煤矿分布式防越级跳闸供电系统设计

付云端

(晋能控股煤业集团 胡底煤业，山西 沁水 048200)

0 引言

煤矿供配电系统是维持整个煤矿开采作业安全高效运行的关键基础，因此确保其可靠运作至关重要。由于井下高压供电系统及变电所电压等级均为6 kV/10 kV，中性点运行方式差异较大，极易发生短路故障[1-4]。同时矿井供电系统的供电线路大多数较短，其线路阻抗小，短路电流较大，造成上、下级变电所短路保护无法通过时间级差进行配合。当下级回路发生短路时，其上、下级速断保护同时启动，造成上、下级保护同时动作或上级抢先动作，从而引起越级跳闸事故的发生[5，6]。越级跳闸不仅会严重威胁矿井供电、通风及其他重要安全系统的正常运转，且供电恢复流程十分繁琐，严重影响矿井开采工作的安全性及效率，因此需要通过对防越级安全系统的设计实现矿井供电系统网络智能防越级跳闸，提高煤矿供电可靠性。

本文在胡底煤矿35 kV及以下供电及电力监控系统的基础上对分布式防越级跳闸保护系统进行了设计，通过对地面配电室、井下中央变电所、井下盘区变电所等关键位置的高开综保器等硬件进行升级，并对系统的通讯系统进行重新架构，建立了分布式防越级保护专用信息传输通道，实现煤矿供电系统短路区域的高精度迅速诊断及故障切除，进而实现智能防越级跳闸。

1 系统总体方案设计

1.1 防越级跳闸系统建设方案

本文的防越级系统是在胡底煤矿原供电及监控系统的基础上进行设计的，主要对系统各部分的高开综合保护器等硬件进行升级改造，同时通过防越级控制器及RS485/CAN总线通讯搭建防越级保护专用通讯网络，从而实现各变电所间的防越级跳闸功能。具体建设方案如下。

1.1.1 地面35 kV站10 kV配电室

胡底煤矿地面变电所目前具备6台入井高压开关柜，不具备电力测控分站及防越级控制器，需在10 kV配电室安装1台矿用电力测控分站。为保持变电站监控系统的完整性，入井线路的6台开关柜各并接1台防越级高开综合保护器。防越级高开综合保护器通过RS485或CAN总线与电力测控分站进行通讯，搭建光纤防越级跳闸专用通讯网络，实现保护器数据的远距离传输[7]。

1.1.2 井下中央变电所

井下中央变电所配备有2台矿用电力测控分站及2台进线高爆开关综保器，并未设置矿用网络交换机，数据交互性较差，不具备防越级跳闸功能。因此需将2台高爆开关综保器升级为防越级高开综保器，并通过RS485总线与电力测控分站实现通讯。同时装配1台本质安全型网络交换机，防越级高开综保器经CAN总线接入至交换机中，从而搭建防越级光纤网络专用通道。

1.1.3 井下盘区变电所

井下盘区变电所硬件配置有1台矿用电力测控分站及6台高爆开关综保器，未安装矿用网络交换机。改造方案为将6台高爆开关综保器升级为具备防越级跳闸功能的综合保护器，通过RS485总线与电力测控分站实现通讯。同时配置1台本质安全型网络交换机，并将防越级高开综保器经CAN总线接入至交换机，搭建光纤网络专用通道，实现变电所间的防越级跳闸功能。

1.1.4 井下10#横川变电所

井下10#横川变电所的硬件配置与改造方案与井下盘区变电所相同，需要将所有高开综保器更换为具备防越级保护的高性能高开综保装置，同时安装本质安全型网络交换机。

1.2 防越级跳闸系统架构

根据上述建设方案，本文对适用于胡底煤矿供电系统的防越级跳闸安全系统进行架构，系统整体结构如图1所示。

图1 防越级跳闸安全系统总体架构

从图1可以看出，本系统主要由防越级高开综保器、本质安全型网络交换机和井下通讯光缆网络构成。各变电所的防越级高开综保器通过内部防越级专用总线连接至各网络交换机，各交换机再通过光缆互联，最终架构起独立的防越级通讯光纤网络。通过该独立高速通讯环网系统可完成数据的实时交互，从而迅速确定故障位置，高精度切除相应短路区间处开关，从而达到防越级保护的目的。

1.3 防越级跳闸保护系统动作分析

系统所有进线及联络开关均设置防越级保护、母差保护、零时延后备保护及过流保护，终端线路开关配有短路保护及过载保护[8]。本文以终端线及联络线故障为例对系统动作行为进行分析，如图2所示。

图2 防越级跳闸保护系统动作行为分析

1.3.1 终端线发生故障

当终端线a2处出现短路故障时，开关QF1、QF2、QF3、QF4、QF6均可感应到短路电流，此时开关QF1、QF2以及QF3、QF4通过防越级系统进行短路状态交互，判定为区外短路，对防越级保护进行闭锁，QF4则开启延时后备保护，QF6的速断保护立即动作，对短路点进行切除。若QF6此时拒动，则短路仍未被切除，此时QF4的延时后备保护立即执行并消除短路点；若QF4也拒动，或系统通讯失去响应，则系统主保护全部被闭锁，此时由带时间级差的过流后备保护动作对短路点进行切除。

1.3.2 联络线发生故障

当联络线a3处发生短路时，QF1、QF2、QF3、QF4、QF5均感应到短路电流存在，此时QF1、QF2、QF3、QF4、QF5通过防越级系统进行短路状态交互，确定短路出现在a3位置，此时QF1、QF2、QF3、QF4对防越级保护进行闭锁，并由QF4启动延时后备保护，QF5的防越级保护执行切除短路点任务。若此时QF5拒动，则立即执行QF4的延时后备保护消除短路点；若QF4也拒动，或系统通讯失去响应，则系统主保护全部被闭锁，此时由带时间级差的过流后备保护动作对短路点进行切除。

2 硬件方案设计

该防越级跳闸保护系统在原供电系统的基础上通过设置网络交换机搭建防越级专用通讯通道，将防越级高开综保器连接至电力测控分站，在实现防越级跳闸功能的同时还可实现煤矿各变电所当地集中监控及地面监控中心远程“五遥”功能。因此本系统硬件升级方案主要为矿用本安型网络交换机及具有防越级跳闸功能的高开关综保器的选型设计。

本文选用KJJ156型煤矿本质安全型网络交换机架构防越级专用通讯通道，其额定工作电压为DC 12 V，传输方式为TCP/IP以太网光信号传输，传输速率为100 Mb/s～1 000 Mb/s自适应，传输距离≥40 km。通讯接口传输方式为全双工CAN2.0B协议，数据传输速率为500 kb/s，最大级联保护器数量可达64台，满足本系统的通讯需求。

本文对原煤矿供电系统中的高低压开关综保器进行改造，将其升级为具有防越级保护作用的智能综保器。本系统选用ZBT-11C型防越级矿用智能高开综合保护器对井下高爆开关进行保护，ZBT-11C保护器除具备开关本体常规保护监控功能外，还可通过系统级联与灵活组网形成实时防越级跳闸网络。其内部采用32位高速CPU及通讯协议处理器，采用32点采样及通道幅值相位自动校准，使保护具有更高测量精度。在通讯方面，ZBT-11C具备RS485、CAN、以太网等通讯接口，联网更加灵活方便，具备主保护、后备保护、带时限过载保护等多达16种保护功能，是实现本系统防越级跳闸功能的重要设备。

3 软件方案设计

分布式防越级跳闸保护系统主要功能包括综合保护、开关量监测、电度计量、远近控制及数据管理等，软件具体功能如图3所示。

图3 分布式防越级跳闸保护系统软件功能图

防越级跳闸保护系统的动作机制不同于普通速断保护，当系统检测到故障电流时系统开启防越级主保护并判断是否接收到来自下级的闭锁信号，在接收到闭锁信号的情况下系统将通过延时对速断保护进行闭锁，延时结束若故障依然存在，则立即执行保护动作，实现防越级跳闸保护，系统主程序如图4所示。

图4 分布式防越级系统主程序流程图

4 结束语

本文为适应胡底煤矿供电系统防越级保护需求，在原供电及监控系统的基础上通过对防越级高开综保器及防越级控制器的选型设计了一套分布式防越级跳闸保护系统，系统采用CAN总线及光纤形式对防越级专业通讯网络通道进行架构，采用短路故障自主定位及开关故障信息自主交换协商的形式精确迅速切除短路点，达到了系统防越级保护的目的。