基于PSCAD矿山电网越级跳闸实验教学仿真平台

曹 娜, 史文秀, 于 群

(山东科技大学 电气与自动化工程学院，山东 青岛 266590)

基于PSCAD矿山电网越级跳闸实验教学仿真平台

曹 娜, 史文秀, 于 群

(山东科技大学 电气与自动化工程学院，山东 青岛 266590)

结合某煤矿6 kV电网发生的越级跳闸事故，阐述了矿山电网保护配置的缺陷及越级跳闸的原因，利用仿真平台对事故现象进行还原仿真；然后结合煤矿电网线路较短以及井下电缆发生短路概率高等实际情况，给出防止越级跳闸的措施，基于PSCAD/EMTDC搭建矿山电网越级跳闸仿真试验平台,并在该平台上仿真验证措施的有效性。该平台可使理论教学与实验教学有机结合，学生可在仿真平台上通过改变线路和保护参数观察矿山电网越级跳闸的现象，以及采取不同措施防止越级跳闸，既保证了学生对基本理论知识的理解,满足教学效果，又能为创新型、综合性实验的开设提供理想平台。

矿山电网； 越级跳闸； 实验仿真平台

0 引 言

矿山供电系统是整个矿山生产的动力来源，而其继电保护是矿山电网及负荷安全稳定运行的重要保障，保证在其出现事故时迅速、准确地切除故障元件。

矿山供电系统一般为单侧电源辐射状电网，其阶段式电流保护整定原则为[1-2]：从电源端至负荷端动作电流应从大至小逐级递减，动作时间亦应从长到短逐级递减；本级电流保护的动作电流必须大于下一级线路首端的最大短路电流。因为矿山供电线路大都采用铜芯电缆且长度一般很短，阻抗较小，所以矿山供电系统保护中存在时限配合效果差和越级跳闸等问题[3]。

很多专家学者对矿山电网越级跳闸的原因及采取措施进行了阐述：文献[4-7]中分析了井下高压电网越级跳闸的主要原因是井下线路较短、速断保护整定方案等，并给出了解决越级跳闸的措施。文献[8-14]中设计了防越级跳闸成套装置，并阐述了装置的组成及功能。其中,文献[9,13]基于IEC61850的GOOSE通信技术，利用其高速对等通信技术，采取下级闭锁上级的逐级闭锁模式防止井下电网的越级跳闸。文献[10]中利用高速工业以太网，提出了采用差动保护与网络闭锁保护相结合的新型保护方法防止越级跳闸。文献[15-16]中阐述了煤矿防越级跳闸技术的应用。但很少有文献对矿山电网越级跳闸现象进行形象直观仿真分析。教学过程中，学生感到越级跳闸内容比较抽象，导致学生对其不够重视，难以达到应有的教学目的。

本文基于PSCAD/EMTDC搭建矿山电网越级跳闸仿真试验平台，对矿山的越级跳闸事故及相应预防措施进行仿真分析，有利于学生更加深入了解越级跳闸的动作原理及预防措施。使越级跳闸及预防措施的理论教学与实验教学有机结合，能使学生在掌握继电保护相关课程基本原理及实现方法的基础上，培养其动手能力及解决问题的能力；能配合创新型、综合性实验的开设，加强对学生创新能力的培养。

1 矿山供电网越级跳闸现象仿真分析

1.1 矿山供电网越级跳闸现象

某矿山供电系统如图1所示，各级保护整定值(一次动作电流)如图2所示，其继电保护常规的整定方法[1-2]为：矿山地面变电所6 kV母线处BAK1设两段式保护，Ⅰ段速断保护,按保护下井电缆长度的

50%进行整定,Ⅱ段过流保护按躲过最大负荷电流整定，动作时限为0.9 s；井下中央变电所出线处BAK3和采区变电所出线处BAK5、BAK6的Ⅰ段速断保护按上一级速断保护整定电流的0.9倍整定，Ⅱ段过流保护按最大负荷电流整定，动作时限0.6 s；井下中央变电所进线处BAK2只设速断保护，按上一级速断保护整定电流的0.9倍进行整定；采区变电所变进线处BAK4设两段式保护，Ⅰ段速断按上级速断保护整定电流的0.9倍进行整定，Ⅱ段按上级Ⅱ段定值进行整定。

图1 矿山典型供电线路示意图

图2 某矿山供电线路现行的保护配置

这种保护配置有明显的缺陷:矿山地面变电所6 kV出线的BAK1瞬时速断保护是按保护下井电缆的50%进行整定，将远小于按躲开被保护线路末端最大三相短路电流整定的动作值；同时也导致了以下各级速断保护定值过小，一旦末端线路出现短路故障，很容易导致所有速断保护同时动作，保护选择性差，出现越级跳闸，从而扩大故障影响范围。

1.2 矿山电网建模及越级跳闸事故仿真

在PSCAD/EMTDC上搭建矿山供电线路现行保护配置的仿真模型如图3所示。下井电缆保护模块、采区变电所电缆保护模块和采区电缆保护模块为封装模块。其中，以1#采区移动变电站为例，其两段式保护模块的详细模型如图4所示。

图3 在PSCAD/EMTDC中搭建的某矿供电系统现行保护配置的仿真模型

图4 两段式保护模块模型

通过仿真计算可得线路各短路点短路电流和短路容量如表1所示。下面以最大运行方式下，1#采区移动变电站线路末端发生三相短路为例进行分析。在1#采区移动变电站线路末端d4处发生三相短路时，短路电流为8.51 kA，大于BAK5的I段保护的整定值；同时也大于BAK1、BAK3速断保护定值，导致所有速断保护同时动作，使得保护的选择性差，出现越级跳闸，而扩大停电故障的影响范围。

表1 线路各短路点三相短路电流

2 防止越级跳闸措施仿真分析

2.1 防止越级跳闸措施

考虑到矿山供电线路较短以及井下电缆发生短路故障概率高等特点，采取以下措施防止越级跳闸：

(1) 针对下井电缆长度较短，在地面变电所6 kV母线至井下中央变电所间装设电抗器，增加地面6 kV母线和中央变电所母线处短路电流之差，有利于速断保护动作电流的区分，减小停电范围。

(2) 考虑到地面6 kV出线开关的重要性，下井电缆和井下中央变电所出现的保护均设置为3段式保护；且它们的I段瞬时速断保护动作电流均按躲过本线路末端最大三相短路电流来整定。

(3) 虽在地面6 kV至井下中央变电所之间增设电抗器，中央变电所之后多级保护之间动作电流的差距仍不能保证系统纵向的选择性，为解决这个问题，改变传统的II段时限与相邻线路I段时限配合的整定原则，在各出线处，II段时限按与相邻线路出线处II时限配合的原则进行整定。整定原则：按同一灵敏度系数法整定，在最小运行方式下线路末端发生两相短路时有足够的灵敏度。

(4) 一般定时限过流保护均按能躲过正常最大工作电流整定，但考虑矿山供电系统没有自启动现象的特殊性，故按躲过被保护线路的尖峰电流来整定。

(5) 采区变电所出线保护保持原有两段式保护不变，但对其I段的动作电流按保护线路全长整定，应躲过定时限过流保护的动作电流。

(6) 时限配合优化。采区变电所出线BAK5、BAK6的II段延时改为为0.2 s，有利于快速切除故障，并能在时限上更好的与上级保护配合。中央变出线开关BAK3设置瞬时速断、限时速断和定时过流3段式保护。在地面6 kV出线开关上设置3段式电流保护，定时过流时限与变压器过流保护配合，整定为0.9 s；本级限时速断整定为0.6 s。从采区变电所出线BAK5、BAK6直到地面变电所6 kV出线的BAK1，II段保护时限按阶梯时限整定，级差为0.2 s。

通过计算，矿山供电线路的保护整定结果(一次动作电流)如图5所示。

图5 优化后的矿山供电线路保护整定结果

2.2 矿山电网建模及防越级跳闸措施仿真分析

通过仿真计算可得加入电抗器后线路各短路点短路电流如表2所示。在PSCAD/EMTDC上搭建优化后的矿山供电线路保护配置如图6所示。下井电缆保护模块、采区变电所电缆保护模块和采区电缆保护模块为封装模块。其中，以下井电缆为例，其3段式保护模块的详细模型如图7所示。

表2 加入电抗器后各短路点三相短路电流

图6 在PSCAD/EMTDC中某矿供电系统优化后保护配置模型

图7 3段式保护模块模型

下面以最大运行方式下，1#采区移动变电站线路末端发生三相短路为例进行分析。在1#采区移动变电站线路末端d4处发生三相短路时，短路电流为4.532 kA，大于BAK5的I段保护的整定值；同时也大于BAK1、BAK3速断保护定值，导致所有速断保护同时动作，使得保护的选择性差，出现越级跳闸，而扩大停电故障的影响范围。

利用前述的优化措施，通过计算可得各级保护的定值和动作时限结果如表3所示。

线路防越级跳闸是通过限时速断的阶梯时限与动作电流整定优化来实现的。

表3 线路保护定值

下面以最大运行方式下，1#采区移动变电站末端发生三相短路为例进行分析。由于在下井电缆处加入了限流电抗器，拉大了动作电流的差距，在1#采煤机线路末端d4处发生三相短路时，短路电流为4.532 kA，由图5中保护整定值可以看出，BAK5段不动作，由于BAK1、BAK3的I段瞬时速断定值都大于短路电流，不会使开关的瞬时速断动作，不发生越级跳闸，保证了保护的选择性。

对于II段的限时速断保护，虽然各级动作电流整定值差距较小，动作电流不易拉开差距，但是由于引入

了阶梯延时，共设置了0.6、0.4、0.2 s的3级阶梯延时，仅靠时限的差距就可以保证限时速断保护的选择性。

对于III段定时过流保护，动作电流差距较大，对保证选择性起到一定作用；同样也采用阶梯延时，共设置了0.9、0.6 s的两级阶梯延时，保证限时速断保护的选择性。

以上各种保护，除瞬时速断的最小保护区有时为全长的20%外，其余所有的保护其范围均为全长，动作灵敏度均不小于1.5，故系统灵敏性完全有保证。

3 结 语

本文基于 PSCAD/EMTDC搭建的矿山供电线路越级跳闸仿真实验平台，可对矿山电网越级跳闸事故以及防止措施进行仿真分析。在教学过程中，把理论教学与实验教学有机结合，学生可在仿真平台上通过改变线路和保护参数观察矿山供电网络越级跳闸的现象，采取不同措施防止越级跳闸，更能深刻体会矿山供电系统继电保护的重要性。

实践证明，该仿真实验平台效果明显，并具有一定通用性和扩展性。

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An Experimental Simulation Platform of Mine Network Leapfrog Tripping Based on PSCAD/EMTDC

CAONa,SHIWenxiu,YUQun

(College of Electrical Engineering and Automation, Shandong University of Science and Technology, Qingdao 266590， Shandong, China)

According to the teaching need of mine power supply, an experimental simulation platform of mine network leapfrog tripping is built in this paper based on PSCAD/EMTDC. Firstly, the defects of the protection configuration of mine power network and the reasons of leapfrog tripping are explained with leapfrog tripping accident occurred in a coal mine 6kV network, and the simulation platform is used to restore the accident phenomena. Then according to actual situation of the coal mine, for example, the line of coal mine power grid is much shorter and the short-circuit probability of the underground cable is high, etc. measures are given to prevent tripping and the effectiveness is verified in the simulation platform. Theoretical teaching can be combined with experimental teaching through the platform. Students can observe the tripping phenomena of mine power network and take different measures to prevent tripping by changing the line and protection parameters on the simulation platform. So this method can help students understand the basic theory to ensure teaching effect, and also become a necessary platform for comprehensive and innovating experiments. The practice proves its practicability.

mine power networks; leapfrog tripping; experimental simulation platform

2016-07-10

山东省应用基础型特色名校工程项目

曹 娜(1971-)，女，山东泰安人，博士，副教授，主要研究方向:电力系统及其自动化。E-mail:caona_2006@163.com

TM 773

A

1006-7167(2017)03-0100-05