防越级跳闸保护技术在煤矿供配电网中的应用

2021-03-15李捷

煤矿现代化 2021年2期

李捷

（大同煤矿集团王村煤业，山西大同037000）

0 引言

近年来,煤矿开采的资金投入加大，煤矿安全问题得到有效缓解。但煤矿供电系统仍然会出现故障，停电事故的发生导致煤矿生产延误，造成经济损失，甚至大面积停电威胁井下工作人员的安全。为此，需要开展电力系统防“越级跳闸”的问题研究，排除线路故障的发生，保证矿井的安全生产。

本文结合王村煤矿供电系统情况，对当前继电器保护引发的跳闸进行分析和研究，总结出解决跳闸的技术方案，分析该设计方案的组成和原理，并开展试验研究，对于防止越级跳闸具有良好效果，对于煤矿井下电力系统的跳闸防护起到良好的效果。

1 越级跳闸原因分析

1.1 阶段式过电流保护

当前，煤矿供电系统对用电安全的保护方式未继电保护，即采用阶段式电流保护[1]。其对电力系统电流的保护分为三阶段式，包括过电流保护、限时快速熔断、零时限速熔断。在电力系统中，不同部位采取的保护方式不同。终端电路需要过电流保护和电流速断保护；源进出线需要定限时速断保护和零时限速断保护，不同的保护共同作用，使电力系统正常工作。

图1 限电流保护分级定时熔断时限图

1.2 煤矿电力系统保护分析。

王村煤矿电压35 kV 变电所6 kV 线路采用三段式过电流保护，零时限速断保护在电力系统I 段，该段线路依据电流最大值设计。如图1 中DL-2 保护大于母线端C 最大短路电流，提高电力系统可靠性，采用可靠的电流熔断装置；电力系统II 段采用限速断保护，使得电力系统的全部系统可以得到保护，电流值设定为最小短路电流系数，可以保护电流系统安全。根据用电部门安全使用要求，动作时需要小于6kV 总开关，为了避免大面积停电故障，影响矿井安全正常生产；电力系统III 段为过电流保护，用于最大负荷电流保护，保证电力系统正常工作，需要通过各个电力保护部分的结合来实现。

在电力保护过程中，王村煤矿井下变电所进行设计改进，高压馈出线路过流方式为两段式保护。煤矿井下环境复杂，生产要求独特，电力系统的管理也有较高的要求。发生电力故障时，需要能够快速切断，减少生产损失，避免人员伤害。电力系统的保护主要是零时限速断保护,电力系统的另外保护方式为过电流保护。主要的保护方式多是为了避免“越级跳闸”的发生，维护电力系统正常工作。

2 防越级跳闸的系统

2.1 针对该问题的解决方案

对于电力系统而言，矿井下和地面形成一个高速的电网系统，自动化接入了不同子系统，信息的传输速度快、效率高，能够适应现代煤矿企业的生产，信息的干扰也较少。针对这种情况的通信传输，需要采用先进的方案才能开展问题的解决，提高生产效率和降低失误的发生，具体方案如下：

1）引进智能网络继电保护方法。针对煤矿井下电力系统，设计一种能够短路闭锁的跳闸装置，采用煤矿井下的高速光纤作为通讯方式，进行电力系统监测和继电器保护。该装置与电力系统的保护装置形成“互锁保护”功能，对电力系统的保护更加全面，能够避免井下故障的出现。电力系统出现故障，距离其最近的开关跳闸，形成切断保护，当电流较大时，产生越级跳闸。故障部位在越级跳闸发生前提示工作人员开展检修，从而可以保证电力系统正常。

2）采用失压延时保护技术。电力系统中，采用智能保护可以使得系统具有备用电源，为了使得电力系统正常工作，需要通过内部释放线圈带电或者控制欠压带电。为了躲避电压波动，针对跳闸过程开展避免措施，更好的保护煤矿井下电力系统，采用失压延时技术。保证短路系统可以及时修复，系统能够减少故障时间。

2.2 系统设计

结合王村煤矿供电现场情况,为减少电力系统运行成本,需要改进新的方式。保护装置的反应速度要快，信息在传输中尽量避免延时，及时发现问题，提高保护措施的有效性，采用了2 种数据信式：

1）对于一个变电所而言，当2 个不同的保护装置较近时，可以采用双绞线硬导线方式直接相连。这样的连接方式不仅节约电力运行成本，而且能提高故障出现时的数据传输速度。

2）当2 个不同的保护装置较远时，不能采用双绞线连接，此时可以依靠以太网实现数据传输，在以太网上建立信号关联，使得2 个不同的保护装置通过以太网的连接实现数据的及时传递，从而对电力系统的保护具有积极促进的作用。

2.1.2 田间生长性状由表2看出，播期因素中，出苗率各处理表现为P4>P3>P2>P5>P1，越冬率P5明显低于其他处理。分蘖成穗率各处理均较低，其中P1明显高于其他处理，表明早播能够提高分蘖成穗率。P5处理由于最高茎数低(分蘖少)造成分蘖成穗率高于P2、P3及P4，冬前茎蘖及返青茎数表现为随播期推迟而降低趋势。分析认为，P4播期处理综合表现较好。密度因素中，基本苗、穗数和株高随密度增大而增大，出苗率呈下降趋势；各处理越冬率表现为D5>D4>D2>D1>D3,分蘖成穗率表现为D1>D3>D5>D2>D4。结合出苗率、分蘖成穗率分析认为，D3、D4密度处理综合表现较好。

2.3 系统组成

对于电力系统而言，防越级跳闸系统的组成较为复杂，主要由智能保护模块、变电所监控分站、失压延时模块、短路闭锁控制器、地面监控部分组成。不同的结构具有的功能不同，各自的功能共同保护电力系统运行。

1）智能保护模块。该部位根据电力系统中数据及时调整，采用智能化的方式保护运行。

2）通信监控分站。对煤矿井下电力系统各部分是否正常进行监控，并收集监控数据，传递给主站。

3）失压延时模块。当电力系统出现电压降低时，防止系统故障蔓延导致跳闸，采用欠压线圈供电。

4）短路闭锁控制器。当电力系统出现短路，该设备关闭上级开关，避免越级跳闸。

5）地面监控部分。煤矿井下环境复杂，对于电力系统的监控必不可少，该模块对于正常工作和故障的电力系统均可实现在线实时监控。

6）隔爆型摄像仪。煤矿井下环境恶劣，有时会出现瓦斯爆炸等极端情况，采用防爆型摄像仪可以抵御复杂环境，并开展实时监控。

该系统具有多种应用功能，能够保证煤矿井下电力系统不出现跳闸情况，也可作为继电保护，同时含有监控功能，对于煤矿电力系统的安全具有极大的保障。

3 系统工作原理

当煤矿井下电力系统出现短路，短路电流通过开关，短路故障点由较大电流通过，多种保护设备开展保护，进行电流的封闭或线路断开，保证电力系统不会出现更大的故障，甚至造成安全隐患。

出现故障的线路，在防越级跳闸系统中每个装置都对电力的保护具有重要作用，纺织上级电流进入下一级，从而维护电力系统稳定，使得电力系统不能动作跳闸。短路故障开关遇到短路信号电流，切断线路，保护其他部分，从而不会导致电流持续增大。当短路故障修复完成，电流在电路中的流通恢复，上一级开关启动后，在合理的延时时间内，电力系统工作更持久，性能更好，一般延时30～100 ms 后，短路被切除，防止故障蔓延，用于后面电路的保护。因此，这种方法具有保护后备电路和切除故障的优点，能够快速恢复电力系统的正常工作。

为了更好的分析，选择某一供电回路，其防越级跳闸结构图见图2。

图2 煤矿井下防越级跳闸结构图

对于该防越级跳闸系统来说，其含有多个变电所，即中央变电所和其他变电所。工作原理如下：当井下变电所出现短路故障，故障点发生在d1 位置，8、1、7、5#开关流通的电流未受到影响。8#开关保护装置获得短路电流信息，电流信息被传递到短路闭锁控制器，该控制器传递给7#总开关信号，闭锁其速断保护，保护线路。同理，7#开关将数据信号传递给5#开关，然后5#开关快速熔断。

当电路出现故障时，防跳闸系统中的开关接收到电流信号，启动保护装置，对电力系统进行保护，切断故障电路，防止故障蔓延和造成更大的损失。在故障发生时，如8 开关出现失效，7 开关在规定的时间内会进行故障的排除，并保证开关正常使用。在短路中，不同的设备在特殊条件下会产生放电效应，配合保护电力系统正常工作，提供井下作业的电力保障，有利于生产安全。

4 防越级跳闸应用实例

4.1 应用概况

王村煤矿供电体系主要分为2 个较大的部分，即煤矿地面部分和煤矿井下部分。防越级跳闸保护器是一种新型的保护装备，本次设计采用的型号未ZBT-11c 分布式，能够有效进行煤矿井下电力保护。对煤矿井下的电力系统进行保护，需要了解该电力系统的结构图，分析故障原因，找到避免跳闸的条件，才能开展电力系统的保护工作，保证电力系统正常工作，电力系统结构图见图3。

图3 电力系统结构图

由图3 可知，该电力系统包括控制中心、服务器、以太网、变电所等重要部分。保护电力系统，上下级母线都起到重要作用，明确不同线路关系，开展有效保护。当一条线路启动保护，采集的数据信息通过以太网快速传输，设备在接收到信息后，做出打开闭锁保护的动作。同时，被采集的数据传输到上级，然后继续升级，该事件有严格的确定范围，一般保证在10～30ms；从出现故障，到线路保护，电力系统能够解决不必要的故障，从而保证传输信息，才能进行闭锁保护。