区域保护技术在防越级跳闸系统中的应用

王晓磊，魏 红

(1.山西省同煤集团机电管理处， 山西 大同市 037003；2.山西省同煤集团马脊梁矿， 山西 大同市 037027)

煤矿安全生产技术一直受到广泛的关注，与煤矿瓦斯治理技术的发展相比，井下安全供电技术已明显滞后，供电故障造成的瓦斯超限事故对矿井安全构成了严重威胁，轻则生产中断，重则发生人员伤亡事故。

煤矿供电系统普遍存在级联层次深、供电半径短、电缆线路多、定值配合难等特点，这就直接诱发了越级跳闸故障。这种情况下首末端故障电流难以区分保护范围，短路保护配合延时无法整定，导致保护没有选择性。系统末端产生的短路电流，可造成上下多级开关保护同时动作，使故障范围扩大，造成不必要的停电[1]。停电范围的扩大又导致故障排查工作量加大，使故障停电时间延长，严重威胁矿井安全。因此，研究煤矿供电的防越级跳闸系统迫在眉睫。对此，本文提出采用区域保护技术，并基于此开发出区域保护装置，解决仅依据故障电流无法区分保护范围、上下级时限配合等难题，从而消除越级跳闸现象。

1 区域保护原理

区域保护的原理是让各级保护之间通过信号传输进行联系[2]。无论系统中哪一级保护发生短路时，都会立即向上一级发送信号，将其闭锁；如果断路器发生故障时，上级保护立即做出反应，从而使母线达到快速跳闸的目的。这样就可以把短路故障最终确定在较小的区域内。

传统的“点保护”之间是靠短路电流和时间级差配合，仅根据自身信息对发生的故障进行判断，而“区域保护”之间是靠通讯配合，根据区域内所有相关信息对故障进行综合判断[3]，更适用于供电半径短、电缆线路多的煤矿供电系统。

当某一出线产生短路电流时，故障线路和其相应进线的继电保护电流元件启动，出线保护发出闭锁信号，进线保护收到信号后将跳闸出口关闭，出线保护发出跳闸信号，断路器断开，出线开关跳闸[4]；随后，出线保护识别到故障电流消失，将闭锁信号撤回，进线保护的跳闸功能随即恢复，实现故障排除；如果出线开关不动作，故障电流仍然存在，出线保护延时100 ms确认断路器不起作用后撤除闭锁信号，进线保护出口恢复，断路器跳开，达到失灵保护的目的；如果母线发生短路，出线没有故障电流，进线断路器跳开，实现故障排除[5]。

以1#、2#开闭所联络线为例，说明区域保护工作原理(见图1)。

系统正常运作期间，各级开关均闭合，限时过流保护时间整定为100 ms，假设t=0时，出线侧发生短路故障；t=20 ms时，CB4开关保护识别出短路电流，随即发出信号将上级开关CB3闭锁，通讯延时和程序延时总和不超过80 ms，同样，CB3闭锁CB2，CB2闭锁CB1；t=100 ms时，未闭锁的CB4出口断开，开关动作时间不超过100 ms；t=200 ms时， CB4开关处于跳闸状态，短路电流消失，随即发出信号将上级开关CB3闭锁解除，同样，CB3将CB2闭锁解除，CB2将CB1闭锁解除。

2 区域保护装置

区域保护装置如图2所示，DSP插件的作用是采集和处理本地开入信号，通过光网络进行信号交换，依据收到的信号指令来决定本机的输出动作，是该装置的重要组成部分。

图1 区域保护工作原理

图2 区域保护装置

DSP插件上包括14路开关量输入回路，2路脉冲量输入回路和通讯接口。开关量输入为220 V或110 V或24 V直流电，端子n215为开入公共端，与开入电源的负端相连，其中端子n201～n205安装有两级光隔，能够直接使得继电器动作，端子n206～n214安装有一级光隔，与DSP总线相连。端子n218为脉冲量公共端，2路脉冲量可以采集有功和无功功率。

3 区域保护通信装置

变电站之间的区域保护信号传递是通过区域保护通信装置来实现的，通信装置原理如图3所示。区域保护通信装置的2路开入在逻辑上是相或关系，也就是说无论哪个开入发出闭锁信号都是有效的；另外，该装置的2路开出在数据校验和地址匹配无误的情况下，只要收到闭锁信号，就可以将其传送到远端目标装置的出口。

本装置最多可以容纳16个设备串联在同一组网上，通过单环光纤网络进行信息交换，并且能够在不影响通讯性能的前提下设置多个上级，组网如图4所示。4台设备A、B、C、D可以分别设置本机地址和目标地址，构成网络上的上下级关系，例如： A的目标地址设置为 B的本机地址，而 B的目标地址设置为 C的本机地址， C的目标地址设置为 D的本机地址， D的目标地址与 A、B、 C、 D的本机地址都不同。这样就可以实现A向B发送闭锁信号，B向C发送闭锁信号，C向D发送闭锁信号，D为网络的最高级设备，A为网络的最低级设备。

图3 区域保护通信装置

图4 区域保护通讯模块组网

4 结 语

煤矿供电系统短路一般发生在末端，安装区域保护装置后，能够有效消除越级跳闸现象，停电时间由每次2 h缩短至每次5 min。按年产量200万t中等规模矿井计算，平均每年因故障停电8次，产量减少3653 t。按每吨500元计算，则每年可为企业减少183万元的经济损失。在实际应用中，区域保护技术能够准确识别故障段，消除长期困扰煤矿的越级跳闸问题，大幅提高了煤矿供电可靠性，具有良好的经济和社会效益。

参考文献：

[1]乔记阳.基于CAN总线的煤矿井下防越级跳闸系统的研究[D].焦作：河南理工大学,2010.

[2]王相君.煤矿电网分布式区域保护的应用[J].同煤科技,2014(3):22-24.

[3]刘华峰.基于区域保护技术的井下防越级跳闸方案[J].能源与节能,2015(10):157-158.

[4]王长春.500 kV主变压器继电保护若干问题研究[D].北京：华北电力大学,2009.

[5]西安供电局.一种开闭所分布式站域保护方法：中国专利，2010102225622[P].2010-11-24.