趙 進(jìn)

(山西焦煤集團(tuán) 機(jī)電部，山西 太原 030024)

1 現(xiàn)狀及存在問(wèn)題

1.1 礦井供配電系統(tǒng)概述

西銘礦位于山西省太原市境內(nèi)的西北部，井田面積 42.17 km2，礦井核定生產(chǎn)能力為360萬(wàn)t/年. 西銘礦地面建設(shè)有劉巴足、磺廠(chǎng)、玉門(mén)3座35 kV變電站；自磺廠(chǎng)35 kV變電站6 kV母線(xiàn)段帶冀家溝開(kāi)閉所，冀家溝開(kāi)閉所共入井2趟線(xiàn)路為井下西十開(kāi)閉所供電；自磺廠(chǎng)35 kV變電站6 kV母線(xiàn)段帶304變電所、三號(hào)整流室供電，入井4趟電纜；自劉巴足35 kV變電站6 kV母線(xiàn)段入井4趟線(xiàn)路為井下西部擴(kuò)區(qū)變電所和南六變電所供電。井下共建設(shè)變電所12座，分別是：西部擴(kuò)區(qū)變電所、北七變電所、西十1#變電所、西十開(kāi)閉所、西十二變電所、一號(hào)整流室、二號(hào)整流室、三號(hào)整流室、四號(hào)整流室、五號(hào)整流室、304變電所、南六變電所。

1.2 礦井供配電系統(tǒng)綜合自動(dòng)化系統(tǒng)裝置

地面35 kV變電站目前安裝的是北京清大繼保電力技術(shù)有限公司TH系列數(shù)字式保護(hù)測(cè)控裝置。井下安裝3種繼電保護(hù)裝置，分別是：上海山源電子電氣科技發(fā)展有限公司的ZBT-11型高開(kāi)綜合保護(hù)器、天水長(zhǎng)城成套開(kāi)關(guān)電器制造有限公司的ZLZB-5 A綜合保護(hù)裝置和中國(guó)八達(dá)電氣有限公司的ZNCK-4礦用微機(jī)綜合保護(hù)裝置。

1.3 供電系統(tǒng)運(yùn)行現(xiàn)狀及存在問(wèn)題

目前，地面3座35 kV變電站均采用雙回路供電，分列運(yùn)行方式；井下12座變電所中11座已實(shí)現(xiàn)地面遠(yuǎn)程電力監(jiān)控，剩余南六變電所正在安裝。井下各變電所之間采用縱向、多層級(jí)、垂直、短線(xiàn)路級(jí)聯(lián)供電模式，系統(tǒng)復(fù)雜，供電距離遠(yuǎn),各級(jí)線(xiàn)路速斷過(guò)流保護(hù)通過(guò)增加時(shí)間級(jí)差方式確定的定值難以有效配合；同時(shí)煤礦井下環(huán)境惡劣，工作面電纜在采掘過(guò)程中來(lái)回拖拽，不時(shí)發(fā)生短路故障，甚至越級(jí)跳閘，造成停電范圍擴(kuò)大，安全管理難度加大，傳統(tǒng)的基于過(guò)流保護(hù)原理的微機(jī)保護(hù)無(wú)法解決此問(wèn)題。為此，有必要積極探索、建設(shè)防越級(jí)跳閘系統(tǒng)。

2 防越級(jí)跳閘原理及方案對(duì)比

為解決礦井電網(wǎng)存在的越級(jí)跳閘問(wèn)題，對(duì)當(dāng)今主流的技術(shù)路徑進(jìn)行對(duì)比，歸結(jié)為兩種技術(shù)理論，即基于光纖電流差動(dòng)保護(hù)技術(shù)和基于數(shù)字化變電站技術(shù)保護(hù)[1-3]. 通過(guò)對(duì)比不同技術(shù)原理，尋求最優(yōu)解決方案。

2.1 防越級(jí)跳閘原理對(duì)比

2.1.1 光纖電流差動(dòng)保護(hù)原理

輸電線(xiàn)路兩側(cè)電流取樣信號(hào)通過(guò)編碼變成碼流形式后轉(zhuǎn)換成光電信號(hào)，經(jīng)光纖送至對(duì)側(cè)保護(hù)裝置，本側(cè)保護(hù)裝置收到對(duì)側(cè)傳來(lái)的光信號(hào)先解調(diào)為電信號(hào)，與本側(cè)保護(hù)的電流信號(hào)構(gòu)成差動(dòng)保護(hù)。

2.1.2 基于數(shù)字化變電站技術(shù)的防越級(jí)跳閘原理

數(shù)字化變電站是指變電站內(nèi)一次電氣設(shè)備和二次電子裝置均實(shí)現(xiàn)數(shù)字化通信，并具有全站統(tǒng)一的數(shù)據(jù)模型和數(shù)據(jù)通信平臺(tái)，在此平臺(tái)的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)智能裝置之間的互操作性。目前它是由電子式互感器、智能化一次設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)化二次設(shè)備在IEC 61850通信規(guī)范基礎(chǔ)上分層構(gòu)建，能夠?qū)崿F(xiàn)智能設(shè)備間信息共享和互操作的現(xiàn)代化變電站。防越級(jí)跳閘系統(tǒng)主要是配置變電站進(jìn)出線(xiàn)主保護(hù)為差動(dòng)保護(hù)，且配置各變電站母線(xiàn)實(shí)現(xiàn)母線(xiàn)差動(dòng)，以此實(shí)現(xiàn)各級(jí)供配電網(wǎng)絡(luò)準(zhǔn)確聯(lián)動(dòng)。

2.2 防越級(jí)跳閘方案對(duì)比

2.2.1 光纖電流差動(dòng)方案

光纖電流差動(dòng)模式具有光纖通道傳輸容量大、速率高、傳輸損耗小等優(yōu)點(diǎn)[4-6]. 但CT飽和、CT斷線(xiàn)、同步化處理及誤碼校驗(yàn)以及弱饋等問(wèn)題都有可能引起保護(hù)的延時(shí)動(dòng)作或誤動(dòng)作。

2.2.2 數(shù)字化變電站方案

數(shù)字化變電站模式則具有基于智能電網(wǎng)架構(gòu)、第三代數(shù)字化變電站結(jié)構(gòu)、全礦保護(hù)信息共享、可解決短路防越級(jí)、漏電無(wú)選擇性問(wèn)題、功能升級(jí)軟件化、電磁兼容性強(qiáng)、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，是今后煤礦電網(wǎng)發(fā)展的主流趨勢(shì)。

從技術(shù)方面來(lái)說(shuō)，數(shù)字化變電站可以減少自動(dòng)化設(shè)備數(shù)量，簡(jiǎn)化二次接線(xiàn)，提高系統(tǒng)的可靠性，減少設(shè)備的檢修次數(shù)和檢修時(shí)間，提高設(shè)備的使用效率；方便設(shè)備的維護(hù)和更新，減少投運(yùn)時(shí)間，提高工作效率。從經(jīng)濟(jì)方面來(lái)說(shuō)，可以減少占地面積，從而減少建設(shè)投資：減少變電站壽命周期內(nèi)的總體成本，包括初期建設(shè)成本和運(yùn)行維護(hù)成本；實(shí)現(xiàn)信息在運(yùn)行系統(tǒng)和其它支持系統(tǒng)之間的共享，減少重復(fù)建設(shè)和投資等。

2.3 綜合比較結(jié)果

針對(duì)西銘礦電網(wǎng)存在越級(jí)跳閘問(wèn)題且線(xiàn)路多，若采用基于光纖電流差動(dòng)保護(hù)的防越級(jí)跳閘方案，每條線(xiàn)路單獨(dú)鋪設(shè)光纜，設(shè)置光纖電流差動(dòng)保護(hù)，投資成本大，而且不便于對(duì)越級(jí)跳閘線(xiàn)路的集中管理。因此，優(yōu)選基于數(shù)字化變電站技術(shù)的防越級(jí)跳閘方案，實(shí)現(xiàn)線(xiàn)路數(shù)字信息共享、集中保護(hù)。

3 防越級(jí)跳閘方案實(shí)施

3.1 防越級(jí)跳閘系統(tǒng)構(gòu)成

數(shù)字化變電站[4-5]是由智能化一次設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)化二次設(shè)備在IEC61850標(biāo)準(zhǔn)體系基礎(chǔ)上分3層構(gòu)建，即站控層、間隔層、過(guò)程層，兩級(jí)網(wǎng)絡(luò)，能夠?qū)崿F(xiàn)智能設(shè)備間信息數(shù)字化共享和互操作，可實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化二次功能、程序化操作、狀態(tài)檢修、電網(wǎng)故障分析隔離等功能。具有底層互感器及斷路器數(shù)據(jù)共享、網(wǎng)絡(luò)化二次功能(微機(jī)保護(hù)、故障錄波、小電流接地選線(xiàn)、電能質(zhì)量分析、順序控制)、兼容、開(kāi)放等特點(diǎn)。傳統(tǒng)變電站與數(shù)字化變電站結(jié)構(gòu)示意圖見(jiàn)圖1.

圖1 傳統(tǒng)變電站和數(shù)字化變電站結(jié)構(gòu)圖

3.2 防越級(jí)跳閘系統(tǒng)構(gòu)建思路

西銘礦基于DHW6000數(shù)字化變電站系統(tǒng)對(duì)地面變電站、井下變電所進(jìn)行改造，構(gòu)建井上下供配電系統(tǒng)防越級(jí)跳閘系統(tǒng)[6-7]，以實(shí)現(xiàn)各級(jí)配合科學(xué)合理，故障判定準(zhǔn)確可靠。具體改造思路為：構(gòu)建劉巴足35 kV變電站—西部擴(kuò)區(qū)變電所—北七變電所；劉巴足35 kV變電站—南六變電所；磺廠(chǎng)35 kV變電站—冀家溝開(kāi)閉所—西十開(kāi)閉所—西十二變電所，具體實(shí)施辦法如下：

1) 地面劉巴足35 kV變電站、磺廠(chǎng)35 kV變電站和冀家溝開(kāi)閉所內(nèi)分別安裝1臺(tái)礦用電力測(cè)控分站一體機(jī)(包括電力監(jiān)控和防越級(jí)系統(tǒng))，通過(guò)光纖環(huán)網(wǎng)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)監(jiān)控中心對(duì)變電所遠(yuǎn)程監(jiān)控與操作功能，還可實(shí)現(xiàn)第三方設(shè)備的接入以及數(shù)據(jù)傳輸、控制功能。

2) 地面變電站入井電纜高壓開(kāi)關(guān)柜分別加裝1臺(tái)防越級(jí)綜合保護(hù)裝置，不得影響原高開(kāi)柜的保護(hù)功能，利用分布式智能速斷原理，實(shí)現(xiàn)地面變電所與井下變電所之間的防越級(jí)跳閘功能。

3) 微機(jī)保護(hù)之間通過(guò)分布式網(wǎng)絡(luò)保護(hù)技術(shù)，采用“區(qū)域智能組網(wǎng)，信息共享，相對(duì)判據(jù)，智能選漏”新方法，徹底解決選漏難題，實(shí)現(xiàn)精確選漏，漏電保護(hù)零誤跳，在發(fā)生高壓線(xiàn)纜接地時(shí)，能夠抑制單相接地過(guò)電壓、工頻諧波對(duì)接地信號(hào)的影響、消除接地電弧等。當(dāng)某一供電分支發(fā)生接地故障時(shí)，報(bào)警并自動(dòng)切斷電源，避免越級(jí)跳閘情況的發(fā)生；同時(shí)具有遠(yuǎn)程高低壓漏電試驗(yàn)功能。

4) 在井下西部擴(kuò)區(qū)變電所、北七變電所、西十1#變電所、西十開(kāi)閉所、西十二變電所、304變電所、南六變電所內(nèi)分別安裝2臺(tái)礦用電力監(jiān)控和防越級(jí)跳閘系統(tǒng)一體機(jī)的分站，通過(guò)光纖環(huán)網(wǎng)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)地面變電所與井下變電所之間的防越級(jí)跳閘功能。

5) 井下西部擴(kuò)區(qū)變電所、北七變電所、西十1#變電所、西十開(kāi)閉所、西十二變電所、304變電所、南六變電所內(nèi)進(jìn)線(xiàn)及聯(lián)絡(luò)線(xiàn)高爆開(kāi)關(guān)保護(hù)器均進(jìn)行升級(jí)改造，更換后的綜合保護(hù)裝置必須具有防越級(jí)跳閘、精準(zhǔn)漏電保護(hù)、電能計(jì)量功能；將高壓設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳送到地面監(jiān)控中心，實(shí)現(xiàn)地面監(jiān)控中心對(duì)變電所高壓設(shè)備的遠(yuǎn)程遙測(cè)、遙信、遙控、遙調(diào)、遙視等功能；實(shí)現(xiàn)地面變電所與井下變電所之間的防越級(jí)跳閘功能。

4 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)對(duì)西銘礦井上下供配電系統(tǒng)現(xiàn)狀及存在問(wèn)題進(jìn)行分析，可以看出在現(xiàn)有各級(jí)繼電保護(hù)基礎(chǔ)上增加防越級(jí)跳閘功能是非常必要的。通過(guò)對(duì)比目前主流的防越級(jí)跳閘系統(tǒng)技術(shù)路徑，確定選取基于數(shù)字化變電站技術(shù)的防越級(jí)跳閘系統(tǒng)實(shí)施方案。通過(guò)對(duì)地面變電站、井下變電所進(jìn)行改造，構(gòu)建井上下供配電系統(tǒng)防越級(jí)跳閘系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)各級(jí)配合科學(xué)合理，故障判定準(zhǔn)確可靠。