煤矿采区变电所光纤纵差保护研究及实践

陈　然



煤矿采区变电所光纤纵差保护研究及实践

陈然

摘要本文介绍了同煤集团挖金湾矿井供电系统采用差动技术原理，实施了光纤纵差保护监测监控系统，重点防止短路越级跳闸问题；叙述了差动技术原理、现场实施内容、调试方法和试验效果；对实施内容进行了针对性分析和选择性研究，提出了煤矿采区变电所采用光纤纵差保护技术防止越级跳闸是有效的观点。

关键词煤矿；供电；光纤；纵差保护

0　引言

煤矿井下电网供电距离长、供电级数多，采用电缆供电方式，电缆线路单位电阻、电感比较小，特别是煤矿采区变电所至上级中央变电所或至下级综采工作面的供电容量大线路短，导致电缆线路首末端短路时，短路电流相差不大，单靠传统的过流定值加时间延时级差的方法无法区分是下级变电所的下级电缆短路还是本变电所的电缆短路，使短路、过流保护无法进行配合，不可避免的造成越级跳闸情况的发生，从而扩大了井下停电范围，对矿井的安全、连续生产造成了严重的影响甚至是威胁[1]。如同煤集团挖金湾煤矿井下电网电压等级为6 kV系统，从中央变电所到供采煤工作面的采区变电所的电缆长度约7 300余m，供电级数多，沿途经过5个采区变电所，采用过流定值加时间延时级差的整定方法，常造成越级跳闸情况的发生。为了消除煤矿井下的越级跳闸现象，本文对煤矿采区变电所的供电系统实施了光纤纵差保护配置研究及实践。

1　现状技术与分析

目前地面电力系统短线路保护通常采用短线路差动保护、高频差动保护技术，实践表明可以可靠地避免越级跳闸发生，也是最为有效的方法。差动保护是根据“电路中流入节点电流的总和等于零”原理制成的。它把被保护的电气设备看成是一个接点，正常时流进被保护设备的电流和流出的电流相等，差动电流等于零。当设备出线故障时，流进被保护设备的电流和流出的电流不相等，差动电流大于零。当差动电流大于差动保护装置的整定值时，保护动作，将被保护设备的各侧断路器跳开，使故障设备断开电源。但电流差动保护只适用于少数节点差动，无法解决煤矿井下变电所多出线与多进线间的保护配合问题，多层级差动复杂性和成本也过高[2]。

煤矿井下原有的继电保护系统多采用定值+延时级差的配合方式来保证保护动作的选择性。但随着煤矿大型大容量综采设备越来越广泛的使用，短路电流越来越大，再加上老矿井供电设备逐年投入，年久设备保护装置精度下降，已经无法满足矿井安全供电生产和保护动作选择性的要求。

为了消除煤矿井下的越级跳闸现象，采用先进的光纤纵差保护，吸取地面线路、变压器差动保护成熟、可靠的理论，结合煤矿电网的实际供电特点。将原来单端电气量故障判断方式设计为双端电气量故障判断模式，通过光纤网络进行数据交换，从而有选择性的判断故障区间，有选择性的切除故障，以达到避免井下一点故障、多点跳闸的大范围停电事故的发生。目前在供电、配电线路保护应用中，较为先进的保护方式是光纤纵差保护。光纤传输不受井下强电磁波干扰，通信误码率低，运行稳定，在安全性和可靠性方面有显著的优势；光纤频带宽、容量大，保证了监控数据传输通道畅通无阻。

2　技术原理

基于分布式智能速断保护原理的光纤级联纵差保护，采用了分层、分散式的保护动作方式，利用了网络化拓扑算法和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。系统主要由光纤数字纵联差动装置、带有光纤引入功能的高压真空配电装置两部分构成。光纤数字纵联差动装置分散安装于井下高压真空配电装置内部，做为故障检测和动作装置，通过采用分布式智能速断原理，能够可靠实现相间故障和母线故障的准确判断和故障隔离。

设计采用2 400 HZ的高速采样和傅里叶算法，快速计算出故障电流，并作为差动动作激励量来实现线路差动保护。傅里叶算法将电流等频域信号转换成时域信号，实现正弦波和余弦波的数据转换，快速提取纵差保护需要的数据信息，从而为纵差保护的快速分析和判断提供数据。同煤集团挖金湾煤矿井下电网纵差保护判断逻辑原理见图1。

图1挖金湾矿井下电网纵差保护原理

由地面6 kV变电所向付井底变电所供电，然后再由付井底变电所向某采区变电所的315 kVA变压器供电。地面变电所到付井底变电所和付井底变电所到采区变电所的线路为联络线。途中11KC、11C等开关为联络开关，均配置差动保护，其他开关不配置差动保护。地面6 kV变电所至付井底变电所段发生短路，11KC开关保护感受到了短路电流，而11C开关保护处无短路电流，两开关处的电流差是短路电流，这时，两开关中的差动保护均动作，跳开地面6 kV变电所至付井底变电所两端的开关。付井变电所至采区变电所段发生短路，11KC、11C两开关保护均感受到了短路电流，G-05开关的11C开关保护处无短路电流。这样，11KC、11C两开关的差电流为零，差动保护不动作。11C与G-05开关的11C开关处的电流差是短路电流，这时，两开关中的差动保护均动作，跳开付井底变电所至某采区变电所两端的开关。

3　光纤纵差保护实验

3.1实验方法

采用变压器空载合闸模拟产生短路电流，见图1所示。变压器空载合闸时电流为100 A左右。实验时通过设备数据监控工具查看地面、井下的转发器发送的报文。实验前，工作人员已将付井底变电所其他开关分闸。

3.2模拟区外故障（G-05开关馈出线短路）

将G-05开关保护器的短路定值调整为空载合闸变压器时的40%，即1 A。合上G-05开关，7325、G-01开关闭锁纵差保护，G-05开关短路保护动作，动作值2.98 A，G-05开关保护跳闸，切除故障，此实验共计3次，每次均为G-05开关短路保护动作，切除故障。

实验结论：在区外故障时，如果出线保护正确动作，纵差保护不启动，均可靠闭锁。

3.3模拟区外故障（G-05开关拒动或母线短路）

将G-05开关保护器的短路定值恢复为正常值15 A，合上G-05开关，7325、G-01开关闭锁纵差保护，G-01开关智能后备过流保护动作，过流值0.54 A，G-01开关保护跳闸，切除故障。此实验共计3次，每次均为G-01开关智能后备过流保护动作，切除故障。

实验结论：在区外故障时，如果出线保护正确动作，但开关拒分，由最靠近故障点的纵差保护智能后备保护动作，切除故障。

3.4模拟区内故障（7325开关和G-01开关之间的电缆短路）

合上G-05开关，地面6 kV变电所7325开关级联纵差动作，动作值1.99 A，7325开关保护跳闸分开，同时7325开关发出联跳指令，G-01开关差动保护动作，切除故障，隔离故障区间；该实验3次，均为7325开关、G-01开关纵差保护动作，切除故障。

实验结论：在区内故障时，靠近故障点的上下级开关均正确动作，切除故障，隔离故障区间，防止了故障范围的扩大。

4　结论

通过模拟不同的故障类型故障，保护器均能够正确动作，无论是负载端短路还是线路中间短路，在短路电流大于一条回路上的所有开关速断定值时，防越级系统能够实现只有离故障点最近的开关动作，保证上级开关不发生越级跳闸；在开关动作机构存在故障发生拒动时，各级保护能够根据离故障点的位置采取不同的后备保护方式逐级延时保护动作直至切断故障，有效减小故障停电区域；故障分析报告使供电管理人员可以快速的定位故障区域，确保非故障区域的供电系统正常运行。系统2013年3月安装完成后便投入试运行，到目前为止，系统运行稳定可靠。煤矿采区变电所采用光纤纵差保护技术防止越级跳闸是有效的。

参考文献

[1]卢喜山，张祖涛，李卫涛.煤矿供电系统基于纵联差动保护原理的防越级跳闸技术研究[J].煤矿机械，2011，32（4）:71-73.

[2]张兆云，刘宏君，张润超.数字化变电站与传统变电站间光纤纵差保护研究[D].电力系统保护与控制，2010，38（3）:58-60.

陈然，1977年2月出生，男，山西省大同市人。现在同煤集团机电管理处电气科主要从事煤矿机电技术工作，工程师。

Research and Practice of Fiber Differential Protection of Mining Area Substation of Mine

Chen Ran

Abstract：This paper introduces power supply system which uses the principle of differential technology in Wajin⁃wan Mine of Datong Coal Mine Group，fiber differential protection monitoring system is implemented，it is the key to pre⁃vent the problem of override trip caused by short circuit. The principle of differential technology，field implement content，debugging method and test effect are introduced. The field implement content is carried on the targeted analysis and se⁃lective study，the effective viewpoint that the mining area substation of mine uses fiber differential protection technology to prevent override trip is put forward.

Keywords:coal mine；power supply；optical fiber；differential protection

收稿日期：2015-10-12

作者简介

中图分类号TD611+.5

文献标识码B

文章编号1000-4866（2016）02-0023-03