王曉磊，魏 紅

(1.山西省同煤集團機電管理處， 山西 大同市 037003；2.山西省同煤集團馬脊梁礦， 山西 大同市 037027)

煤礦安全生產(chǎn)技術(shù)一直受到廣泛的關(guān)注，與煤礦瓦斯治理技術(shù)的發(fā)展相比，井下安全供電技術(shù)已明顯滯后，供電故障造成的瓦斯超限事故對礦井安全構(gòu)成了嚴重威脅，輕則生產(chǎn)中斷，重則發(fā)生人員傷亡事故。

煤礦供電系統(tǒng)普遍存在級聯(lián)層次深、供電半徑短、電纜線路多、定值配合難等特點，這就直接誘發(fā)了越級跳閘故障。這種情況下首末端故障電流難以區(qū)分保護范圍，短路保護配合延時無法整定，導(dǎo)致保護沒有選擇性。系統(tǒng)末端產(chǎn)生的短路電流，可造成上下多級開關(guān)保護同時動作，使故障范圍擴大，造成不必要的停電[1]。停電范圍的擴大又導(dǎo)致故障排查工作量加大，使故障停電時間延長，嚴重威脅礦井安全。因此，研究煤礦供電的防越級跳閘系統(tǒng)迫在眉睫。對此，本文提出采用區(qū)域保護技術(shù)，并基于此開發(fā)出區(qū)域保護裝置，解決僅依據(jù)故障電流無法區(qū)分保護范圍、上下級時限配合等難題，從而消除越級跳閘現(xiàn)象。

1 區(qū)域保護原理

區(qū)域保護的原理是讓各級保護之間通過信號傳輸進行聯(lián)系[2]。無論系統(tǒng)中哪一級保護發(fā)生短路時，都會立即向上一級發(fā)送信號，將其閉鎖；如果斷路器發(fā)生故障時，上級保護立即做出反應(yīng)，從而使母線達到快速跳閘的目的。這樣就可以把短路故障最終確定在較小的區(qū)域內(nèi)。

傳統(tǒng)的“點保護”之間是靠短路電流和時間級差配合，僅根據(jù)自身信息對發(fā)生的故障進行判斷，而“區(qū)域保護”之間是靠通訊配合，根據(jù)區(qū)域內(nèi)所有相關(guān)信息對故障進行綜合判斷[3]，更適用于供電半徑短、電纜線路多的煤礦供電系統(tǒng)。

當(dāng)某一出線產(chǎn)生短路電流時，故障線路和其相應(yīng)進線的繼電保護電流元件啟動，出線保護發(fā)出閉鎖信號，進線保護收到信號后將跳閘出口關(guān)閉，出線保護發(fā)出跳閘信號，斷路器斷開，出線開關(guān)跳閘[4]；隨后，出線保護識別到故障電流消失，將閉鎖信號撤回，進線保護的跳閘功能隨即恢復(fù)，實現(xiàn)故障排除；如果出線開關(guān)不動作，故障電流仍然存在，出線保護延時100 ms確認斷路器不起作用后撤除閉鎖信號，進線保護出口恢復(fù)，斷路器跳開，達到失靈保護的目的；如果母線發(fā)生短路，出線沒有故障電流，進線斷路器跳開，實現(xiàn)故障排除[5]。

以1#、2#開閉所聯(lián)絡(luò)線為例，說明區(qū)域保護工作原理(見圖1)。

系統(tǒng)正常運作期間，各級開關(guān)均閉合，限時過流保護時間整定為100 ms，假設(shè)t=0時，出線側(cè)發(fā)生短路故障；t=20 ms時，CB4開關(guān)保護識別出短路電流，隨即發(fā)出信號將上級開關(guān)CB3閉鎖，通訊延時和程序延時總和不超過80 ms，同樣，CB3閉鎖CB2，CB2閉鎖CB1；t=100 ms時，未閉鎖的CB4出口斷開，開關(guān)動作時間不超過100 ms；t=200 ms時， CB4開關(guān)處于跳閘狀態(tài)，短路電流消失，隨即發(fā)出信號將上級開關(guān)CB3閉鎖解除，同樣，CB3將CB2閉鎖解除，CB2將CB1閉鎖解除。

2 區(qū)域保護裝置

區(qū)域保護裝置如圖2所示，DSP插件的作用是采集和處理本地開入信號，通過光網(wǎng)絡(luò)進行信號交換，依據(jù)收到的信號指令來決定本機的輸出動作，是該裝置的重要組成部分。

圖1 區(qū)域保護工作原理

圖2 區(qū)域保護裝置

DSP插件上包括14路開關(guān)量輸入回路，2路脈沖量輸入回路和通訊接口。開關(guān)量輸入為220 V或110 V或24 V直流電，端子n215為開入公共端，與開入電源的負端相連，其中端子n201～n205安裝有兩級光隔，能夠直接使得繼電器動作，端子n206～n214安裝有一級光隔，與DSP總線相連。端子n218為脈沖量公共端，2路脈沖量可以采集有功和無功功率。

3 區(qū)域保護通信裝置

變電站之間的區(qū)域保護信號傳遞是通過區(qū)域保護通信裝置來實現(xiàn)的，通信裝置原理如圖3所示。區(qū)域保護通信裝置的2路開入在邏輯上是相或關(guān)系，也就是說無論哪個開入發(fā)出閉鎖信號都是有效的；另外，該裝置的2路開出在數(shù)據(jù)校驗和地址匹配無誤的情況下，只要收到閉鎖信號，就可以將其傳送到遠端目標(biāo)裝置的出口。

本裝置最多可以容納16個設(shè)備串聯(lián)在同一組網(wǎng)上，通過單環(huán)光纖網(wǎng)絡(luò)進行信息交換，并且能夠在不影響通訊性能的前提下設(shè)置多個上級，組網(wǎng)如圖4所示。4臺設(shè)備A、B、C、D可以分別設(shè)置本機地址和目標(biāo)地址，構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)上的上下級關(guān)系，例如： A的目標(biāo)地址設(shè)置為 B的本機地址，而 B的目標(biāo)地址設(shè)置為 C的本機地址， C的目標(biāo)地址設(shè)置為 D的本機地址， D的目標(biāo)地址與 A、B、 C、 D的本機地址都不同。這樣就可以實現(xiàn)A向B發(fā)送閉鎖信號，B向C發(fā)送閉鎖信號，C向D發(fā)送閉鎖信號，D為網(wǎng)絡(luò)的最高級設(shè)備，A為網(wǎng)絡(luò)的最低級設(shè)備。

圖3 區(qū)域保護通信裝置

圖4 區(qū)域保護通訊模塊組網(wǎng)

4 結(jié) 語

煤礦供電系統(tǒng)短路一般發(fā)生在末端，安裝區(qū)域保護裝置后，能夠有效消除越級跳閘現(xiàn)象，停電時間由每次2 h縮短至每次5 min。按年產(chǎn)量200萬t中等規(guī)模礦井計算，平均每年因故障停電8次，產(chǎn)量減少3653 t。按每噸500元計算，則每年可為企業(yè)減少183萬元的經(jīng)濟損失。在實際應(yīng)用中，區(qū)域保護技術(shù)能夠準確識別故障段，消除長期困擾煤礦的越級跳閘問題，大幅提高了煤礦供電可靠性，具有良好的經(jīng)濟和社會效益。

參考文獻：

[1]喬記陽.基于CAN總線的煤礦井下防越級跳閘系統(tǒng)的研究[D].焦作：河南理工大學(xué),2010.

[2]王相君.煤礦電網(wǎng)分布式區(qū)域保護的應(yīng)用[J].同煤科技,2014(3):22-24.

[3]劉華峰.基于區(qū)域保護技術(shù)的井下防越級跳閘方案[J].能源與節(jié)能,2015(10):157-158.

[4]王長春.500 kV主變壓器繼電保護若干問題研究[D].北京：華北電力大學(xué),2009.

[5]西安供電局.一種開閉所分布式站域保護方法：中國專利，2010102225622[P].2010-11-24.