田 麗

（晉能控股煤業(yè)集團挖金灣煤業(yè)公司，山西 大同 037000）

挖金灣煤業(yè)公司在該礦原供電系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，設(shè)計并應(yīng)用“防越級跳閘”系統(tǒng)[1-5]，分析、研究由當(dāng)前繼電器引發(fā)跳閘的原因，提出防越級跳閘系統(tǒng)設(shè)計。通過實際應(yīng)用，有效解決了挖金灣煤礦井下供電系統(tǒng)越級跳閘的問題，取得較好的效果。

1 越級跳閘原因分析

1.1 階段過電流保護

煤礦供電系統(tǒng)的保護方式為階段式過電流保護，即傳統(tǒng)繼電保護方式[1]。該保護方式分三個階段動作：第一、第二階段為零時限速斷保護及限時速斷保護，主要應(yīng)用在源進出線；第三階段為過電流保護，主要應(yīng)用在電路終端。

因井下供電系統(tǒng)線路短而復(fù)雜，限時速斷保護主要通過兩級時間差配合動作，設(shè)定下級線路限時電路速斷保護時間為0 s，上一級電路熔斷保護時間為0.4～0.6 s，通常取0.5 s，通過該時間差實現(xiàn)限時速斷功能。另外，限時速斷保護通過流整定值配合，與兩級時間差配合共同作用，保證系統(tǒng)具有選擇性及靈敏性，杜絕系統(tǒng)出現(xiàn)故障。限時速斷保護示意圖如圖1。

圖1 限時速斷保護示意圖

1.2 礦井供電系統(tǒng)保護分析

挖金灣煤礦地面設(shè)有35 kV 變電所，配套安裝6 kV 線路，采用三個階段式電流保護。其中Ⅰ段按最大承受電流值進行設(shè)計，安裝零時限速斷保護，如圖1 中DL-1 保護電流較源進線短路電流大，提高供電系統(tǒng)的可靠性；Ⅱ段按最小短路電流值進行設(shè)計，安裝限時速斷保護，對整個供電系統(tǒng)及其電流系統(tǒng)進行保護；Ⅲ段按6 kV 線路最大負(fù)荷電流設(shè)計，安裝過電流保護，避免出現(xiàn)大面積停電事故，保證供電系統(tǒng)正常工作及礦井的安全生產(chǎn)。

挖金灣煤礦結(jié)合井下環(huán)境、生產(chǎn)需要及供電系統(tǒng)高標(biāo)準(zhǔn)的要求，在井下變電所高壓線路安裝兩段式保護。主要采用零時限速斷保護，通過快速切斷功能，減少生產(chǎn)延時，保證作業(yè)人員安全。其次采用過電流保護，兩種保護共同作用，切實避免系統(tǒng)出現(xiàn)越級跳閘現(xiàn)象，保證其安全可靠運行。

2 防越級跳閘系統(tǒng)設(shè)計

2.1 解決方案

結(jié)合電力系統(tǒng)實際條件，地面和井下供電系統(tǒng)及其子系統(tǒng)呈高速、一體化的運行體系，信息受干擾程度低且傳遞速度快，以此為基礎(chǔ)，確定采用以下兩個具體方案，提高工作效率，預(yù)防故障的發(fā)生。

（1）實現(xiàn)繼電器保護智能化。以高速光纖傳送信號，采用對短路具備閉鎖功能的跳閘裝置。該裝置與原保護裝置配合，實現(xiàn)相互閉鎖保護，更全面地對電力系統(tǒng)進行保護。當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)故障時，距離故障處最近的開關(guān)動作，出現(xiàn)跳閘，形成切斷保護；當(dāng)線路電流達到限值時，系統(tǒng)將產(chǎn)生越級跳閘，在越級跳閘前，故障信號通過光纖傳遞至監(jiān)測系統(tǒng)，工作人員及時對故障進行處理，保證系統(tǒng)正常運行。

（2）實現(xiàn)系統(tǒng)失壓延時技術(shù)。電力系統(tǒng)具備雙源熱備，為保證電力系統(tǒng)正常工作，一方面是電力系統(tǒng)內(nèi)部釋放線圈，使線圈帶電；另一方面是對欠壓帶電進行控制。同時，通過采取措施避免電壓波動，保證供電系統(tǒng)及時修復(fù)短路問題，提高處理故障效率。

2.2 系統(tǒng)設(shè)計

為使解決方案順利實施，必須保證保護裝置及跳閘裝置的反應(yīng)靈敏性，同時實現(xiàn)信號無延時傳輸。采用兩種通訊方式：

（1）對于一個變電所內(nèi)兩個距離近的保護裝置，使用雙絞線連接，既降低了材料投入，又提高了故障信息的傳輸速度。

（2）對于兩個距離較遠(yuǎn)的保護裝置，采用雙絞線連接無法滿足信息傳輸需要時，對兩個裝置建立信號關(guān)聯(lián)，利用以太網(wǎng)進行連接，確保信息傳輸?shù)募皶r性，極大提高供電系統(tǒng)的保護功能。

2.3 系統(tǒng)組成

防越級跳閘系統(tǒng)由智能保護模塊、通信監(jiān)控站、地面監(jiān)控及隔爆型攝像儀等六大結(jié)構(gòu)組成，六大結(jié)構(gòu)功能各異，共同保證供電系統(tǒng)正常運行。六大結(jié)構(gòu)應(yīng)用功能見表1。

表1 六大結(jié)構(gòu)應(yīng)用功能表

由表1 可知，防越級跳閘系統(tǒng)六大結(jié)構(gòu)共同作用，發(fā)揮繼電保護基礎(chǔ)功能，杜絕井下供電系統(tǒng)出現(xiàn)越級跳閘現(xiàn)象，同時對供電系統(tǒng)實現(xiàn)實時監(jiān)控，保障供電系統(tǒng)的安全。

3 系統(tǒng)工作原理

當(dāng)井下供電系統(tǒng)發(fā)生短路，出現(xiàn)較大電流通過故障點及開關(guān)，則多種保護裝置啟動，切斷線路或者封閉電流，保證其他非短路區(qū)域正常工作，避免產(chǎn)生安全隱患。

系統(tǒng)的每個裝置，對于故障線路均發(fā)揮保護作用，通過切斷線路或者封閉電流，使供電系統(tǒng)不出現(xiàn)越級跳閘，保證供電系統(tǒng)穩(wěn)定運行。當(dāng)短路信號電流經(jīng)過開關(guān)時，開關(guān)跳閘，切斷線路，保護下一級供電系統(tǒng)，防止電流持續(xù)增大。當(dāng)處理完短路故障，電流恢復(fù)流通，啟動上一級開關(guān)，供電系統(tǒng)在延時40～90 ms 確認(rèn)短路被切除后，恢復(fù)供電系統(tǒng)工作，延時啟動既保護后備電路，又保證供電系統(tǒng)的性能及持久性。防越級跳閘結(jié)構(gòu)示意圖如圖2。

如圖2所示，系統(tǒng)中含地面變電所、中央變電所、采區(qū)變電所及其他變電所。假設(shè)d1位置出現(xiàn)短路故障，則流通8#、7#、5#開關(guān)的電流正常，未受到影響。短路電流信息依次被傳遞到8#開關(guān)保護裝置、短路閉鎖控制器及7#總開關(guān)，閉鎖7#開關(guān)速斷保護，保護線路正常供電。同理，5#開關(guān)獲得7#開關(guān)傳遞的信息后，閉鎖5#開關(guān)速斷保護。由此可知，當(dāng)故障發(fā)生時，開關(guān)獲得信息后保護裝置啟動，切斷故障電路，防止故障蔓延，避免對電力系統(tǒng)造成進一步的損失。電路出現(xiàn)故障時，若8#開關(guān)失效，7#開關(guān)判斷8#開關(guān)傳遞的信息后排除故障，確保開關(guān)正常工作。電路出現(xiàn)短路時，在特殊條件下，系統(tǒng)中的不同設(shè)備將產(chǎn)生放電效應(yīng)，維持供電系統(tǒng)正常運行，為安全生產(chǎn)提供電力保障。

圖2 防越級跳閘結(jié)構(gòu)示意圖

4 應(yīng)用效果分析

4.1 應(yīng)用情況

挖金灣煤礦供電系統(tǒng)主要由井下及地面兩部分組成。本次防越級跳閘設(shè)計采用ZBT-11C 分布式保護器，該保護器為一種新型裝備，對井下電力系統(tǒng)的保護效果顯著。在開展該項工作之前，需了解、掌握電力系統(tǒng)的架構(gòu)，確定防止跳閘的條件，進一步分析故障出現(xiàn)的原因，使得電力系統(tǒng)正常運行。電力結(jié)構(gòu)架構(gòu)圖如圖3。

圖3 電力系統(tǒng)架構(gòu)圖

由圖3 可知，該系統(tǒng)主要由變電所、以太網(wǎng)、控制中心等部分組成。在電力系統(tǒng)中，上下級母線明確不同線路之間的關(guān)系，有效保護電力系統(tǒng)。當(dāng)一條線路保護裝置啟動，設(shè)備通過以太網(wǎng)接收保護裝置信息。設(shè)備接收信息后，閉鎖本級保護裝置，同時，信息繼續(xù)向上級傳遞且升級。如線路出現(xiàn)故障，電力系統(tǒng)在5～25 ms 內(nèi)啟動線路保護裝置，保證了正常的信息傳輸，實現(xiàn)閉鎖保護的目的。防越級系統(tǒng)主接線如圖4。

圖4 防越級系統(tǒng)主接線圖

4.2 防越級跳閘試驗效果分析

針對本次設(shè)計的ZBT-11C 分布式保護器進行試驗驗證其保護效果。各級保護動作情況見表2。

表2 各級開關(guān)動作記錄表

供電系統(tǒng)出現(xiàn)短路故障后，短路電流可流通至圖4 中A 位置，不同區(qū)域的短路電流值不同。如在東采區(qū)3#變電所，3#水泵高爆開關(guān)流通的短路電流在極短的時間內(nèi)達到400 A，02#高爆開關(guān)達到800 A，中央變電所10#高爆開關(guān)最大電流達到1800 A，均低于保護電流值。通過監(jiān)測發(fā)現(xiàn)，3#變電所內(nèi)僅10#高壓開關(guān)出現(xiàn)短路保護，其中428#開關(guān)、02#高爆開關(guān)及10#高爆開關(guān)仍能穩(wěn)定工作，未發(fā)生跳閘故障。說明當(dāng)電力系統(tǒng)出現(xiàn)故障時，防越級跳閘系統(tǒng)能阻止跳閘的發(fā)生，試驗結(jié)果證明防越級跳閘系統(tǒng)設(shè)計的科學(xué)性、合理性及實用性。

5 結(jié)論

（1）挖金灣煤礦通過對井下供電系統(tǒng)階段式過電流保護方式進行分析，制定以實現(xiàn)繼電器保護智能化及采用系統(tǒng)失壓延時技術(shù)為核心的解決方案，確定了防越級跳閘系統(tǒng)設(shè)計、結(jié)構(gòu)及工作原理，并進行了防越級跳閘試驗。實踐證明，當(dāng)供電系統(tǒng)出現(xiàn)短路后，系統(tǒng)保護裝置啟動，切斷線路或者封閉電流，輔助以失壓延時技術(shù)，切實杜絕越級跳閘現(xiàn)象的發(fā)生，維持供電系統(tǒng)正常運行。

（2）通過應(yīng)用防越級跳閘系統(tǒng)，礦井越級跳閘事故較去年同期減少90%，避免大面積停電事故的發(fā)生，為安全生產(chǎn)提供電力保障。挖金灣煤礦成功研究及應(yīng)用了防越級跳閘系統(tǒng)，為其他類似條件下礦井提供了理論、實踐依據(jù)及一定的借鑒意義。