王 志

(晉能控股裝備制造集團(tuán) 天晟電氣有限公司，山西 大同 037305)

煤礦井下環(huán)境復(fù)雜，設(shè)備的使用場(chǎng)所和運(yùn)行工況惡劣，設(shè)備因特殊工況非正常運(yùn)行，電纜受外力破壞、受潮、腐蝕，過載、短路、漏電、電壓大幅波動(dòng)等導(dǎo)致的跳閘事故時(shí)有發(fā)生。由于煤礦井下多級(jí)供電系統(tǒng)各級(jí)間距離近、電纜容量大，很容易造成井下供電系統(tǒng)的越級(jí)跳閘，有時(shí)甚至造成地面變電站開關(guān)跳閘，造成全礦井停電。為解決這些問題，國(guó)內(nèi)的礦用高、低壓開關(guān)生產(chǎn)廠家提出了各種解決方案，設(shè)計(jì)了各不相同的防越級(jí)高低開關(guān)綜合保護(hù)單元，以及根據(jù)解決方案實(shí)現(xiàn)原理新增的分站設(shè)備、配套模塊和通信設(shè)備。這些解決方案的應(yīng)用在一定程度上降低了煤礦井下供電系統(tǒng)越級(jí)跳閘的頻率，但也帶來了許多新的問題。由于實(shí)現(xiàn)原理不同，需要統(tǒng)一系統(tǒng)中全部高低壓開關(guān)的保護(hù)，部分方案需要新增電力監(jiān)控分站及通信設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)，增加了成本，給供電系統(tǒng)改造、運(yùn)行維護(hù)帶來不便[1-3]。

通過探尋越級(jí)跳閘的本質(zhì)原因，綜合考慮用戶的現(xiàn)場(chǎng)條件，采取科學(xué)合理的技術(shù)手段，全面考慮通信、高低壓電氣設(shè)備的國(guó)家、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)以及智慧礦山的新要求，提出一種基于保護(hù)單元的去中心化防越級(jí)跳閘解決方案。

1 當(dāng)前解決方法及優(yōu)缺點(diǎn)分析

1.1 方 法

1) 系統(tǒng)式防越級(jí)方案。微機(jī)保護(hù)裝置將故障信息通過變電所內(nèi)的以太網(wǎng)傳輸分站傳輸?shù)诫娏ΡO(jiān)控后臺(tái)，由監(jiān)控平臺(tái)收集和判斷出離故障點(diǎn)最近的開關(guān)并給該開關(guān)發(fā)送跳閘指令。接到指令的開關(guān)跳閘，系統(tǒng)中的其他開關(guān)閉鎖。

2) 數(shù)字化站防越級(jí)方案。以全網(wǎng)數(shù)據(jù)共享為基礎(chǔ)，高壓開關(guān)中沒有微機(jī)保護(hù)裝置，而是數(shù)據(jù)匯聚單元，具備千兆光纖數(shù)字通信接口，將開關(guān)的數(shù)據(jù)信息傳輸至數(shù)字變電站后臺(tái)的控制單元。由控制單元完成全礦井高壓開關(guān)的信息分析和仲裁，發(fā)出動(dòng)作指令。

3) 級(jí)聯(lián)縱差防越級(jí)方案。線路中的上級(jí)變電所的分開關(guān)和下級(jí)變電所的總開關(guān)形成通訊聯(lián)絡(luò)，電流差為0時(shí)相互閉鎖不動(dòng)，電流差非0且幅值滿足動(dòng)作值時(shí)瞬動(dòng)。開關(guān)拒動(dòng)時(shí)，線路中的所有開關(guān)按設(shè)定的后備過流保護(hù)動(dòng)作時(shí)間動(dòng)作，或按定時(shí)限動(dòng)作。

1.2 優(yōu)缺點(diǎn)分析

1) 解決問題的完整性：系統(tǒng)方式、數(shù)字化站方式、廣播閉鎖方式問題解決完整。級(jí)聯(lián)縱差的方式不完整，有盲區(qū)，并且在開關(guān)拒動(dòng)或動(dòng)作時(shí)間超時(shí)時(shí)，各級(jí)開關(guān)還會(huì)出現(xiàn)越級(jí)跳閘或跳閘時(shí)間過長(zhǎng)。

2) 解決問題的風(fēng)險(xiǎn)性：防越級(jí)跳閘的目的是減少事故影響范圍，系統(tǒng)方式、數(shù)字化站方式為集中分析和決策，一旦系統(tǒng)后臺(tái)或主通訊線路出現(xiàn)問題將直接導(dǎo)致全網(wǎng)癱瘓。

3) 解決問題的經(jīng)濟(jì)性：級(jí)聯(lián)縱差方式只需要增加通訊轉(zhuǎn)發(fā)器，經(jīng)濟(jì)性較好；系統(tǒng)方式和數(shù)據(jù)化站方式需要建立完整的電力監(jiān)控系統(tǒng)平臺(tái)，交換機(jī)、服務(wù)器、環(huán)網(wǎng)、后臺(tái)一樣不能少，經(jīng)濟(jì)投入較高。

2 事故原因、檢測(cè)方法及國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)

2.1 過載、短路

短路、過載發(fā)生時(shí)，故障回路的各級(jí)開關(guān)幾乎同時(shí)檢測(cè)到幾乎相同的電流。

每臺(tái)開關(guān)的短路和過載保護(hù)是通過檢測(cè)、放大比對(duì)、執(zhí)行元件來實(shí)現(xiàn)的，涉及到電流互感器、保護(hù)放大比對(duì)電路、中間繼電器和斷路器等硬件，完成整個(gè)過程用時(shí)50～80 ms。開關(guān)保護(hù)的動(dòng)作時(shí)間執(zhí)行MT111-2011和GB 14808-2016兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)以及開關(guān)的額定電流整定，只要滿足開關(guān)保護(hù)設(shè)定值，就會(huì)跳閘，因各開關(guān)出廠硬件差異，導(dǎo)致上下級(jí)保護(hù)裝置隨機(jī)動(dòng)作而發(fā)生越級(jí)跳閘。

2.2 欠 壓

電力系統(tǒng)電壓波動(dòng)或發(fā)生短路故障時(shí)都可能出現(xiàn)供電系統(tǒng)欠壓。欠壓會(huì)從兩方面影響供電系統(tǒng)，一開關(guān)設(shè)備的綜合保護(hù)無法正常工作，造成保護(hù)工作不正常且無法將故障信息傳輸?shù)焦╇娤到y(tǒng)；二開關(guān)設(shè)備斷路器失壓檢測(cè)跳閘，高壓開關(guān)欠壓脫扣器執(zhí)行GB/T 11022-2011標(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)欠壓脫扣器端子電壓降到(即便是緩慢地和逐漸地下降到)它的額定電壓的35%以下時(shí)，它應(yīng)該動(dòng)作使開關(guān)裝置分閘；當(dāng)超過它的額定電壓的65%以上時(shí)，不動(dòng)作；由于欠壓脫扣器出廠時(shí)參數(shù)不同，當(dāng)欠壓脫扣器端子電壓低于額定電壓的65%時(shí)，欠壓脫扣器可能會(huì)動(dòng)作，引起越級(jí)跳閘。

2.3 漏 電

漏電保護(hù)是高低壓開關(guān)綜合保護(hù)器最復(fù)雜的一個(gè)部分。用于漏電方面的檢測(cè)就有3條之多：零序電流檢測(cè)、零序電壓檢測(cè)(部分開關(guān)廠家做成零序電壓+三相同步電壓的綜合檢測(cè))和附加直流漏電檢測(cè)(開關(guān)設(shè)備做為總開關(guān)時(shí)投入)。但是當(dāng)供電系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障時(shí)，由于各級(jí)線路電容電流的大小和方向受電纜長(zhǎng)度、電網(wǎng)運(yùn)行方式及消弧線圈補(bǔ)償度等影響，很難通過檢測(cè)上下級(jí)線路漏電電流的大小和方向來保證接地選線的縱向選擇性，從而引起越級(jí)跳閘。

2.4 供電系統(tǒng)各級(jí)開關(guān)選型及保護(hù)整定

由于設(shè)備臨時(shí)更換或不按規(guī)定整定保護(hù)參數(shù)，供電系統(tǒng)上下級(jí)開關(guān)選型、保護(hù)參數(shù)整定不當(dāng)，造成的越級(jí)跳閘。

3 解決方案

3.1 原 理

煤礦井下供電系統(tǒng)由多級(jí)多分支組成，每級(jí)都可能有數(shù)臺(tái)開關(guān)，整個(gè)供電系統(tǒng)像葉脈一樣延伸，節(jié)點(diǎn)開關(guān)多達(dá)上百臺(tái)。但當(dāng)故障發(fā)生時(shí)，實(shí)際只需要考慮故障支路上行每級(jí)的1臺(tái)開關(guān)，而解決越級(jí)跳閘問題的本質(zhì)就是如何快速準(zhǔn)確地找到故障支路離故障點(diǎn)最近級(jí)的那1臺(tái)開關(guān)，快速可靠跳閘，并保證支路上級(jí)開關(guān)在它動(dòng)作確認(rèn)前不跳閘。防越級(jí)跳閘系統(tǒng)構(gòu)建時(shí)不考慮非常態(tài)的通過聯(lián)絡(luò)開關(guān)切換其他電源的狀態(tài)，只考慮正常供電時(shí)的供電層級(jí)。下面以晉能控股煤業(yè)集團(tuán)同忻礦供電系統(tǒng)防越級(jí)跳閘系統(tǒng)解決方案為例進(jìn)行詳細(xì)說明，供電源自地面變電站，中央變電所逐級(jí)向下延伸了7級(jí)，如圖1所示。

圖1 煤礦井下防越級(jí)跳閘系統(tǒng)

首先建立總線通訊模式的通信網(wǎng)絡(luò)，不足500 m距離的上下級(jí)和同一配電點(diǎn)的同級(jí)開關(guān)使用CAN通訊，距離超過500 m的使用光纖進(jìn)行通訊；其次根據(jù)開關(guān)按處于防越級(jí)跳閘系統(tǒng)的位置設(shè)置層級(jí)；總線數(shù)據(jù)通信沒有主從之分，任意一個(gè)節(jié)點(diǎn)可以向任何其他(一個(gè)或多個(gè))節(jié)點(diǎn)發(fā)起數(shù)據(jù)通信，靠各個(gè)節(jié)點(diǎn)信息優(yōu)先級(jí)先后順序來決定通信次序，高優(yōu)先級(jí)節(jié)點(diǎn)信息在134 μs通信；多個(gè)節(jié)點(diǎn)同時(shí)發(fā)起通信時(shí)，優(yōu)先級(jí)低的避讓優(yōu)先級(jí)高的，不會(huì)對(duì)通信線路造成擁塞。保護(hù)防越級(jí)跳閘工作流程,如圖2所示。

圖2 保護(hù)防越級(jí)跳閘工作流程

假如6-2號(hào)開關(guān)負(fù)荷發(fā)生短路故障，5-5號(hào)、4-6號(hào)、3-2號(hào)、2-2號(hào)、1-1號(hào)開關(guān)會(huì)同時(shí)檢測(cè)到故障電流，并可能滿足短路保護(hù)觸發(fā)條件。這時(shí)優(yōu)先級(jí)高的6-2號(hào)開關(guān)發(fā)出帶有站號(hào)的故障信息,但不會(huì)收到其他開關(guān)的故障信息，啟動(dòng)零時(shí)限保護(hù)，跳閘。其他檢測(cè)到故障的開關(guān)延時(shí)2 ms(通訊時(shí)間)，對(duì)比故障信息層級(jí)與自身的級(jí)差，按級(jí)差進(jìn)行延時(shí)，延時(shí)Ts=(m-n)×T，延時(shí)過程中周期按優(yōu)先級(jí)發(fā)出帶層級(jí)的故障信息；延時(shí)結(jié)束時(shí)如果自身故障存在，啟動(dòng)零時(shí)限保護(hù)，跳閘；自身故障消除，恢復(fù)正常保護(hù)狀態(tài)。

3.2 綜合保護(hù)器的硬件設(shè)計(jì)

除具備一切常規(guī)開關(guān)保護(hù)功能及端口外，對(duì)供電進(jìn)行了改進(jìn):電源采用寬幅供電電壓，保證供電系統(tǒng)欠壓狀態(tài)保護(hù)正常工作；增加了能信模塊，通信模塊具備兩個(gè)光纖通信接口和兩個(gè)CAN通信接口，同時(shí)保留了傳統(tǒng)的485接口，預(yù)留了5G無線通信模塊接口。無需任何外部設(shè)備供電系統(tǒng)各節(jié)點(diǎn)開關(guān)就可以組建通訊網(wǎng)絡(luò)，即使在部分通訊中斷的情況下，局部的供電系統(tǒng)也具備局部防越級(jí)跳閘的能力。

5 結(jié) 語(yǔ)

基于保護(hù)單元的煤礦井下防越級(jí)跳閘解決方案，從供電系統(tǒng)越級(jí)跳閘問題的本質(zhì)入手，充分利用保護(hù)自身的數(shù)據(jù)處理潛力，采用CAN總線通信和光纖通信復(fù)合級(jí)聯(lián)的方式，實(shí)現(xiàn)了供電系統(tǒng)各節(jié)點(diǎn)開關(guān)的故障狀況共享，保護(hù)采用簡(jiǎn)單高效的工作原理，可以有效地解決煤礦井下供電系統(tǒng)的越級(jí)跳閘問題，對(duì)煤礦供電及生產(chǎn)安全具有重要意義。