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

李 雷

（兖州煤业股份有限公司东滩煤矿，山东 济宁 273500）

0 引 言

安全生产是煤炭开采工作中的首要问题。要想确保矿内工作者的生命和财产安全，必须有一个稳定运行的供电系统，因此有效防护电路十分重要。在煤矿地面变电站到地下中央变电站、采煤工作面以及采矿生产区之间，许多安全生产动力源都采用垂直、多层以及线性的生产动力源。生产过程中，这种类型的煤矿的生产电源线之间的距离较短，如果电源线发生故障，电源线上游的多级开关将同时检测电流信息。但是，短路保护的反应时间太短，难以实现延时，不能通过延迟设置完成煤矿多级开关跳闸顺序。因为电源线的第一次跳闸极有可能会引起系统内某个节点的随机跳闸发生短路，使得多级开关同时停工，从而导致煤矿大面积停电。这对煤矿生产工作来说，不仅会造成巨大的经济损失，还存在很大的安全风险。

1 煤矿供电系统的现状分析

在煤矿生产中，煤矿供电系统生产和供电出现故障是常有的现象。随着煤矿的发展，各类生产设施、安防设施以及通信设施的齐备使煤矿内的开关种类越来越多，且开关不同其保护元件和线路也不相同，有时还会相互冲突，导致故障频繁发生。其中，越级跳闸是最频繁且危险的问题之一，对煤矿生产来说是很大的安全隐患。一般来说，在预防和控制煤矿供电系统过度跳闸问题时，常用的几种预防和解决方法主要包括防止电气锁定方法、变电站集中控制防止跳闸技术方法以及基于整个网络数据共享的数字化变电站防止超限技术方法[1]。

2 针对电路跳闸的防护方案分析

2.1 电源回路闭锁防护

在煤矿供电系统跳闸故障的预防控制中，断路器、隔离开关以及接地刀闸等辅助触点访问相关电气设备工作电源电路的防锁定跳闸控制方法比较简单，且其防控的目标都比较清晰。

在预防控制的实际应用中，往往很难达到预期的效果和目的。首先，这主要是因为煤矿开采生产中供电环境比较复杂，所以供电运营容易受到各种强大因素的干扰。因此，在电气锁定预防和控制方式下，不能可靠传递电缆电气锁定信号。在防止煤矿供电系统的作业跳闸错误时，可能会出现错误跳闸和电气锁定控制方法的拒绝，影响煤矿供电系统脱离故障电锁控制方式的预防效果。其次，由于煤矿供电系统故障预防和控制过程中实现电气关闭的电缆线路很多，它们之间的连接关系复杂，因此在煤矿电力生产运营中，在同一变电站内利用多条电线和一条进入线来完成电路开关建筑物的电气关闭，需要逻辑锁定装置。但是，在实际供电系统的变电站中，电力线使用的是双电路电源。不管线路维护或供电线路是否正常工作，它都可以进行两条线路的切换，使电源分离且并行工作。因此，根据实际供电方式动态调整供电电路，可能需要多个插座和一条导线之间的闩锁关系，使得逻辑锁的实际设计更加复杂。随着连接的电缆电路数量越来越多，工作量也在不断加大，使得电气锁的设置难以兼顾所有问题。最后，如果使用电动锁方式来防止煤矿供电系统超速跳闸故障，由于电动锁系统自检信息不完整，锁或电缆线路出现故障将无法及时发现并报警，使得电缆线路的故障排除变得更加困难。这种先进的防跳跃技术是实际应用中的重要限制之一。

2.2 分站集中管控技术

采用该技术的供电系统中必须至少安装一个变电站设备。安装的变电站必须是该地区所有跳闸开关之间的通信链路，以预防和控制闸位越级跳断的错误。只要煤矿生产线的供电系统中任意一条线路发生短路，则预防开关跳断的元件会将检测到的所有信息都传递给供电系统的变电站。变电站根据预置的供电网络关系确定最接近故障位置的开关，通过控制命令控制最接近的开关完成跳闸故障控制和预防电源操作。在实际应用中，这种防止跳闸的方法对通信系统的可靠性要求很高。实际应用程序中出现通信故障或问题时，故障点识别容易出错，因此防止超限跳闸的控制也可能会出错。此外，这种控制方法在控制方面也存在明显的局限性，因为实际预防和控制应用中相同级别的开关故障会导致更高级别的开关故障，从而导致新的越级跳闸错误。

2.3 结合信息技术的数字化防护

结合信息技术的数字化防护的实现，首要条件是要保持网络的畅通。因为数据共享是数字化控制的基础，要求每个故障检测和防护装置都装有光纤数字收发信号器。通信接口通过光纤实现煤矿地下位置保护器和地面变电站保护器到数字化变电站综合单元结构的电气信息传输。收集到的电路信息导入计算机后，通过系统自动识别故障点并控制跳闸。

这种防跳技术一般用于煤矿供电系统的跳闸故障控制。高开放保护装置属于煤矿地下工作环境中使用的特殊本质安全和防爆产品类型，因此用于性能设计和安全检查时必须严格区分继电器和保护装置，以确保高开放保护程序的应用性能和质量效果。数字化变电站是以智能传感器技术和高速通信网络技术为基础的新型变电站模型，在实际应用中的主要作用是减少变电站内部的传统高压变压器、电流变压器、控制电路等二次设备。由于供电系统之间的电缆连接数量很多，将煤矿供电系统的跳闸问题与通过网络共享的数据的数字化变电站连接起来几乎没有意义[2]。3种方案的对比分析如表1所示。

表1 3种方案对比

3 结合纵联差动防护原理的新型技术设计与应用

上述方案较差的实用性一直制约着煤矿的安全生产。经过不断研究，专业人员结合纵联差动电学原理，提出了一种新型的防护技术，将有效改善煤矿电路系统跳闸故障频发的现象。

3.1 工作原理

根据基尔霍夫定律，可以简单可靠地确认一个地区的电路内部或外部是否存在障碍，以决定是否拆除电路。目前，该技术比较成熟，已广泛应用于地面输配系统。

工作原理如图1所示，垂直连接发电机两侧型号相同的电流互感器的第二个侧面图标的极性末端。将差动继电器接入系统，一旦发生异常操作或外部故障，和就会产生逆流，此时KD1的电流为：

3.2 防越级跳闸方案设计

图1 工作原理图

该方案的特色之一是在ZKJB-2000这一新型高压开关综合保护装置中加入了32位的DSP芯片，结合三级过流保护和地面光纤纵向电流差动等原理，通过矿井中的供电系统内建立垂直通信网络来确保高压电路系统不会发生短路故障，从而规避跳闸带来的安全风险，保障矿井内的供电安全。发生短路故障时，短路点由最近的开关跳闸，迅速消除（隔离）故障，防止过度跳闸并确保系统电源的可靠性。同时，ZKJB-2000新型高压开关综合保护装置具有嵌入式电源网络关系自动识别算法。联系开关（总线耦合器）打开/关闭更改时，出站开关会自动识别父电源开关（输入线路），并在具有父电源和子电源关系的多个开关之间快速重新配置差动保护算法，以避免在各种电源模式下发生高跳闸。

在每个开关保护器中都加入新型的识别算法来检测故障，一个交换机出现故障时不会影响其他交换机的纵向差异算法的正常运行。此外，如果交换机通信失败，ZKJB-2000的新高压交换机综合保护装置将自动切换到普通的三级过流保护功能，而不需要交换机拒绝操作。

首先，在同一变电站内部树状分布电缆，通过纵向联结实现在线通信。在同一变电站中，所有ZKJB-2000交换机综合保护设备均通过屏蔽双绞线电缆建立相应的通信网络，均成树状分布，如图2所示。

图2 站内新型防护联机组网方案

其次，不同变电站之间通过光缆传输实现通信，通过上下变电站之间的光纤建立纵向差异在线通信，防止信号传输过程中的电磁干扰，从而提高信号传输性的可靠性。此时，每个子站都需要连接光缆的光学数据接口。当两个子站之间的距离相对较短（通常在500 m以下）时，信息传输能够保持稳定和质量，并且可以使用直接连接电缆的方法。

最后，在中央变电站安装、监视以及维护变电站（可选）。如果矿区变电站离中央变电站较远或者整个系统的电源水平在3以上，建议在中央变电站安装1个变电站，使其除了具备光纤数据收发和光电转换功能外，还能够集中监控垂直的差异网络中每个交换机的网络通信状态是否良好，以方便使用警报记录等任务参数和远程维护各个保护程序。

3.3 实际应用分析

以三级供电关系在某矿井内的供电系统应用为例，中央变电站的17号出站开关和2号变电站的1号入站开关构成垂直差动保护关系。当两个开关之间的电源线短路时，纵向差动保护算法以光纤电流为基础，两个开关被识别为内部错误并迅速断开，而另一个开关被识别为外部错误。根据当前纵联差动保护的算法，在同一个变电站，第二个变电站的3号和5号开关和1号电线开关分别构成纵联差动保护。目前，通过纵联差动保护算法，将5个交换机识别为内部故障，迅速断开连接，将另一个交换机识别为不在区域内，则保持不变。

实际应用中，在中央变电站设置监视变电站，实时监控整个防跳网络的运行状态。发生网络故障时及时发出警报，并准确通知管理员故障点的位置，以便于网络维护和服务。在2号和10号变电站分别设置光纤数据接口，在站内完成电信号向光信号转换的功能，监测站内数据信号和变电站实时数据是否正常。

4 结 论

通过比对当下使用较多的3种方案发现，在煤矿供电系统内进行防护越级跳闸时，纵联差动保护方式理论较为成熟，且其内部构造简单的装置以及针对性排除故障的工作模式与我国目前的矿内供电系统现状相契合，符合长远发展需求。系统及高压开关柜为了实现自动警报和快速维护，可以安装网络监控点等辅助设备，以确保整个方案的实用性。可见，基于纵联差动保护的调试技术是一种比较成熟简单的技术方法，设计和应用简单，针对性强，应用优势突出。