(shí)驗(yàn)結(jié)論：在區(qū)外故障時(shí)，如果出線保護(hù)正確動(dòng)作，但開(kāi)關(guān)拒分，由最靠近故障點(diǎn)的縱差保護(hù)智能后備保護(hù)動(dòng)作，切除故障。

3.4模擬區(qū)內(nèi)故障（7325開(kāi)關(guān)和G-01開(kāi)關(guān)之間的電纜短路）

合上G-05開(kāi)關(guān)，地面6 kV變電所7325開(kāi)關(guān)級(jí)聯(lián)縱差動(dòng)作，動(dòng)作值1.99 A，7325開(kāi)關(guān)保護(hù)跳閘分開(kāi)，同時(shí)7325開(kāi)關(guān)發(fā)出聯(lián)跳指令，G-01開(kāi)關(guān)差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作，切除故障，隔離故障區(qū)間；該實(shí)驗(yàn)3次，均為7325開(kāi)關(guān)、G-01開(kāi)關(guān)縱差保護(hù)動(dòng)作，切除故障。

實(shí)驗(yàn)結(jié)論：在區(qū)內(nèi)故障時(shí)，靠近故障點(diǎn)的上下級(jí)開(kāi)關(guān)均正確動(dòng)作，切除故障，隔離故障區(qū)間，防止了故障范圍的擴(kuò)大。

4　結(jié)論

通過(guò)模擬不同的故障類(lèi)型故障，保護(hù)器均能夠正確動(dòng)作，無(wú)論是負(fù)載端短路還是線路中間短路，在短路電流大于一條回路上的所有開(kāi)關(guān)速斷定值時(shí)，防越級(jí)系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)只有離故障點(diǎn)最近的開(kāi)關(guān)動(dòng)作，保證上級(jí)開(kāi)關(guān)不發(fā)生越級(jí)跳閘；在開(kāi)關(guān)動(dòng)作機(jī)構(gòu)存在故障發(fā)生拒動(dòng)時(shí)，各級(jí)保護(hù)能夠根據(jù)離故障點(diǎn)的位置采取不同的后備保護(hù)方式逐級(jí)延時(shí)保護(hù)動(dòng)作直至切斷故障，有效減小故障停電區(qū)域；故障分析報(bào)告使供電管理人員可以快速的定位故障區(qū)域，確保非故障區(qū)域的供電系統(tǒng)正常運(yùn)行。系統(tǒng)2013年3月安裝完成后便投入試運(yùn)行，到目前為止，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠。煤礦采區(qū)變電所采用光纖縱差保護(hù)技術(shù)防止越級(jí)跳閘是有效的。

參考文獻(xiàn)

[1]盧喜山，張祖濤，李衛(wèi)濤.煤礦供電系統(tǒng)基于縱聯(lián)差動(dòng)保護(hù)原理的防越級(jí)跳閘技術(shù)研究[J].煤礦機(jī)械，2011，32（4）:71-73.

[2]張兆云，劉宏君，張潤(rùn)超.數(shù)字化變電站與傳統(tǒng)變電站間光纖縱差保護(hù)研究[D].電力系統(tǒng)保護(hù)與控制，2010，38（3）:58-60.

陳然，1977年2月出生，男，山西省大同市人?，F(xiàn)在同煤集團(tuán)機(jī)電管理處電氣科主要從事煤礦機(jī)電技術(shù)工作，工程師。

Research and Practice of Fiber Differential Protection of Mining Area Substation of Mine

Chen Ran

Abstract：This paper introduces power supply system which uses the principle of differential technology in Wajin?wan Mine of Datong Coal Mine Group，fiber differential protection monitoring system is implemented，it is the key to pre?vent the problem of override trip caused by short circuit. The principle of differential technology，field implement content，debugging method and test effect are introduced. The field implement content is carried on the targeted analysis and se?lective study，the effective viewpoint that the mining area substation of mine uses fiber differential protection technology to prevent override trip is put forward.

Keywords:coal mine；power supply；optical fiber；differential protection

收稿日期：2015-10-12

作者簡(jiǎn)介

中圖分類(lèi)號(hào)TD611+.5

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼B

文章編號(hào)1000-4866（2016）02-0023-03