防越级跳闸在煤矿供电系统的应用

2014-07-30王建文

山西焦煤科技 2014年2期

王建文

(西山煤电集团公司杜儿坪矿，山西太原 030022)

煤矿井下供电系统存在供电距离短、延伸级数多的特点，短路保护难以整定，越级跳闸的现象时有发生，传统意义上的光纤纵差保护难以解决。下面结合煤矿井下供电保护技术的现状，阐述造成矿井供电越级跳闸的主要原因，分析煤矿系统“防越级跳闸”技术的原理及推广应用情况。

1 矿井电网存在“越级跳闸”的原因

煤矿井下巷道狭窄，空气潮湿，在此环境下使用的电器设备、供电电缆和电缆接头容易发生漏电和短路事故。目前，我国煤炭企业电网多为多级辐射状的供电模式，其特点为供电线路短，延伸级数多，不同级别的短路电流很接近，一旦线路某处短路，短路电流可达数千安到上万安，短路点上面的各级开关都满足电流速断保护跳闸条件，当上级开关跳闸灵敏度高时上级开关跳闸，造成越级跳闸，甚至会直接造成地面变电站开关越级跳闸，特别是35 kV系统，造成全矿井停电的恶性事故，甚至会出现主扇停风事故。传统的三段式过电流保护无法兼顾保护动作快速性和选择性的要求，当井下供电系统发生故障时，普遍存在“越级跳闸”现象，造成恢复供电时间延长，直接影响井下的安全生产。在煤矿供电电网中，造成越级跳闸的主要原因主要有以下几种:

1)短路保护难以整定。

井下供电线路短、多级变电所级联导致拓扑结构复杂，短线路零秒的速断保护无保护区，在线路末端发生短路故障时，其上级开关及上几级开关感受的短路电流几乎差不多，各级开关的零秒速断保护无选择性跳闸而造成越级跳闸;井下供电系统没有时间级差，过流保护整定困难，在发生短路故障时，极易出现越级跳闸的情况。同时，井下防爆开关的拒动现象也时有发生，也极易造成越级跳闸现象的发生。

目前的系统以短路保护为主保护，系统图上每个蓝色小方块代表一个短路保护。当采区变电所任何一条负荷线出现故障时，都有可能导致上一级变电所开关跳闸，即“越级跳闸”，导致停电范围扩大。

2)传统意义上的光纤纵差保护不能解决所有问题。

将传统的光纤纵差保护作为联络线的主保护，能够可靠解决部分“越级跳闸”问题，但对于三端线路及多端线路却不能解决。因为现有的光纤纵差模型全部是根据两端线路配置的，如果需要对多端线路进行光纤纵差处理，则存在技术上的难点而无法实现。

3)失压保护时延难以整定、开关拒动。

大多井下保护器的失压保护动作延时不能整定，为瞬动，另外部分失压脱扣动作值不准确。馈线距离母线很近的地方发生短路故障时，母线电压短时失压，该段母线上其他开关的失压保护误动作也容易导致“越级跳闸”。

煤矿井下高爆开关质量参差不齐，开关动作速度差异较大，由于开关拒动造成的越级跳闸也时有发生。

4)井下缺乏母线保护。

母线上短路故障没有相应的快速切除保护措施，故障切除时间长，母线短路时，母线损坏严重，同时母线故障时也极易造成越级跳闸。越级跳闸导致停电范围扩大，严重影响了煤矿的安全生产，传统的基于单台开关数据过流保护原理的微机保护解决不了此问题。

5)漏电保护难以实现比较。

井下传统的漏电保护的抗电磁干扰能力差，数据传输速率及处理速度慢，各支路零序电流只能根据自身情况进行判断，无法实现与其他支路及上级支路进行比较判断。电缆漏电后发展成短路故障，极易造成越级跳闸的发生。

2 煤矿系统领域常见“防越级跳闸“的原理

1)系统根据IEC61850 GooSE国际规约进行设计施工，传输方式上采用“以太网 IEC61850，IEC61870－5－104→隔爆交换机→工业以太环网→地面监控→监控→保护系统”构建数据通道，利用IEC61850的GOOSE技术实现保护测控设备之间的快速信息交换。

建设防越级跳闸系统时，需要将井下高开保护装置全部更换为研发的新装置，井下变电所配置交换机，装置与交换机之间采用电缆通讯传输，地面配置环网交换机和后台机，由井下保护装置实时监测信号传输到交换机，到地面环网交换机传给后台机，最终将信息传到千兆环网交换机进行分析处理。系统实现采集到故障时，先启动保护系统，取故障电流和装置定值进行分析比较，从采集到故障电流信号到保护信号出口时间在35 ms内完成，加上开关固有动作时间60 ms，故可在95 ms内完成跳闸动作，当遇故障点最近的开关不动作的情况时，系统将上级所有的保护装置全部启动，点对点广播式的发出信号，上级开关谁动作时间快谁动作。

2)系统采用点对点，装置配合的原理进行数据分析，从而实现防越级跳闸功能。施工时，需要将所有开关的保护装置全部更换为新产品，将系统上所有的装置通过交换机以上下级的关系进行连接，形成网络系统。当井下发生短路故障时，通过装置以点对点的方式发出故障信息，信号由主机进行电流分析，保护装置信号发出时间约为26 ms，同时闭锁上级所有的保护装置，从而起到不跳闸的功能。当故障点最近一级开关发生拒动时，系统将会把上级开关的保护装置闭锁，使开关动作。

3)系统采用网络化基因拓扑算法，利用开关间自主交换故障信息进行协商的形式，自主判断故障区段，实现全网零秒速断，以达到防越级跳闸的目的，系统具有级联纵差保护、母差保护、三段式过流保护和零延时智能后备保护等防越级跳闸保护功能。系统通过分散安装的级联纵差保护器搭建的专用保护信息网快速交换信息，能够快速判断故障区段，准确快速切断距离故障点最近的故障开关，以达到防越级跳闸的目的，并且对于母线故障也能够做到快速切除。其系统构成见图1。

由图1可知，整套防越级保护系统主要由级联纵差综合保护器和矿用本安型网络交换机以及矿用光缆网络构成。每个变电所纵差综合保护器的差动通讯线连在一起，构成一个高速通讯总线，接入矿用本安型网络交换机，转发器间通过光缆连接构成高速通讯纵差环网。

此外，变电所纵差保护的RS485通讯线也连到一起构成485总线接入通讯转发器或本安型电力分站，借用监控通讯网传到地面电力调度，对每台保护的运行状态进行实时监测。

4)系统采用“集中保护”原理，运用高速光纤通讯和同步采样技术，采用光纤以太网建立光纤传输通道，将井下各高压开关的电流、电压数据上传至位于地面控制中心的保护主机。保护主机上配置差动保护模块，取代传统过流速断保护作为线路的主保护，解决煤矿供电系统存在的越级跳闸问题。其动作原理是由地面控制中心的集成保护测控装置(保护主机)采用“集中保护”。保护主机差动保护范围固定，实现全系统零时限全线速动，采用线路纵差保护代替短路保护作为采区变电源进线的主保护。

图1 防越级保护系统示意图

5)通过网络通讯实现上下级开关的数据共享，根据一条线路上每台开关监测到的数据和其在这条供电线路中所处的位置，确定故障区域，并根据每台开关相对故障区域的位置确定保护方式，使离故障点最近的开关速断保护动作，切断故障，其余开关综保处于后备保护状态，若采用主保护的开关因机构原因无法分开切除故障，上级开关后备保护动作，切断故障，从而防止越级跳闸事故的发生。