王建文

(西山煤電集團(tuán)公司杜兒坪礦，山西 太原 030022)

煤礦井下供電系統(tǒng)存在供電距離短、延伸級(jí)數(shù)多的特點(diǎn)，短路保護(hù)難以整定，越級(jí)跳閘的現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生，傳統(tǒng)意義上的光纖縱差保護(hù)難以解決。下面結(jié)合煤礦井下供電保護(hù)技術(shù)的現(xiàn)狀，闡述造成礦井供電越級(jí)跳閘的主要原因，分析煤礦系統(tǒng)“防越級(jí)跳閘”技術(shù)的原理及推廣應(yīng)用情況。

1 礦井電網(wǎng)存在“越級(jí)跳閘”的原因

煤礦井下巷道狹窄，空氣潮濕，在此環(huán)境下使用的電器設(shè)備、供電電纜和電纜接頭容易發(fā)生漏電和短路事故。目前，我國(guó)煤炭企業(yè)電網(wǎng)多為多級(jí)輻射狀的供電模式，其特點(diǎn)為供電線路短，延伸級(jí)數(shù)多，不同級(jí)別的短路電流很接近，一旦線路某處短路，短路電流可達(dá)數(shù)千安到上萬(wàn)安，短路點(diǎn)上面的各級(jí)開(kāi)關(guān)都滿足電流速斷保護(hù)跳閘條件，當(dāng)上級(jí)開(kāi)關(guān)跳閘靈敏度高時(shí)上級(jí)開(kāi)關(guān)跳閘，造成越級(jí)跳閘，甚至?xí)苯釉斐傻孛孀冸娬鹃_(kāi)關(guān)越級(jí)跳閘，特別是35 kV系統(tǒng)，造成全礦井停電的惡性事故，甚至?xí)霈F(xiàn)主扇停風(fēng)事故。傳統(tǒng)的三段式過(guò)電流保護(hù)無(wú)法兼顧保護(hù)動(dòng)作快速性和選擇性的要求，當(dāng)井下供電系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，普遍存在“越級(jí)跳閘”現(xiàn)象，造成恢復(fù)供電時(shí)間延長(zhǎng)，直接影響井下的安全生產(chǎn)。在煤礦供電電網(wǎng)中，造成越級(jí)跳閘的主要原因主要有以下幾種:

1)短路保護(hù)難以整定。

井下供電線路短、多級(jí)變電所級(jí)聯(lián)導(dǎo)致拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)復(fù)雜，短線路零秒的速斷保護(hù)無(wú)保護(hù)區(qū)，在線路末端發(fā)生短路故障時(shí)，其上級(jí)開(kāi)關(guān)及上幾級(jí)開(kāi)關(guān)感受的短路電流幾乎差不多，各級(jí)開(kāi)關(guān)的零秒速斷保護(hù)無(wú)選擇性跳閘而造成越級(jí)跳閘;井下供電系統(tǒng)沒(méi)有時(shí)間級(jí)差，過(guò)流保護(hù)整定困難，在發(fā)生短路故障時(shí)，極易出現(xiàn)越級(jí)跳閘的情況。同時(shí)，井下防爆開(kāi)關(guān)的拒動(dòng)現(xiàn)象也時(shí)有發(fā)生，也極易造成越級(jí)跳閘現(xiàn)象的發(fā)生。

目前的系統(tǒng)以短路保護(hù)為主保護(hù)，系統(tǒng)圖上每個(gè)藍(lán)色小方塊代表一個(gè)短路保護(hù)。當(dāng)采區(qū)變電所任何一條負(fù)荷線出現(xiàn)故障時(shí)，都有可能導(dǎo)致上一級(jí)變電所開(kāi)關(guān)跳閘，即“越級(jí)跳閘”，導(dǎo)致停電范圍擴(kuò)大。

2)傳統(tǒng)意義上的光纖縱差保護(hù)不能解決所有問(wèn)題。

將傳統(tǒng)的光纖縱差保護(hù)作為聯(lián)絡(luò)線的主保護(hù)，能夠可靠解決部分“越級(jí)跳閘”問(wèn)題，但對(duì)于三端線路及多端線路卻不能解決。因?yàn)楝F(xiàn)有的光纖縱差模型全部是根據(jù)兩端線路配置的，如果需要對(duì)多端線路進(jìn)行光纖縱差處理，則存在技術(shù)上的難點(diǎn)而無(wú)法實(shí)現(xiàn)。

3)失壓保護(hù)時(shí)延難以整定、開(kāi)關(guān)拒動(dòng)。

大多井下保護(hù)器的失壓保護(hù)動(dòng)作延時(shí)不能整定，為瞬動(dòng)，另外部分失壓脫扣動(dòng)作值不準(zhǔn)確。饋線距離母線很近的地方發(fā)生短路故障時(shí)，母線電壓短時(shí)失壓，該段母線上其他開(kāi)關(guān)的失壓保護(hù)誤動(dòng)作也容易導(dǎo)致“越級(jí)跳閘”。

煤礦井下高爆開(kāi)關(guān)質(zhì)量參差不齊，開(kāi)關(guān)動(dòng)作速度差異較大，由于開(kāi)關(guān)拒動(dòng)造成的越級(jí)跳閘也時(shí)有發(fā)生。

4)井下缺乏母線保護(hù)。

母線上短路故障沒(méi)有相應(yīng)的快速切除保護(hù)措施，故障切除時(shí)間長(zhǎng)，母線短路時(shí)，母線損壞嚴(yán)重，同時(shí)母線故障時(shí)也極易造成越級(jí)跳閘。越級(jí)跳閘導(dǎo)致停電范圍擴(kuò)大，嚴(yán)重影響了煤礦的安全生產(chǎn)，傳統(tǒng)的基于單臺(tái)開(kāi)關(guān)數(shù)據(jù)過(guò)流保護(hù)原理的微機(jī)保護(hù)解決不了此問(wèn)題。

5)漏電保護(hù)難以實(shí)現(xiàn)比較。

井下傳統(tǒng)的漏電保護(hù)的抗電磁干擾能力差，數(shù)據(jù)傳輸速率及處理速度慢，各支路零序電流只能根據(jù)自身情況進(jìn)行判斷，無(wú)法實(shí)現(xiàn)與其他支路及上級(jí)支路進(jìn)行比較判斷。電纜漏電后發(fā)展成短路故障，極易造成越級(jí)跳閘的發(fā)生。

2 煤礦系統(tǒng)領(lǐng)域常見(jiàn)“防越級(jí)跳閘“的原理

1)系統(tǒng)根據(jù)IEC61850 GooSE國(guó)際規(guī)約進(jìn)行設(shè)計(jì)施工，傳輸方式上采用“以太網(wǎng) IEC61850，IEC61870－5－104→隔爆交換機(jī)→工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)→地面監(jiān)控→監(jiān)控→保護(hù)系統(tǒng)”構(gòu)建數(shù)據(jù)通道，利用IEC61850的GOOSE技術(shù)實(shí)現(xiàn)保護(hù)測(cè)控設(shè)備之間的快速信息交換。

建設(shè)防越級(jí)跳閘系統(tǒng)時(shí)，需要將井下高開(kāi)保護(hù)裝置全部更換為研發(fā)的新裝置，井下變電所配置交換機(jī)，裝置與交換機(jī)之間采用電纜通訊傳輸，地面配置環(huán)網(wǎng)交換機(jī)和后臺(tái)機(jī)，由井下保護(hù)裝置實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)信號(hào)傳輸?shù)浇粨Q機(jī)，到地面環(huán)網(wǎng)交換機(jī)傳給后臺(tái)機(jī)，最終將信息傳到千兆環(huán)網(wǎng)交換機(jī)進(jìn)行分析處理。系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)采集到故障時(shí)，先啟動(dòng)保護(hù)系統(tǒng)，取故障電流和裝置定值進(jìn)行分析比較，從采集到故障電流信號(hào)到保護(hù)信號(hào)出口時(shí)間在35 ms內(nèi)完成，加上開(kāi)關(guān)固有動(dòng)作時(shí)間60 ms，故可在95 ms內(nèi)完成跳閘動(dòng)作，當(dāng)遇故障點(diǎn)最近的開(kāi)關(guān)不動(dòng)作的情況時(shí)，系統(tǒng)將上級(jí)所有的保護(hù)裝置全部啟動(dòng)，點(diǎn)對(duì)點(diǎn)廣播式的發(fā)出信號(hào)，上級(jí)開(kāi)關(guān)誰(shuí)動(dòng)作時(shí)間快誰(shuí)動(dòng)作。

2)系統(tǒng)采用點(diǎn)對(duì)點(diǎn)，裝置配合的原理進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，從而實(shí)現(xiàn)防越級(jí)跳閘功能。施工時(shí)，需要將所有開(kāi)關(guān)的保護(hù)裝置全部更換為新產(chǎn)品，將系統(tǒng)上所有的裝置通過(guò)交換機(jī)以上下級(jí)的關(guān)系進(jìn)行連接，形成網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。當(dāng)井下發(fā)生短路故障時(shí)，通過(guò)裝置以點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的方式發(fā)出故障信息，信號(hào)由主機(jī)進(jìn)行電流分析，保護(hù)裝置信號(hào)發(fā)出時(shí)間約為26 ms，同時(shí)閉鎖上級(jí)所有的保護(hù)裝置，從而起到不跳閘的功能。當(dāng)故障點(diǎn)最近一級(jí)開(kāi)關(guān)發(fā)生拒動(dòng)時(shí)，系統(tǒng)將會(huì)把上級(jí)開(kāi)關(guān)的保護(hù)裝置閉鎖，使開(kāi)關(guān)動(dòng)作。

3)系統(tǒng)采用網(wǎng)絡(luò)化基因拓?fù)渌惴?，利用開(kāi)關(guān)間自主交換故障信息進(jìn)行協(xié)商的形式，自主判斷故障區(qū)段，實(shí)現(xiàn)全網(wǎng)零秒速斷，以達(dá)到防越級(jí)跳閘的目的，系統(tǒng)具有級(jí)聯(lián)縱差保護(hù)、母差保護(hù)、三段式過(guò)流保護(hù)和零延時(shí)智能后備保護(hù)等防越級(jí)跳閘保護(hù)功能。系統(tǒng)通過(guò)分散安裝的級(jí)聯(lián)縱差保護(hù)器搭建的專用保護(hù)信息網(wǎng)快速交換信息，能夠快速判斷故障區(qū)段，準(zhǔn)確快速切斷距離故障點(diǎn)最近的故障開(kāi)關(guān)，以達(dá)到防越級(jí)跳閘的目的，并且對(duì)于母線故障也能夠做到快速切除。其系統(tǒng)構(gòu)成見(jiàn)圖1。

由圖1可知，整套防越級(jí)保護(hù)系統(tǒng)主要由級(jí)聯(lián)縱差綜合保護(hù)器和礦用本安型網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)以及礦用光纜網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成。每個(gè)變電所縱差綜合保護(hù)器的差動(dòng)通訊線連在一起，構(gòu)成一個(gè)高速通訊總線，接入礦用本安型網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)，轉(zhuǎn)發(fā)器間通過(guò)光纜連接構(gòu)成高速通訊縱差環(huán)網(wǎng)。

此外，變電所縱差保護(hù)的RS485通訊線也連到一起構(gòu)成485總線接入通訊轉(zhuǎn)發(fā)器或本安型電力分站，借用監(jiān)控通訊網(wǎng)傳到地面電力調(diào)度，對(duì)每臺(tái)保護(hù)的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

4)系統(tǒng)采用“集中保護(hù)”原理，運(yùn)用高速光纖通訊和同步采樣技術(shù)，采用光纖以太網(wǎng)建立光纖傳輸通道，將井下各高壓開(kāi)關(guān)的電流、電壓數(shù)據(jù)上傳至位于地面控制中心的保護(hù)主機(jī)。保護(hù)主機(jī)上配置差動(dòng)保護(hù)模塊，取代傳統(tǒng)過(guò)流速斷保護(hù)作為線路的主保護(hù)，解決煤礦供電系統(tǒng)存在的越級(jí)跳閘問(wèn)題。其動(dòng)作原理是由地面控制中心的集成保護(hù)測(cè)控裝置(保護(hù)主機(jī))采用“集中保護(hù)”。保護(hù)主機(jī)差動(dòng)保護(hù)范圍固定，實(shí)現(xiàn)全系統(tǒng)零時(shí)限全線速動(dòng)，采用線路縱差保護(hù)代替短路保護(hù)作為采區(qū)變電源進(jìn)線的主保護(hù)。

圖1 防越級(jí)保護(hù)系統(tǒng)示意圖

5)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)通訊實(shí)現(xiàn)上下級(jí)開(kāi)關(guān)的數(shù)據(jù)共享，根據(jù)一條線路上每臺(tái)開(kāi)關(guān)監(jiān)測(cè)到的數(shù)據(jù)和其在這條供電線路中所處的位置，確定故障區(qū)域，并根據(jù)每臺(tái)開(kāi)關(guān)相對(duì)故障區(qū)域的位置確定保護(hù)方式，使離故障點(diǎn)最近的開(kāi)關(guān)速斷保護(hù)動(dòng)作，切斷故障，其余開(kāi)關(guān)綜保處于后備保護(hù)狀態(tài)，若采用主保護(hù)的開(kāi)關(guān)因機(jī)構(gòu)原因無(wú)法分開(kāi)切除故障，上級(jí)開(kāi)關(guān)后備保護(hù)動(dòng)作，切斷故障，從而防止越級(jí)跳閘事故的發(fā)生。

3 防越級(jí)跳閘系統(tǒng)建立應(yīng)注意的問(wèn)題

通過(guò)對(duì)以上“防越級(jí)跳閘”系統(tǒng)優(yōu)缺點(diǎn)的分析比較，并針對(duì)煤礦供電的現(xiàn)狀，進(jìn)行綜合分析，得出進(jìn)行防越級(jí)跳閘系統(tǒng)建立時(shí)應(yīng)注意以下問(wèn)題:

1)系統(tǒng)的保護(hù)裝置及通訊裝置等必須滿足井下防爆要求，并經(jīng)國(guó)家相關(guān)部門(mén)檢定合格。

2)防越級(jí)跳閘系統(tǒng)建立時(shí)應(yīng)采用分層、分散式保護(hù)配置原則，不推薦國(guó)家電網(wǎng)不提倡使用的集中式保護(hù)。

3)為了提高抗干擾性能，防越級(jí)跳閘系統(tǒng)采用數(shù)字通訊方式，并采用光纜方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。

4)防越級(jí)跳閘系統(tǒng)所使用的保護(hù)裝置，要具有較高的電磁兼容性能，保證在井下惡劣環(huán)境下能夠安全可靠工作。

5)保護(hù)裝置要采用可靠的操作電源，確保在交流失壓下能可靠動(dòng)作，并有自備儲(chǔ)能電源。

6)防越級(jí)跳閘系統(tǒng)建立時(shí)，其通訊網(wǎng)絡(luò)應(yīng)與礦井監(jiān)控定位系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)分開(kāi)。

7)系統(tǒng)保護(hù)裝置要有失壓或電網(wǎng)波動(dòng)情況下的防誤動(dòng)功能，延時(shí)可調(diào)(1～5 s可調(diào))。

8)系統(tǒng)要有完善的故障錄波及分析功能，并提供下載，自動(dòng)錄波，錄波信息準(zhǔn)確，能提供電流電壓波形及開(kāi)關(guān)啟動(dòng)、合位及跳位時(shí)間波形。

4 結(jié)束語(yǔ)

煤礦井下環(huán)境差、各種電氣設(shè)備種類繁多，電氣故障時(shí)有發(fā)生。為了防止大面積停電所造成的越級(jí)跳閘現(xiàn)象，煤礦供電系統(tǒng)在選用防越級(jí)跳閘系統(tǒng)時(shí)，一定要保證其系統(tǒng)動(dòng)作靈敏、傳輸速度快，便于升級(jí)，同時(shí)也便于動(dòng)作行為分析，防越級(jí)系統(tǒng)還必須能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)控保護(hù)動(dòng)作行為信息。

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