新峪煤礦多級供電網(wǎng)絡的防越級跳閘技術與應用

楊貴生

（山西汾西礦業(yè)集團 水峪煤業(yè)有限責任公司，山西 孝義 032300）

新峪礦建于上世紀60年代，隨著礦井開采的延伸，井下供電網(wǎng)絡越來越復雜，目前的“五采”、“六采”兩個主力采區(qū)均為多級串聯(lián)供電方式。由于供電級數(shù)多、供電線路短，傳統(tǒng)的電流保護難以滿足選擇性和靈敏性的配合要求，在井下供電系統(tǒng)發(fā)生短路故障時，出現(xiàn)越級跳閘現(xiàn)象，造成大面積停電，且不能迅速判明故障位置，延誤送電時間，直接影響井下安全生產(chǎn)。

為解決多級供電網(wǎng)絡的越級跳閘問題，除加強技術管理、提高設備可靠性外，研究應用有效的繼電保護選擇性配合技術才是治本之策。

1 多級供電網(wǎng)絡出現(xiàn)越級跳閘的原因

礦井電網(wǎng)出現(xiàn)越級跳閘的原因有很多[1-2]，排除其他因素，礦井多級供電網(wǎng)絡缺乏有效的保護配合方法是重要原因之一。

傳統(tǒng)保護采用階段式電流保護方法[3]，即通過電流和時限定值的配合實現(xiàn)保護的選擇性。通常采用三段式電流保護，即第Ⅰ段為無時限電流速斷保護，為滿足選擇性，其電流定值應按躲過下級母線的最大短路電流整定，時限定值為0 s，因此，它只能保護線路的一部分；第Ⅱ段為時限電流速斷保護，它必須保護線路的全長，因此，其電流定值應按下級母線的最小短路電流校驗靈敏度，而時限定值一般需要時限級差的配合才能滿足可靠的選擇性要求；第Ⅲ段為過電流后備保護，需要時限級差配合來滿足選擇性。

目前新峪礦現(xiàn)有供電結(jié)構難以實現(xiàn)上述三段式電流保護的選擇性配合要求，原因為：①由于供電級數(shù)多，采用Ⅱ段時限電流速斷保護所需要的時限級差不能滿足與地面變電所主變過電流后備保護的時限配合要求；②從保護的靈敏性要求考慮，一味的通過延長時限來保證故障時的選擇性，將增加設備損壞的風險；③井下變電所一般在進線開關配置速斷保護，以便快速切除母線故障，但更增加了保護選擇性配合的難度；④新峪礦井下采區(qū)變電所大多為“T”接串聯(lián)供電方式，傳統(tǒng)保護在技術上無法實現(xiàn)這種供電結(jié)構的選擇性配合要求。因此，多級串聯(lián)供電網(wǎng)絡保護選擇性和靈敏性的矛盾十分突出，這也是繼電保護規(guī)程不推薦采用多級串聯(lián)供電方式的原因[4]，但限于煤礦特殊的工作環(huán)境，這種供電方式在礦井電網(wǎng)不能完全避免。

基于上述原因，井下多級供電網(wǎng)絡在進行繼電保護整定時，只能保證靈敏性而犧牲選擇性，即只應用Ⅰ段無時限速斷和Ⅲ段過電流保護，且無時限速斷的保護范圍將延伸至下級母線甚至更遠，造成保護范圍重疊且無配合，這是系統(tǒng)故障時出現(xiàn)越級跳閘的主要原因。

2 智能零時限電流保護技術

為解決保護選擇性配合造成的礦井電網(wǎng)越級跳閘問題，開發(fā)了基于網(wǎng)絡智能識別技術的防越級跳閘系統(tǒng)，并進行了工業(yè)試驗及具體應用。

2.1 智能零時限電流保護的設計思想

根據(jù)上述分析，礦井多級輻射狀電網(wǎng)存在保護選擇性和靈敏性無法兼顧的矛盾，解決這個矛盾是設計有效的防越級跳閘系統(tǒng)的關鍵。

隨著數(shù)字化保護和網(wǎng)絡通信技術的發(fā)展，繼電保護裝置不再是孤立計算、獨立運行的保護元件，通過保護裝置間的網(wǎng)絡通信，實現(xiàn)跨元件的互操作是數(shù)字化保護技術發(fā)展的特征?；谶@種技術特征實現(xiàn)網(wǎng)絡保護系統(tǒng)，是新型保護配合技術的主要設計思想，將其定義為智能零時限電流保護。

2.2 智能零時限電流保護的系統(tǒng)結(jié)構與原理

智能零時限電流保護的系統(tǒng)結(jié)構,見圖1。保護系統(tǒng)由綜合保護裝置和通信服務器構成。保護裝置以32位DSP為硬件平臺，具有光纖通信接口，基于嵌入式實時多任務的軟件平臺；通信服務器采用FPGA處理技術，全光纖通信方式。

圖1 智能零時限電流保護的系統(tǒng)結(jié)構

通信系統(tǒng)結(jié)構，見圖2。保護裝置設計有A、B兩對光接口，其中一對光口與通信服務器的對應母線的接口板連接，聯(lián)絡開關的兩對光接口分別與對應母線的接口板連接，進線保護裝置的另一對光纖接口與上級變電所的出線保護裝置通信。

圖2 保護系統(tǒng)通信系統(tǒng)結(jié)構

見圖1，當D2點發(fā)生短路故障時，該線路的DLD1保護啟動，并通過A光接口將故障信息發(fā)送給通信服務器，服務器將故障信息轉(zhuǎn)發(fā)給進線保護DLD0，告知其故障位置，同理，DL-D0依次將信息向上轉(zhuǎn)發(fā)；本級保護DL-D1完成故障處理程序后出口跳閘，而上級保護DL-D0則處于后備狀態(tài)，并與DLD1保持通信，一旦DL-D1跳閘成功，則DL-D0及后續(xù)保護全部釋放返回，若DL-D1保護在規(guī)定的時間內(nèi)沒能成功跳閘（開關拒動），則處于后備狀態(tài)的DL-D0保護啟動出口跳閘程序，并再次向上級保護發(fā)送故障狀態(tài)信息，防止開關拒動時造成再上級的保護越級跳閘。這是智能零時限電流保護技術的基本工作原理。

2.3 智能零時限電流保護的技術特征

基于網(wǎng)絡通信技術的智能零時限電流保護有以下技術特征：

1）采用網(wǎng)絡通信方式解決了保護選擇性與靈敏性的矛盾。不需要電流定值和時限定值的嚴格配合即可實現(xiàn)上下級保護的選擇性配合。通信技術的應用實現(xiàn)了故障定位，無論短路故障發(fā)生在哪一級，均為快速動作的速斷保護；

2）實現(xiàn)了逐級快速后備保護。與傳統(tǒng)的被動等待的后備保護方式不同，智能零時限電流保護采用主動通信的后備保護方式，減小了后備保護的動作時間（100～150 ms），并且實現(xiàn)開關拒動狀態(tài)下后備保護不越級；

3）簡化了保護的配置，消除了保護死區(qū)。供電系統(tǒng)的任意開關均可設置保護功能，無需考慮能否配合。與傳統(tǒng)保護方式不同，智能零時限電流保護在消除了保護死區(qū)的同時保證了選擇性。

3 應用實例

圖3為新峪煤礦五采區(qū)變電所采用智能零時限電流保護技術的防越級跳閘系統(tǒng)應用實例。在每個變電所安裝了一臺通信服務器，將高壓開關的保護裝置通過光纜與通信服務器連接通信，一號中央變電所進線開關的一個保護光接口與地面變電所出線開關的保護裝置連接通信，組成了全光纖通信的防越級跳閘系統(tǒng)。

圖3 防越級跳閘系統(tǒng)應用實例

該系統(tǒng)五采四段變電所通過五采三段進線開關“T”接供電，這種供電方式的任意一個變電所內(nèi)發(fā)生故障越級跳閘時，均可能造成兩個變電所同時停電，實為應用時應避免的供電方式。而采用智能零時限電流保護后，通過在五采三段變電所的2號電所的通信信號綜合后與一號中央變電所對應的出線保護接口通信，則可保證任意變電所發(fā)生故障時，均能起到防止越級跳閘的效果，體現(xiàn)了智能零時限電流保護技術的應用靈活性。

4 系統(tǒng)試驗

為了驗證智能零時限電流保護系統(tǒng)設計的有效性，在上述應用現(xiàn)場進行了防越級跳閘系統(tǒng)的試驗。試驗分為模擬試驗和井下實際試驗兩部分。

4.1 模擬試驗

為保證井下實際試驗時的可靠性，首先在地面搭建模擬試驗系統(tǒng)，進行模擬試驗。使用四臺高壓開關模擬4級供電系統(tǒng)。模擬試驗線路示意圖，見圖4。

正常時的防越級跳閘系統(tǒng)模擬試驗：將保護裝置設置為相同的保護定值，用升流器同時對四臺開關施加相同的電流，驗證每級保護的動作情況。試驗結(jié)果如表1所示。

模擬第四級開關拒動情況下的防越級跳閘系統(tǒng)模擬試驗：拆除04號開關的分勵接點，使之不能跳閘，模擬開關拒動。用升流器升流至遠大于保護定值，沖擊試驗至保護動作。試驗結(jié)果，如表2所示。

圖4 模擬試驗線路

表1 模擬試驗結(jié)果一

表2 模擬試驗結(jié)果二

4.2 井下實際試驗

井下實際的防越級跳閘系統(tǒng)試驗在圖4的五采三段變電所進行。將G05-3-08號和G05-3-02號開關的保護定值均整定為50 A，利用G05-3-08號開關所帶1 600 k災A移動變壓器的勵磁涌流（實測電流為120～200 A）進行合閘沖擊試驗。試驗結(jié)論與模擬試驗結(jié)果一致。

5 結(jié)束語

智能零時限電流保護摒棄了傳統(tǒng)繼電保護的選擇性配合方式，采用基于網(wǎng)絡智能識別技術的保護配合方法，解決了新峪礦多級輻射狀電網(wǎng)保護選擇性與靈敏性的矛盾。通過應用系統(tǒng)的現(xiàn)場試驗和實際運行效果，驗證了防越級跳閘系統(tǒng)設計的有效性。

[1]吳文瑕，陳柏峰，高燕.井下電網(wǎng)越級跳閘的研究及解決建議[J].工礦自動化，2008（6）:136-138.

[2]欒永春，劉建偉.煤礦井下電網(wǎng)越級跳閘的原因分析和探討[J].工礦自動化，2009（3）:82-84.

[3]王靜茹，欒貴恩.輸電線路電流電壓保護[M].北京：水利電力出版社，1989.

[4]國家標準化委員會.GB/T 14285-2006繼電保護和安全自動裝置技術規(guī)程[S].2006