新型煤礦供電網防越級跳閘保護系統研究與應用

哈爾濱國力電氣有限公司 張文瑞

1.引言

煤礦供電網在出現短路故障時容易發生越級跳閘事故，導致井下大面積停電，引起瓦斯積聚，威脅礦井安全。本文分析了礦井供電系統的特點以及越級跳閘事故的原因，在深入研究防越級跳閘工作原理及特性的基礎上，設計了一種有效防止越級跳閘的保護自動化系統，解決了煤礦供電系統廣泛存在的越級跳閘技術難題，能有效保障煤礦供電系統的可靠性和礦井的安全性。煤礦井下開采作業，特別是高瓦斯礦井，都存在瓦斯潛在危機，而井下供電系統故障是導致瓦斯災害的重要因素；而隨著煤礦井下供電容量的不斷增大，電網電壓的不斷升高以及供電距離的不斷加長，人們對礦井供電系統的可靠性、安全性和連續性的要求越來越高，井下工作環境惡劣、負荷波動大、工況不穩定、瓦斯煤塵積聚、滴水冒頂等事故會使電氣設備絕緣強度逐漸降低，同時由于操作人員維護不當或操作錯誤，輸電線路的導線斷裂等原因，經常會發生漏電及單相接地故障，礦用隔爆型高低壓開關是煤礦井下高低壓供電系統終端線路的主保護，它起到了保護高壓電纜、變壓器和電氣設備的作用，是目前井下普遍使用的保護設備，但是各種高壓保護裝置本身具有一些缺點，由于數據的封閉性，導致“信息孤島”的形成，因煤礦供電特點，使得下級支路發生短路故障時，末端的短路電流和始端的短路電流在大小上相差無幾，導致上級速斷保護啟動，造成越級跳閘，甚至越過多級跳閘。本文基于智能變電站思想，打破“信息孤島”，構造“動態邏輯跳閘時間級差”的方法解決越級跳閘問題，實踐證明具有很強的實用性和推廣性。

2.煤礦供電特點

2.1 短線路較多：有的下井線路僅有100-500米；采區變到配電點僅有50-500米。

2.2 下井線路經過的開關級數多：地面—井下中央變電所—采區變電所—配電點。

2.3 電力系統給定的速斷定時限短（0.2～0.5s），井下高壓開關一般均裝設速斷保護。

2.4 井下高壓開關一般均裝設有低電壓保護。

3.越級跳閘原因分析

3.1 保護定值整定方法不合理

速斷保護定值按躲過最大負荷電流整定，比按短路電流整定得到的值要小得多，發生短路后沿線保護均啟動，跳閘取決于開關的機械特性。

3.2 短線路造成保護定值無法區分

（1）短線路短路電流的變化平緩，始末端短路電流差值小，按躲過線路末端最大短路電流整定，一般保護靈敏度<1。

（2）電力系統規程建議在靈敏度小于1的情況下不適宜裝設電流速斷保護，但是煤炭規程規定井下必須裝設速斷保護，不準甩掉不用。

（3）此時一般按同一靈敏系數法整定，造成線路在最小運行方式下有保護范圍，然而在最大運行方式下可能發生越級跳閘。

3.3 失壓脫扣保護導致越級跳閘

井下高壓隔爆開關失壓保護為2級，一級是保護裝置帶的，一般可整定；一級是開關帶的失壓脫扣線圈，動作值及時間不可整定。饋線距離母線很近的地方發生短路故障時母線電壓短時失壓，該段母線上其他開關的失壓保護誤動作導致“越級跳閘”

4.解決越級跳閘保護原理

基于以上越級跳閘原因的分析，開發一種智能微機保護裝置，保護裝置之間信息共享，具有“保護互鎖”功能，利用下級饋出線或設備保護動作信號快速閉鎖本線路速斷保護功能，實現選擇性跳閘，避免越級跳閘。下面就以某礦1條供電級聯線路為例（如圖1），具體說明防越級跳閘實現過程

如圖1所示，考慮極限情況，線路末端（205出線）發生短路，僅靠電流定值無法滿足選擇性的要求，所有級聯線路（201,104,101,6131#）的保護裝置均流過短路電流，啟動速斷保護，裝置啟動速斷保護同時向上一級發出閉鎖信號，同時檢測下級是否有閉鎖信號發出，如果檢測到閉鎖信號，則閉鎖速斷保護出口

（閉鎖時間一般為150ms）否則經過短暫延時（一般設定30ms）后跳閘，這樣各級饋線保護裝置無需考慮選擇性，只需保證靈敏度即可以避免越級跳閘。

如果通信鏈路出現故障，下級閉鎖信號不能及時可靠傳輸，此時本級保護裝置經短暫延時（一般設定30ms）跳閘，不會導致事故擴大。另外，保護裝置

在失電后仍可以正常工作一段時間，以便查詢故障信息，分析故障原因，實現故障快速定位.

5.智能微機保護裝置整體設計方案

智能保護裝置采用雙CPU結構，克服傳統裝置計算速度慢、計算精度低和保護功能不完善的缺點，充分發揮雙CPU結構并行工作、分工合作的優點以及DSP運算速度快、擅長數字信號處理的優點，既滿足繼電保護速動性、選擇性、可靠性和信息共享的要求，同時實現高精度實時測量。

裝置主CPU采用運算速度快、擅長數字信號處理的DSP芯片TMS320F2812作為主CPU控制模擬量采集和計算、保護判斷、開關量輸出和輸出。從CPU也采用DSP芯片TMS320F2407，負責人機對話、液晶顯示、與上位機通信等實時性要求不高的系統任務。裝置總體原理框圖如圖2所示。

（1）中央處理單元：由2片DSP構成雙CPU結構，用于實現數據采集、計算、邏輯判斷、定時、存儲，人機對話、保護信息共享、與上位機通信等功能。

圖1 某礦1條供電級聯線路

圖2 裝置總體原理框圖

（2）開關量輸入、繼電器輸出單元：開關量輸入單元取自相應設備的輔助常開接點，用于識別現場開關的狀態。需要輸入的開關量有真空斷路器的合閘、分閘狀態燈；繼電器輸出單元包括用于控制真空斷路器的輸出接點和保護發生故障時的報警信號。

（3）交流采樣單元：用于采集計算電網A、B、C三相電壓，A、C兩相電流以及零序電流、電壓。

（4）人機對話單元：用于定值輸入，操作方式的確定，電網工作參數、工作狀態、故障類型的顯示等。

6.防越級跳閘保護系統設計

基于數字處理器技術，現場總線技術和工業以太網技術，結合井下的實際情況，礦井供電網防越級跳閘保護系統主要由如下部分組成：

（1）地面主站及備用站：地面主站及備用站設在地面監控調度中心，一般有三臺服務器，其中一臺作為通訊服務器，負責監控工作主站與井下監控分站之間的數據交換以及與調度室進行數據轉發，另外兩臺監控工作站兼作數據服務器，互為備用，礦調度中心的監控主站與礦領導及相關機電管理部門監測監控終端之間通過現有局域網相連。

（2）井下電力監控分站：電力監控分站與智能保護器之間通過以太網相連，其它子系統、監控分站與地面監控主站之間用光纖相連，構成雙環自愈的光纖以太網，該光纖以太網留有多個備用的以太網口，作為其它業務通道，如變電所的視頻，音頻系統等均可接入該以太網。

（3）智能保護裝置：在每個采區變電所或工作面配電點，其礦用隔爆型高壓配電裝置或低壓饋電開關的各種電量或狀態量被送智能保護裝置，該裝置負責數據采集打包、并將數據發送給井下電力監控分站，各分站將數據發到網絡，實現各個分站的數據共享，使其在主服務器故障時仍然能夠動作，具備了強大的數據吞吐能力和數據處理能力。

7.結束語

該系統不僅具有完善的保護和控制功能，而且利用網絡解決了各個保護裝置之間由于距離等因素無法數據共享的問題，有效解決了目前煤礦常出現的越級跳閘的現象，保證了煤礦供電系統的安全性、可靠性和經濟性，具有顯著的社會效益和經濟效益。