孫健，張志強（中煤平朔集團井工一礦，山西 朔州 036006）

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中煤平朔井工一煤礦防越級跳閘系統(tǒng)應(yīng)用探討

孫健，張志強
（中煤平朔集團井工一礦，山西 朔州 036006）

目前井工煤礦的防越級跳閘方案較多，每種方案都有自己的技術(shù)特點，對這些方案的原理進行分析對比后，根據(jù)煤礦自身的實際條件選擇合適的防越級跳閘方案很有必要。

職能定位；速斷保護；狀態(tài)監(jiān)測

0 引言

井工煤礦井下工作環(huán)境惡劣，單相接地（漏電）故障無選擇性跳閘成為煤礦供電的普遍現(xiàn)象，嚴重威脅供電安全，礦井高壓電網(wǎng)85%以上的故障均為單相接地（漏電）故障或接地（漏電）故障引發(fā)的短路故障、過電壓故障。依靠傳統(tǒng)的過流繼電保護很難解決越級跳電問題，因此針對礦井短路越級與漏電無選擇性跳閘關(guān)鍵技術(shù)進行研究，真正解決煤礦供電難題，提高煤礦供電可靠性具有重要意義。

1 防越級跳閘方案比較

目前解決越級跳閘方法主要包括以下幾種：空節(jié)點閉鎖方法、通訊閉鎖方法、光纖縱差方法、集成保護方法以及智能定位法。（如表1所示）

1.1 空節(jié)點閉鎖法

空節(jié)點閉鎖法是利用下級保護的速斷跳閘空節(jié)點利用電纜（或光纜）接入上級保護，上級保護跳閘前檢測是否有下級閉鎖信號避免誤動作。這種方法是理論上最簡單最直接的方案，但也是效果最不好、問題最多的方法。其主要不足：需要增加額外的電纜、光纜和閉鎖輔助分站、由于是弱信號極易受干擾造成誤閉鎖、由于某種原因閉鎖信號電纜斷開不能預(yù)警造成漏閉鎖、信號動作和接收消抖造成延時很長等等。目前，行業(yè)新的設(shè)計中已經(jīng)沒有廠家采用此方案，采用此方案的均是一些老產(chǎn)品。

1.2 通訊閉鎖法

通訊閉鎖法就是利用通訊的方式把下級保護速斷信號傳遞給上級，上級跳閘前監(jiān)測此信號，與節(jié)點閉鎖法的唯一區(qū)別是信號傳輸采用了通訊的方式。基于通訊的快速性要求一般有兩種方法即現(xiàn)場總線法和光纜通訊法，而且此通訊通道一般獨立于日常的電力監(jiān)控，即在原來的電力監(jiān)控基礎(chǔ)上增加現(xiàn)場總線或光纜傳輸通道實現(xiàn)防越級跳閘信號的傳遞。此方法的不足：必須增加獨立設(shè)備和通訊通道、只能實現(xiàn)單純的短路故障防越級、防越級閉鎖信號采用私有協(xié)議不能與其它廠家兼容等。

1.3 光纖縱差法

光纖縱差法即利用KCL原理，將地面的線路光纖縱差移到井下的聯(lián)絡(luò)線路，不再采用速斷保護，進而避免越級跳閘。此方法的缺點：需要在變電所間建設(shè)獨立的光纜傳輸通道、光纖縱差保護裝置原理復(fù)雜并且維護復(fù)雜、變電所母線故障不能實現(xiàn)防越級跳閘、只能實現(xiàn)線路短路故障防越級。這種方法一度流行也有一定代表性，但也飽受詬病。

1.4 集成保護法

這種方法也源于智能變電站的技術(shù)，把全礦井所有高爆的信號通過光纜傳遞到地面保護主機，由此集中的保護主機完成故障判斷識別故障區(qū)域進而避免越級跳閘。這種方法理論上很好，與常規(guī)配網(wǎng)自動化的故障隔離技術(shù)也有一定相似性，但問題在于施工極其復(fù)雜需要敷設(shè)大量光纜從井下變電所到地面、地面的集中型保護裝置維護極其復(fù)雜、供電系統(tǒng)有變動時集中保護需要修改算法而這只能依靠廠家完成等等。所以此種方法只有極少數(shù)廠家采用，推廣難度極大。

1.5 智能定位法

即KJ698的方法，它是基于智能配網(wǎng)的快速FA技術(shù)，復(fù)用電力監(jiān)控的以太網(wǎng)通道、利用IEC61850的GOOSE通訊技術(shù)使全礦井保護器建立橫向通訊，使保護、故障診斷等不再僅僅基于本保護器的電流電壓信息，其動作依據(jù)更多，更好的利用了大數(shù)據(jù)技術(shù)，而不需要增加其它任何附加成本，且可靠性有極大的保障，未來又具有擴展性，可以與其它廠家設(shè)備互操作，是個透明系統(tǒng)。其所有的保護器均為以太網(wǎng)通訊。

另外，如果不更換地面保護而且使故障不越級到地面變電所的方法：確保地面保護定值足夠大不覆蓋到井下變電所的出線（單靠定值較難，可以采用光纖差動設(shè)備）、速斷保護增加延時200~300 ms，確保井下開關(guān)能切斷故障時為其留有足夠時間。這是個理論問題，無論何種防越級方案均不可避免，而且此延時時間為最短方案，再縮短將對開關(guān)設(shè)備提出更高的要求。

2 防越級跳閘系統(tǒng)

平朔井工一礦結(jié)合礦井供電運行狀況采用了智能定位法防越級跳閘系統(tǒng)，利用IEC61850的GOOSE通信技術(shù)，當故障發(fā)生后，采取下級閉鎖上級的閉鎖模式，實現(xiàn)保護的縱向選擇性。

如圖1所示，各個保護器按照供電走向劃分為不同的層級，當故障發(fā)生時，保護裝置啟動的同時向上級裝置發(fā)出閉鎖信號，同時檢測下級是否有閉鎖信息發(fā)出；裝置檢測到下級裝置的閉鎖信息則閉鎖保護出口，否則經(jīng)過短延時后跳閘。如果上級裝置經(jīng)過一定時間后仍然檢測到故障存在，則后備保護動作。

表1 四種保護方式的優(yōu)缺點對比

圖1 故障保護分段示意圖

保護裝置的速斷保護及過流保護定值保持原系統(tǒng)定值不變，或者在不影響正常工作的情況下將保護定值進行優(yōu)化。當故障發(fā)生時，所有檢測到故障的裝置通過以太網(wǎng)絡(luò)以GOOSE報文的方式發(fā)送保護閉鎖報文。接收閉鎖報文確認時間不大于50 ms。保護裝置在保護啟動的前提下，如果收到任何低層級裝置的保護閉鎖信號，將進入保護閉鎖狀態(tài)，總的保護延時閉鎖時間不大于50 ms（從保護啟動算起）。故 障處理流程圖如圖2。

3 通信系統(tǒng)

該系統(tǒng)通信方案采用光纖以太網(wǎng)通信方式，每個變電所配置一臺光纖以太網(wǎng)交換機，通過光纖所有交換機連接，通信結(jié)構(gòu)圖如圖3。

各個變電所的光纖以太網(wǎng)交換機的電源取自變壓器的低壓側(cè)，可選127 V電源等級。

4 電力監(jiān)控

煤礦電力監(jiān)控系統(tǒng)在實現(xiàn)提高供電可靠性的同時，在實現(xiàn)“四遙”電力監(jiān)控的基礎(chǔ)上，結(jié)合煤礦井下供電系統(tǒng)的實際情況增加一定的實用化功能，使該系統(tǒng)更完整的反應(yīng)煤礦井下供電系統(tǒng)的運行狀況，簡化管理，優(yōu)化運行。

4.1 保護功能

礦用保護智能測控裝置，能完整實現(xiàn)對井下電纜、變壓器等設(shè)備的保護功能，保護類型包括電流保護、電壓保護、漏電保護等。

圖2 故障處理流程圖

圖3 通信結(jié)構(gòu)圖

4.2 “四遙”功能

井下供電系統(tǒng)各高壓供電點運行模擬量、狀態(tài)量實時上傳；地面集中監(jiān)控中心遠程操作分合隔爆開關(guān)及保護裝置的定值修改。

4.3 二次設(shè)備的狀態(tài)監(jiān)測與管理功能

二次設(shè)備完善的自檢、交叉互檢、網(wǎng)絡(luò)探測等實現(xiàn)了自動化系統(tǒng)的實時在線監(jiān)測。

4.4 強大的故障錄波功能

系統(tǒng)各保護設(shè)備均支持強大的故障錄波功能，錄波數(shù)據(jù)可以上傳到監(jiān)控中心，輔助運行人員快速判斷故障類型和故障位置。

4.5 在線仿真

系統(tǒng)支持運行中或系統(tǒng)變更后的在線仿真功能，能模擬系統(tǒng)各個點故障，檢查系統(tǒng)中各保護設(shè)備的動作行為，進而檢查系統(tǒng)參數(shù)配置的合理性。

4.6 面向系統(tǒng)的智能故障、告警

每次故障或告警，系統(tǒng)均能自動生成故障記錄，故障記錄包括故障時流過故障電流的各保護設(shè)備的動作情況、故障跳開支路的動作時間、電流大小及錄波波形等。該功能可以使運行人員對每次故障及保護系統(tǒng)的反應(yīng)情況進行綜合的了解，進而解決潛在的整定或運行問題。

防越級跳閘系統(tǒng)能減少煤礦供電系統(tǒng)的越級跳電次數(shù)，提高供電系統(tǒng)的安全性，但每一種系統(tǒng)在原理和應(yīng)用上都存在一定的缺陷，如何把系統(tǒng)的功能最優(yōu)化發(fā)揮，揚長避短才是我們用戶應(yīng)該長期堅守的原則。

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