寺河礦電網(wǎng)“越級(jí)跳閘”繼電保護(hù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)施

曹晉鵬

摘要：目前寺河礦供電電網(wǎng)普遍存在多級(jí)輻射狀供電模式，其特點(diǎn)為：一方面由于延伸級(jí)數(shù)多，電網(wǎng)配合時(shí)限不足，以致保護(hù)時(shí)限無(wú)法配合；另一方面由于系統(tǒng)容量增大、供電線路短，不同級(jí)別的短路電流接近，以致保護(hù)的電流定值無(wú)法配合，因此，無(wú)奈之際只能犧牲選擇性而保證快速性，致使礦井電網(wǎng)的繼電保護(hù)系統(tǒng)普遍存在“越級(jí)跳閘”問(wèn)題，系統(tǒng)出現(xiàn)短路故障時(shí)由于無(wú)選擇性配合，造成井下供電系統(tǒng)大面積停電，引發(fā)停電停風(fēng)事故，嚴(yán)重影響煤炭安全生產(chǎn)。

關(guān)鍵詞：多級(jí)輻射 選擇性 快速性 越級(jí)跳閘

1 概述

1.1 供電系統(tǒng)簡(jiǎn)介 寺河110kV變電站一回電源引自220kV芹池變電站，另一回電源引自郭北110kV變電站。兩回110kV電源線路分列運(yùn)行。兩回電源線路任一回路故障，另一回能擔(dān)負(fù)寺河礦井全部負(fù)荷。礦區(qū)附近配備有15MW的瓦斯電站升壓35kV電壓等級(jí)同電網(wǎng)相連，目前可發(fā)電容量約12000kW。地面和井下主要供電電壓為6kV。寺河110kV變電站平均負(fù)荷為49000kW，最大負(fù)荷為60000kW，向外放射性布置9個(gè)35kV變電站（寺河工廣、寺河?xùn)|風(fēng)井、寺河小東山、寺河三水溝、寺河潘莊、寺河西井區(qū)及金鼎劉莊場(chǎng)地、沁秀坪上和岳城）。井下6KV變電所共有21個(gè)，東區(qū)14個(gè)，西區(qū)7個(gè)。

1.2 技術(shù)背景 傳統(tǒng)的電流保護(hù)技術(shù)采用定值與時(shí)限配合的原則實(shí)現(xiàn)保護(hù)選擇性，這種配合原則已無(wú)法從原理上解決煤礦電網(wǎng)的保護(hù)選擇性問(wèn)題；隨著礦井供電規(guī)模的增大，越來(lái)越多的礦井電網(wǎng)采用消弧線圈接地方式，而現(xiàn)場(chǎng)的許多保護(hù)裝置仍沿用功率方向型漏電保護(hù)技術(shù)原理，當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生接地故障時(shí)，則勢(shì)必造成系統(tǒng)“誤動(dòng)”現(xiàn)象頻繁。

針對(duì)上述技術(shù)難題，筆者采用智能零時(shí)限電流保護(hù)、光纖差動(dòng)保護(hù)和改進(jìn)型零序?qū)Ъ{原理的漏電保護(hù)技術(shù)，從原理上解決了礦井電網(wǎng)的“越級(jí)跳閘”問(wèn)題。智能零時(shí)限電流保護(hù)技術(shù)不需要定值和時(shí)限的嚴(yán)格配合，采用網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)自下而上地傳遞保護(hù)故障信息的方法實(shí)現(xiàn)保護(hù)的選擇性；改進(jìn)型零序?qū)Ъ{原理的漏電保護(hù)能自適應(yīng)礦井電網(wǎng)的中性點(diǎn)接地方式；井下應(yīng)用的綜合保護(hù)裝置采用高性能的軟硬件平臺(tái)、國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的通信協(xié)議，提高了保護(hù)裝置的可靠性和適用性。通過(guò)長(zhǎng)期的現(xiàn)場(chǎng)試運(yùn)行證明，能有效地解決礦井電網(wǎng)存在的技術(shù)問(wèn)題，提高煤礦供電系統(tǒng)的運(yùn)行可靠性。

2 繼電保護(hù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原理

2.1 設(shè)計(jì)目標(biāo) ①采用新型的網(wǎng)絡(luò)保護(hù)技術(shù)，解決煤礦井下供電系統(tǒng)繼電保護(hù)選擇性和速動(dòng)性的矛盾，從根本上解決礦井電網(wǎng)繼電保護(hù)的“越級(jí)跳閘”問(wèn)題，提高煤礦供電系統(tǒng)可靠性和安全性，為煤礦安全生產(chǎn)提供有力保障。②采用新型的漏電保護(hù)技術(shù)，解決礦井電網(wǎng)漏電保護(hù)的可靠性問(wèn)題，避免漏電保護(hù)動(dòng)作不可靠造成的系統(tǒng)保護(hù)“誤動(dòng)”和“越級(jí)跳閘”，提高供電系統(tǒng)可靠性。③構(gòu)建集成的礦用電站綜合自動(dòng)化系統(tǒng)，系統(tǒng)集成先進(jìn)的繼電保護(hù)、監(jiān)測(cè)監(jiān)控、視頻監(jiān)控、語(yǔ)音通信等多項(xiàng)技術(shù)，實(shí)時(shí)監(jiān)控礦井電網(wǎng)的運(yùn)行狀態(tài)，提高礦井電網(wǎng)的自動(dòng)化水平、運(yùn)行效率和經(jīng)濟(jì)效益，為礦井電網(wǎng)的安全運(yùn)行提供決策支持。

2.2 繼電保護(hù)系統(tǒng)技術(shù)簡(jiǎn)介 ①概述。井下防“越級(jí)跳閘”系統(tǒng)采用光纖差動(dòng)保護(hù)和智能零時(shí)限電流保護(hù)技術(shù)實(shí)現(xiàn)。MPR303S光纖差動(dòng)保護(hù)裝置、MPR304S智能零時(shí)限電流保護(hù)裝置、KHL127礦用保護(hù)通信服務(wù)器和專用保護(hù)通信網(wǎng)絡(luò)組成井下防“越級(jí)跳閘”系統(tǒng)。MPR300S系列礦用保護(hù)裝置、KJ38-F電力監(jiān)控分站和電力監(jiān)控通信網(wǎng)絡(luò)組成井下電網(wǎng)電力監(jiān)控系統(tǒng)，與電力監(jiān)控中心配合實(shí)現(xiàn)井下電網(wǎng)電力監(jiān)控系統(tǒng)。②智能零時(shí)限電流保護(hù)技術(shù)。智能零時(shí)限電流保護(hù)技術(shù)用于防“越級(jí)跳閘”系統(tǒng)。智能零時(shí)限電流保護(hù)采用網(wǎng)絡(luò)保護(hù)技術(shù)，通過(guò)保護(hù)裝置間的智能通信，檢測(cè)故障區(qū)域和故障定位，實(shí)現(xiàn)上、下級(jí)保護(hù)的配合。智能零時(shí)限電流保護(hù)系統(tǒng)由MPR304S智能終端和KHL127礦用通信服務(wù)器組成，保護(hù)原理如圖1所示。

將供電網(wǎng)中的MPR304S保護(hù)裝置按物理位置（進(jìn)線、出線和聯(lián)絡(luò)開(kāi)關(guān)）劃分為多級(jí)保護(hù)系統(tǒng)，每臺(tái)MPR304S保護(hù)裝置有兩對(duì)光纖接口，其中一對(duì)光纖接口通過(guò)點(diǎn)到點(diǎn)通信方式與通信服務(wù)器對(duì)應(yīng)母線的光纖接口板連接、聯(lián)絡(luò)保護(hù)裝置的兩對(duì)光纖接口分別與服務(wù)器對(duì)應(yīng)母線的接口板連接、進(jìn)線保護(hù)裝置的另一對(duì)光纖接口與上級(jí)變電站的出線保護(hù)裝置的一對(duì)光纖接口相連。

系統(tǒng)中所有保護(hù)裝置的速斷保護(hù)均可設(shè)置為零時(shí)限，保護(hù)定值可按保證靈敏度整定，且不需要上、下級(jí)保護(hù)定值的嚴(yán)格配合。當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生短路故障時(shí)，相關(guān)的保護(hù)裝置可能同時(shí)啟動(dòng)，當(dāng)達(dá)到保護(hù)定值時(shí)，距離故障點(diǎn)最近的本級(jí)保護(hù)裝置動(dòng)作，并通過(guò)服務(wù)器的光纖接口電路進(jìn)行邏輯判斷，同時(shí)逐級(jí)向上級(jí)保護(hù)傳遞保護(hù)故障信息，上級(jí)保護(hù)裝置收到保護(hù)故障信號(hào)后與下級(jí)保護(hù)裝置建立通信，實(shí)時(shí)檢測(cè)下級(jí)保護(hù)的動(dòng)作情況，等待距離故障點(diǎn)最近的開(kāi)關(guān)跳閘，若跳閘成功則故障信號(hào)自動(dòng)消失，若跳閘不成功則經(jīng)短延時(shí)（保護(hù)動(dòng)作時(shí)間+斷路器固有動(dòng)作時(shí)間，可整定）由上級(jí)保護(hù)裝置切除故障。③光纖差動(dòng)保護(hù)技術(shù)。光纖差動(dòng)保護(hù)技術(shù)用于防“越級(jí)跳閘”系統(tǒng)，其保護(hù)原理如圖2所示。在上、下級(jí)變電站的進(jìn)、出線開(kāi)關(guān)成對(duì)配置MPR303S光纖差動(dòng)保護(hù)裝置，并在保護(hù)裝置間設(shè)置光纖通信信道。當(dāng)供電線路發(fā)生區(qū)內(nèi)故障時(shí)（D1、D2、D3），線路差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作，供電線路兩側(cè)開(kāi)關(guān)跳閘，切除線路故障；當(dāng)發(fā)生供電線路區(qū)外故障時(shí)（D4、D5、D6），線路光纖差動(dòng)保護(hù)不動(dòng)作，而由對(duì)應(yīng)的出線保護(hù)裝置切除故障（但D6點(diǎn)的母線短路故障只能由G0或G1保護(hù)的時(shí)限過(guò)流后備保護(hù)切除），實(shí)現(xiàn)防“越級(jí)跳閘”功能。

光纖差動(dòng)保護(hù)為供電系統(tǒng)防止“越級(jí)跳閘”提供了又一種技術(shù)選擇。光纖差動(dòng)保護(hù)可與智能零時(shí)限電流保護(hù)系統(tǒng)配合應(yīng)用，即各變電站進(jìn)出線之間采用光纖差動(dòng)保護(hù)實(shí)現(xiàn)故障隔離，變電站內(nèi)部采用智能零時(shí)限電流保護(hù)，如圖3所示。

目前許多在用的礦用保護(hù)裝置所采用的漏電保護(hù)原理仍使用“功率方向型”、少數(shù)采用其他漏電保護(hù)原理。由于礦井電網(wǎng)的規(guī)模越來(lái)越大，系統(tǒng)電容電流遠(yuǎn)大于《煤礦安全規(guī)程》規(guī)定的允許值，因此，礦井電網(wǎng)大多采用消弧線圈接地方式，用以補(bǔ)償系統(tǒng)電容電流，在這種狀況下，如仍使用功率方向型漏電保護(hù)原理的保護(hù)裝置，則勢(shì)必造成系統(tǒng)漏電保護(hù)“誤動(dòng)”現(xiàn)象頻繁發(fā)生。

3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)施

3.1 防“越級(jí)跳閘”系統(tǒng)設(shè)計(jì) 本方案采用智能零時(shí)限電流保護(hù)配合光纖差動(dòng)保護(hù)技術(shù)實(shí)現(xiàn)寺河礦井下東二盤區(qū)6KV變電所供電系統(tǒng)的防“越級(jí)跳閘”系統(tǒng)，解決井下電網(wǎng)的“越級(jí)跳閘”問(wèn)題。

MPR304S數(shù)字式礦用綜合保護(hù)裝置內(nèi)置智能零時(shí)限電流保護(hù)和光纖差動(dòng)保護(hù)功能，可通過(guò)保護(hù)裝置的菜單設(shè)置保護(hù)功能。地面35KV變電所的下井線路更換2臺(tái)DPR362LF光纖差動(dòng)保護(hù)裝置與井下變電所的進(jìn)線開(kāi)關(guān)保護(hù)裝置配合實(shí)現(xiàn)光差保護(hù)。

智能零時(shí)限電流保護(hù)功能需要MPR304S礦用綜合保護(hù)裝置和KHL127礦用電流保護(hù)控制器配合完成，井下每臺(tái)高壓防爆開(kāi)關(guān)需要更換為MPR304S綜合保護(hù)裝置、每個(gè)井下變電所需配置1臺(tái)KHL127控制器。保護(hù)通信網(wǎng)絡(luò)具有通道監(jiān)視功能，當(dāng)通信中斷時(shí)不影響MPR304S保護(hù)裝置的本身的常規(guī)保護(hù)功能，并可在保護(hù)裝置上顯示通信中斷信息，同時(shí)通過(guò)監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)將信道中斷信息上傳至電力監(jiān)控中心。

防“越級(jí)跳閘”保護(hù)系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)和電力監(jiān)控通信網(wǎng)絡(luò)使用獨(dú)立的網(wǎng)絡(luò)信道，以保證系統(tǒng)具有可靠的通信。

3.2 實(shí)施方案 寺河礦井下6KV供電系統(tǒng)東二盤區(qū)變電所，共有高壓防爆開(kāi)關(guān)10臺(tái)，需要進(jìn)行改造更換MPR304S綜合保護(hù)裝置。主要設(shè)備配置如下：

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3.3 實(shí)例說(shuō)明 2013年5月28日17：41分該礦準(zhǔn)備二隊(duì)三組動(dòng)力移變高壓側(cè)發(fā)生三相短路事故，導(dǎo)致東二變電所8#高開(kāi)短路跳閘（延時(shí)0s），所內(nèi)10#電源高開(kāi)顯示“邏輯信號(hào)動(dòng)作”故障，但未跳閘，地面35KV站620#柜報(bào)“整組起動(dòng)”故障，一次側(cè)電流動(dòng)作值為6204.05A，故障動(dòng)作延時(shí)0.1s（過(guò)流I段整定值為4500A，延時(shí)0.12s），由于未達(dá)到短路整定延時(shí)，所以地面35KV站620#柜未跳閘。

準(zhǔn)備二隊(duì)三組動(dòng)力移變高壓側(cè)發(fā)生三相短路，動(dòng)作電流較大達(dá)到短路速斷整定值，動(dòng)作時(shí)間未達(dá)到地面變電所620#柜整定延時(shí)但達(dá)到了井下變電所10#電源開(kāi)關(guān)電流速斷保護(hù)延時(shí)定值，邏輯閉鎖壓板已投入，8#高開(kāi)跳閘，故障消除后電流速斷保護(hù)閉鎖解鎖時(shí)間滿足要求，故而將跳閘等級(jí)限制在井下變電所分開(kāi)關(guān)電源側(cè)（也可以說(shuō)成電源開(kāi)關(guān)負(fù)荷側(cè)），實(shí)現(xiàn)了防越級(jí)跳閘的功能。

4 結(jié)論

寺河礦井下變電站綜合自動(dòng)化系統(tǒng)融入了智能零時(shí)限電流保護(hù)、光纖差動(dòng)電流保護(hù)、改進(jìn)型零序?qū)Ъ{原理的漏電保護(hù)所組成的防“越級(jí)跳閘”電力自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)等多項(xiàng)創(chuàng)新技術(shù)，所采用的先進(jìn)技術(shù)致力于解決當(dāng)前礦井電網(wǎng)存在的小電流接地系統(tǒng)漏電保護(hù)（接地保護(hù)）的可靠性技術(shù)難題。

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