分布式区域保护技术在煤矿供电系统中的应用

张美茹

(中煤西安设计工程有限责任公司，陕西 西安 710054)

0 引言

煤矿供电系统主要采用电缆连接的供电方式，具有供电半径短、级联层数多，线路的电容电流较大等特点，使得保护定值难以整定，在时限上无法有效配合，经常造成越级跳闸现象的发生，给用户的安全生产带来极大的困扰[1-3]。因此，解决越级跳闸问题十分必要。某煤矿的井下供电系统，采用由地面变电站通过多回路10 kV电缆直供井下变电所的供电方式，有别于其它煤矿采用双回路10 kV线路连接到井下主变电所，然后由主变电所供采区变电所用电的供电方式。这种井下供电方式采用8路10 kV高压电缆直接将高压电能供给矿井各负荷中心，发生短路故障时，停电范围相比于传统级联供电方式要小，提高了矿井供电可靠性。此外，相对于其他供电方式，系统电容电流大，发生单相接地时，造成接地点电流大，电弧难以熄灭，系统出现弧光过电压，严重影响了煤矿的供电安全。

为此，结合该煤矿近期频繁发生大面积停电的情况，深入分析引起越级跳闸的主要原因，并开展防越级跳闸系统的建设，以期构建带有选择性漏电保护及防越级跳闸功能的电力安全监控系统，进而确保煤矿安全生产、人员安全作业。

1 供电系统分析

1.1 供电系统现存的问题

通过对该煤矿供电系统的深入调研，发现由于煤矿井下环境恶劣，工作条件差，井下变电所防爆开关内的综合保护装置存在着不同程度的元器件老化以及性能降低等问题[4-5]。在生产过程中，系统大量采用变频器及软启动器等设备，产生的谐振过电压，使得煤矿供电系统发生高压短路故障，造成高压综合保护经常动作于跳闸[6-7]。高压综合保护装置二次回路接线老化、松动，致使回路异常，也易造成保护拒动、误动。在检修过程中，由于安装工艺或操作水平的限制，使得设备在过电流的情况下，由于热和电动力的作用，极易造成设备操作机构变形，形成保护拒动、误动。高开综合保护装置自身原因。国家电网公司规程规定，一般性110 kV及以下变电站综合自动化系统的更换周期为6年，煤炭行业井下运行环境更加恶劣，一般性的电力电子产品3～5年就会出现不同程度老化[8]。

1.2 可能造成越级跳闸的原因

矿区目前的供电系统，需要配合的保护达到五级，按照继电保护整定规程的要求，现有的保护配置，无法满足选择性。根据提供的矿井供电系统图，所标注的系统短路电流没有体现最大运行和最小运行方式的短路电流数据。由此推定，系统保护定值需要核准，矿区出现的保护越级问题和定值整定不合理有关[9-12]。通过与技术人员交流以及近半年来发生的故障情况看，供电系统的故障与消弧装置的消弧存在异常的情况相关。现场调研发现10 kV消弧装置的控制器处于非正常运行状态，拟试消弧装置，无法正常工作，即消弧装置不能调节，不能发挥正常的作用。10 kV供电系统仅安装有二次消谐装置，未见一次消谐装置。二次消谐的消谐效果不可靠，一般是作为一次消谐的补充。矿区大量采用电力电子设备，供电系统谐波水平不详，可能会对消弧能力及保护可靠动作产生影响。

2 越级跳闸原因分析

2019年4月，该矿发生数次开关跳闸事件，现调取110 kV变电站故障录波装置的数据进行分析。

2.1 故障概况

2019年4月14日晚21时55分，由于上仓变1号进线电缆发生故障，造成该煤矿110 kV变电站10 kV Ⅲ段1012中央变2出线保护过流I段动作，故障录波如图1所示。从录波图形的时间坐标轴上可以看出，在9 ms左右，10 kV Ⅲ段上的母线电压Ua、Ub、Uc瞬间降低，电压方向相同，紧接着三相电压出现剧烈震荡，其最高幅值为正常值的1.5倍左右，系统产生过电压，发生电压不平衡现象，与此同时，10 kV Ⅲ段也出现了零序电压，在35 ms左右，3#主变的低压侧三相电流也突然增大，其中Ia、Ib的方向相同，Ic的方向相反。在18 ms左右保护开始动作，持续时间为17 ms。在220 ms左右，断路器跳闸，此时，零序电压和电流消失，系统恢复正常。由此可以判断出系统发生了单相接地故障，导致断路器跳闸，引起停电。

图1 2019年4月14日晚21时55分录波图

2.2 故障原因分析

故障录波器在当晚22时29分13秒、22时29分27秒、22时29分37秒、22时45分08秒记录到多次短时间单相接地，如图2所示。从图2中可以看出，在10 ms左右，10 kV Ⅲ段母线上的电压发生变化，Ua增大、Ub减小、Uc增大，同时检测到母线出现零序电压，与此同时，3#主变的低压侧Ia、Ib、Ic也出现了增大，在420 ms左右，故障消除，电压和电流都恢复到正常水平，由此可以判断出系统发生了谐振过电压。从图3中可以看出，Ua、Uc增大，方向相反，Ub减小，与此同时，产生零序电压，3#主变的低压侧Ia、Ib、Ic也出现了增大，在480 ms左右，故障消除，由此得知系统发生瞬时性单相接地故障。从图4中可以看出，Ua、Uc增大，方向相反，Ub减小，与此同时，产生零序电压，3#主变的低压侧Ia、Ib、Ic也出现了增大，在600 ms左右，保护出z口动作，断路器跳闸，零序电压消失，电压和电流恢复正常，在2 300 ms左右，故障再次出现，由此可以判断出系统发生了间歇性的弧光接地。

图2 2019年4月14日晚22时29分13秒录波图

图3 2019年4月14日晚22时29分27秒录波图

图4 2019年4月14日晚22时29分37秒录波图

3 防越级跳闸系统建设

防越级跳闸技术是目前解决煤矿高负荷密度区域短距离保护越级跳闸问题的有效手段，针对该矿井供电现状及频繁发生单相接地引起的越级跳闸事故，拟采用防越级跳闸技术。

3.1 防越级跳闸系统结构

供电监控及防越级跳闸系统结构如图5所示，整个供电监控及防越级跳闸系统采用分层、分布式光纤环网结构，分别为管理层、网络层、间隔层。井下各变电所中具有防越级跳闸功能的保护组成间隔层，各变电所内的电力监控分站通过内部交换机彼此相连，最后通过通讯管理机将各变电所的四遥信息传至地面监控后台中心。各变电所之间通过交换机将本级高开保护器发出的闭锁信号分别传至各自的上一级保护，上级保护装置在接到下级保护装置发出的闭锁信号后将闭锁保护出口并开始计时，达到延时，故障依然没有消除则认为下级保护拒动，从而动作于本保护出口跳闸切除故障。站与站之间通过下级变电站进线与上级变电站出线之间传递防越级闭锁信号；站内由各条出线与进线之间传递防越级闭锁信号。

图5 供电监控及防越级跳闸系统结构示意

3.2 分布式区域保护

3.2.1 关键技术

在地面110 kV变电站8回路下井间隔中加装防越级跳闸单元模块，在井下中央变电所和采区变电所更换具有防越级跳闸功能的微机保护装置，变电所的各级保护通过本站的电力监控分站与彼此建立信息联络。当这三级变电所中的任意一条供电链路的本地保护装置检测到短路故障时，立即向该链路上的所有保护单元发送闭锁信息，保证除本级保护之外其它保护装置不动作。若本地开关的断路器无法正常动作时，该链路上的上一层保护可快速动作，尽可能地减少该故障的影响范围。对于该矿的地面110 kV变电站、井下中央变和采区变电所，本次项目改造中采用基于工业以太网进行信息的传输，采用IEC 61850通信规约实现信息的交互。应用区域保护技术和参数识别原理将该矿供电系统建设的更加合理，通过技术升级和系统规划，进一步提高了该矿的动力系统的性能，为下一步实现无人值守变电站打下坚实的基础。

3.2.2 保护性能

分布式区域保护采用突变量作为启动判据，动作灵敏。现以图6为例，对保护动作性能进行分析。以该矿的中央变电所一段母线为例，在其进线开关和各条出线开关中安装XRKJ-600智能保护装置，当t0=0时刻，1#出线发生相间短路故障，此时，该链路上的XRKJ-600都检测到故障电流，保护动作判据成立，同时，1#出线的保护装置向其上一级进线保护发送闭锁信号，这一过程耗时5 ms，即为t1时刻。当进线保护装置收到该闭锁信号时共需约10 ms时间，即为t2时刻。由于进线保护装置收到闭锁信号的时间早于保护速断出口的时间，因此，进线保护装置不动作于跳闸。出线保护在没有收到其它相邻保护装置的信号，于是，在延时约20 ms之后，即t3时刻，其速断保护动作，及时切除故障。当检测到故障信号消除后，随即向进线保护发送解除其闭锁的信号。另外，对于在短路情况下，保护出口动作而断路器拒绝执行动作的情况也进行深入研究。t0～t3时动作相同，在(35+60+15)ms之后(当前真空断路器动作跳闸大约需要50～60 ms的时间)，1#出线保护XRKJ-600仍然检测到故障电流，则判断该级开关的断路器出现拒动现象，此刻，主动向该段母线的进线保护装置发送解除闭锁的信息，当进线保护装置收到下一级保护的信号后，判断出线失灵，解除本级闭锁，经过160 ms后，作为下一级保护的后备，出口动作切除故障，如图7所示。

t0—出线故障；t1—发出闭锁信号；t2—进线闭锁；t3—跳出线(固有延时)；t4—出线失灵，跳进线

t0—出线故障；t1—发出闭锁信号；t2—进线闭锁；t3—跳出线(固有延时)

3.3 基于参数识别原理的漏电保护

3.3.1 参数识别原理的优点

煤矿供电系统为中性点经消弧线圈接地系统。为避免系统谐振，消弧线圈一般过补偿8%～10%运行，线路发生单相接地时，接地电流工频信号微弱且方向难以识别，故难以选线。为此，漏电保护装置采用先进的参数识别原理不受消弧线圈和过渡电阻影响，可准确识别单相接地线路，实现选择性漏电保护；产品不需专用的耦合设备，不改变系统结构，安全性高且节省成本；并且可以利用本线路的信息即可判断是否接地，具有自举性；产品具有良好的电磁兼容性能，各项指标均达到国家及行业要求的最高标准。根据参数识别原理，将一个有M条出线的线路等效为集中式参数模型，在中性点经消弧线圈接地的系统中某条线路i发生单相接地故障时，该系统的零序网络如图8所示。

图8 中性点经消弧线圈接地系统单相接地故障零序等效网络

3.3.2 参数识别原理的应用

系统正常情况下，中性点电压为零。若发生单相接地故障后，系统的中性点电压升高，即为Uf0。如果线路i发生了单相接地故障，则其对地的零序电阻、零序电感和母线侧及负荷侧零序电容分别用R0i，L0i，C0i1和C0i2表示。在中性点经消弧线圈接地系统中，发生单相接地故障时，可以将母线侧对地电容用C0i1表示，各条线路的负荷侧，用一个对地电容C0i2表示，这样，该系统的任何一条出线也就构成了∏模型结构。由于线路中等效的零序电阻和零序电感对零序电流变化影响较小，对地电容的电气参量变化尤为显著，因此，选择求解模型得到的计算电容参数值序列为故障判据，如果该线路对地电容的计算值为负，则判为故障线路，即

(1)

式中，C(k)为计算所得电容参数序列。若线路对地电容计算值为正，则判为正常线路；当所有线路判为正常线路时，认为母线故障。

3.4 防越级跳闸系统建立应注意的问题

所更换的高压开关保护装置及通信装置必须满足防爆要求，取得国家相关部门的认证报告。保护装置应具备良好的电磁干扰能力，在煤矿恶劣的环境下能够正常安全稳定的工作。保护装置应在系统失压或电网发生波动的情况下不发生误动作；防越级跳闸系统尽可能采用分层分布式原则进行建设，便于后期的维护和管理。系统采用光纤环网进行通信，防越级跳闸系统的网络建设时，应与其它系统的网络分开，系统的数据和信息实行专网传输。

4 结语

由于煤矿井下环境比较恶劣，电气设备种类繁多，在建设和维护的过程中，设备故障时有发生，为了防止越级跳闸所造成大面积停电，煤矿供电系统选择建设防越级跳闸系统。采用了新原理、新技术、新思想的具备防越级跳闸功能和漏电保护功能的防越级跳闸系统，能够有效消除各种故障误动、拒动等问题，提高该煤矿供电系统的整体可靠性和安全运行水平，实现了供电系统的无人值守。