煤礦供電系統(tǒng)防越級跳閘技術(shù)研究

【摘要】煤礦井下電網(wǎng)安全性對煤礦安全生產(chǎn)至關(guān)重要，要杜絕供電網(wǎng)越級跳閘誤動作等情況的發(fā)生，供電保護系統(tǒng)必須具有防越級跳閘保護功能，本文闡述了天地（常州）自動化股份有限公司電氣研究所開發(fā)的煤礦供電系統(tǒng)防越級跳閘系統(tǒng)原理及組成，介紹了與其他防越級跳閘系統(tǒng)對比本系統(tǒng)具有的功能特點，并通過實驗證明了本防越級跳閘保護系統(tǒng)的可靠性。

【關(guān)鍵詞】供電系統(tǒng)；防越級跳閘；閉鎖

1.前言

電力系統(tǒng)的安全性和運行狀態(tài)直接影響著煤礦的生產(chǎn)和安全。煤礦井下巷道狹窄、空氣潮濕，存在著大量需要工作的設(shè)備，電纜也隨著這些設(shè)備被拖，在此惡劣環(huán)境下使用的電器設(shè)備和電纜發(fā)生短路事故難以避免。越級跳閘造成井下大面積停電，不僅嚴重影響生產(chǎn)，而且很容易誘發(fā)事故，威脅礦井的安全。因此，解決煤礦井下供電系統(tǒng)短路引起的越級跳閘問題，對煤礦安全生產(chǎn)非常必要，意義重大。

2.目前國內(nèi)外相關(guān)的技術(shù)和產(chǎn)品發(fā)展情況

越級跳閘是煤礦安全生產(chǎn)中的一個難題，現(xiàn)在已經(jīng)有了多種解決方案。大致有光纖縱差保護法、地面通訊保護法、雙口通訊法、電流速斷閉鎖法幾種。

（1）光纖縱差保護法

光纖縱差保護法使用專用光纖縱差保護器，光纖縱差保護器以縱差保護為主保護，電流速斷保護功能僅在光纖通信發(fā)生中斷時投入，光纖通信正常時電流速斷保護功能自動退出。下級開關(guān)光纖縱差保護器的輸出信號通過光纖接入上級開關(guān)光纖縱差保護器的信號輸入端，下級開關(guān)電流信號傳輸給上級開關(guān)光纖縱差保護器，上級開關(guān)光纖縱差保護器計算兩臺開關(guān)電流差值。正常運行時，兩臺開關(guān)之間線路不發(fā)生短路，兩臺開關(guān)流過同樣的電流，電流差值為零。當(dāng)兩臺開關(guān)之間線路短路時，短路點上級開關(guān)流過短路大電流，短路點下級開關(guān)不流過短路大電流，短路點上級開關(guān)光纖縱差保護器計算出上下級開關(guān)電流差值，當(dāng)差值達到保護器跳閘啟動值時，短路點上級開關(guān)跳閘，切斷短路線路。當(dāng)短路點的上面的一級開關(guān)因故障拒動時，它的上一級開關(guān)保護器的定時限過流保護延時一小段時間（一般延時一個開關(guān)固有跳閘時間：100ms），延時到時后，上一級開關(guān)跳閘，切除短路電路，作為下級開關(guān)的后備保護，采用此方案的廠家有上海山源電子電氣有限公司、南京弘毅電氣自動化有限公司等。

（2）通訊保護法

地面通訊保護法通過地面監(jiān)控主機與各個開關(guān)智能保護器進行通訊，讀取全礦所有開關(guān)電流信號，與各個開關(guān)的定值進行比較，判斷短路點的位置，由地面監(jiān)控主機發(fā)出指令，控制短路點上級開關(guān)跳閘切斷短路線路。由于計算機通訊、判斷、再發(fā)出指令需要一定時間（一般45～120ms），而開關(guān)保護器20ms啟動速斷跳閘，計算機發(fā)出指令的時間遠大于保護器速斷跳閘時間，因此地面通訊法使用特殊的保護器，保護器在通訊正常時取消本地保護功能，全部由地面計算機控制；在通訊不正常時切換到本地保護功能。

（3）保護器雙口通訊法

保護器采用雙通訊口，一個RS485口，用于傳輸電力監(jiān)控數(shù)據(jù)（全部電力監(jiān)控數(shù)據(jù)）；一個CAN口，用于傳輸短路信號（只傳輸電流信號）。所有保護器短路信號都通過CAN總線傳輸?shù)降孛嬗嬎銠C，由計算機判定短路點，控制相應(yīng)開關(guān)跳閘。

保護器雙口通訊法是地面通訊保護法的一種。由于CAN口只傳輸電流信號，加快了傳輸速度，保護器可以不取消本地保護功能，但其電流速斷保護要增加一定的延時，以保證保護器在計算機接到短路信號、判斷短路點、下發(fā)跳閘指令前保護器自身不啟動速斷跳閘，采用此方案的廠家有柳州騰龍煤電科技股份有限公司。

3.天地（常州）公司防越級跳閘系統(tǒng)

天地（常州）自動化股份有限公司電氣研究所對煤礦供電系統(tǒng)進行了多年的深入研究，結(jié)合煤礦供電網(wǎng)絡(luò)實際情況，研發(fā)了防越級跳閘成套裝置，通過該裝置可以解決煤礦高壓供電網(wǎng)絡(luò)越級跳閘問題，不存在開關(guān)盲點，徹底解決了煤礦井下由于短路或漏電引起的越級跳閘故障。系統(tǒng)采用二級防越級跳閘措施，分別是基于硬件的短路跳閘閉鎖裝置和基于軟件的精確延時，主要由帶防越級跳閘保護功能的CZB1綜合保護器、專用短路檢測模塊，防越級跳閘控制裝置、系統(tǒng)軟件以及通信網(wǎng)絡(luò)組成，具體短路越級跳閘閉鎖結(jié)構(gòu)如圖1所示。

系統(tǒng)采用電流速斷閉鎖法，開關(guān)使用具有短路閉鎖信號輸出的專用智能綜合保護器，專用智能綜合保護器檢測到短路信號，輸出短路閉鎖信號，或在裝有普通保護器的開關(guān)內(nèi)加裝短路電流采集模塊。

當(dāng)電路某處短路時，短路點的所有上級開關(guān)都通過短路電流，短路點的下級開關(guān)不通過短路電流。短路點上面各級的多個開關(guān)保護器或短路電流采集模塊都檢測到短路大電流，同時發(fā)出短路閉鎖信號；每個開關(guān)保護器的短路閉鎖信號接入上一級開關(guān)智能保護器速斷閉鎖輸入端，閉鎖上一級開關(guān)的速斷保護功能，使之不能速斷跳閘，短路點下級開關(guān)保護器的短路電流采集模塊檢測不到短路大電流，不會發(fā)出短路信號和閉鎖信號，不閉鎖上一級開關(guān)的速斷保護功能。這樣，只有短路點上方最靠近短路點的一級開關(guān)因下級開關(guān)（在短路點下面）不發(fā)出短路閉鎖信號而不被閉鎖，它速斷跳閘，切斷短路線路。短路線路切斷后，短路電流消失，各級開關(guān)返回，解除閉鎖。當(dāng)最靠近短路點的上面的一級開關(guān)因故障拒動時，它的上一級開關(guān)保護器的定時限過流保護延時一小段時間，延時到時后，上一級開關(guān)跳閘，切除短路電路，作為下級開關(guān)的后備保護。從而既切除了短路電路，使供電線路得到很好地保護，又保證了不產(chǎn)生越級跳閘。

防越級跳閘系統(tǒng)包括CZB1高壓智能綜合保護器、短路電流采集模塊、短路閉鎖控制器，其中高壓智能綜合保護器安裝在隔爆型高壓配電裝置內(nèi)，在短路時可以送出短路閉鎖信號，同時可以接收短路閉鎖控制器傳過來的閉鎖信號，將本開關(guān)的速斷保護閉鎖，高壓智能綜合保護器安裝在隔爆型高壓配電裝置內(nèi)，在短路時可以送出短路閉鎖信號，同時可以接收短路閉鎖控制器傳過來的閉鎖信號，將本開關(guān)的速斷保護閉鎖，這樣僅最靠近短路點的上面的一級開關(guān)的速斷保護不被閉鎖，其動作后切斷短路線路，上級所有開關(guān)保護返回，從而實現(xiàn)了防越級跳閘，當(dāng)發(fā)生本該動作的開關(guān)拒動情況時，由上級開關(guān)的定時限保護實施后備保護。

天地（常州）公司研制的防越級跳閘系統(tǒng)與其他同類產(chǎn)品相比有以下特點：

（1）CZB1高壓智能綜合保護器同時具備發(fā)出閉鎖信號和接收閉鎖信號功能，閉鎖信號發(fā)出時間自故障開始不超過12毫秒。

（2）短路電流采集模塊具有體積小、易安裝、反應(yīng)時間快、定值參數(shù)通過旋鈕開關(guān)設(shè)置等特點，閉鎖信號發(fā)出時間自故障開始不超過15毫秒。

（3）短路閉鎖控制器反應(yīng)時間極短，開關(guān)量信號延遲不超過1毫秒，多路閉鎖信號輸入，單個模塊最多可接16閉鎖信號輸入，且可以根據(jù)現(xiàn)場情況進行靈活配置成多個模塊，當(dāng)變電所開關(guān)數(shù)量多時，還可以配置多塊短路閉鎖模塊，形成級聯(lián)關(guān)系，當(dāng)變電所分兩段母線時，可以配置兩段短路閉鎖信號輸出，完全適應(yīng)各種不同容量及不同母線配置的變電所需要，短路閉鎖控制器具有4路閉鎖電信號轉(zhuǎn)光信號輸出和4路閉鎖光信號轉(zhuǎn)電信號輸入的能力，以便于上下級變電所利用光纖通信形成閉鎖關(guān)系。

我們的防越級跳閘系統(tǒng)在實驗中模擬上下5級開關(guān)的情況下，整個防越級跳閘系統(tǒng)工作正常，重復(fù)多次均為最后一級保護器動作跳閘，又在假定最后一級開關(guān)動作失靈的情況下，多次重復(fù)實驗，均為失靈的開關(guān)上一級開關(guān)保護器動作，證明了我們的防越級跳閘系統(tǒng)有極高的可靠性。

4.結(jié)束語

天地（常州）自動化股份有限公司研制的防越級跳閘成套裝置，采用硬件接線閉鎖的方式來實現(xiàn)防越級跳閘，有極高的可靠性，在極端的情況下，即使閉鎖控制器失靈的情況下，高防開關(guān)保護器的其他保護均可以正常工作。另還具有高性價比特點，與其他防越級跳閘系統(tǒng)相比，我們的防越級跳閘系統(tǒng)在投入以及施工難度增加不大，卻帶來了實實在在的防越級跳閘效果。

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作者簡介：宋紅衛(wèi)（1971—），男，安徽旌德人，工程師，現(xiàn)供職于中煤科工集團天地（常州）自動化有限公司電氣工程部，從事電力系統(tǒng)繼電保護及電力電子方面的研究。