南山煤礦井下高壓供電系統(tǒng)防越級(jí)跳閘實(shí)驗(yàn)及應(yīng)用

摘 要：煤礦安全可靠的供電系統(tǒng)對(duì)礦井的安全和生產(chǎn)起著至關(guān)重要的作用。南山煤礦通過對(duì)北京天能繼保電力科技有限公司開發(fā)的井下高壓供電防越級(jí)跳閘系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)及應(yīng)用，提升了煤礦井下供電系統(tǒng)的可靠性，有效減少事故的范圍，對(duì)供電系統(tǒng)故障的快速判斷和定位，為分析和處理事故提供直觀的數(shù)據(jù)，提高了事故的恢復(fù)速度。

關(guān)鍵詞：供電系統(tǒng)；防越級(jí)跳閘；電力保護(hù)自動(dòng)化；監(jiān)測(cè)監(jiān)控

1 概述

南山煤礦于1983年被鑒定為煤與瓦斯突出礦井?，F(xiàn)有2個(gè)綜采隊(duì)，8個(gè)開拓隊(duì)，5個(gè)掘進(jìn)隊(duì)。入井電源電纜9條，井下4個(gè)中央變電所，14個(gè)采區(qū)變電所，高壓防爆開關(guān)207臺(tái)，井下高壓供電級(jí)數(shù)最多達(dá)6級(jí)，最遠(yuǎn)供電距離3.5千米，這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)導(dǎo)致過流保護(hù)整定困難，也不能通過增加多個(gè)時(shí)間級(jí)差來保證保護(hù)的選擇性，因而在發(fā)生短路故障時(shí)極易出現(xiàn)越級(jí)跳閘的情況。

針對(duì)上述問題，提出有效的解決方案，構(gòu)建井上、井下供配電一體化監(jiān)控系統(tǒng)，提高煤礦供電系統(tǒng)的供電可靠性，為煤礦安全生產(chǎn)提供有力保證。

2 總體方案

2.1 線路選擇

試驗(yàn)線路選擇南山煤礦的高檔區(qū)235工作面動(dòng)力電源。

整個(gè)系統(tǒng)分四級(jí)，安裝防爆高開6臺(tái)，鋪設(shè)光纜3300米，在北翼中央變電所、北五區(qū)變電所和高檔區(qū)235變電列車三個(gè)地點(diǎn)安裝三臺(tái)電源箱和三臺(tái)交換機(jī)。北翼中央變電所為最高級(jí)（1、2級(jí)），北五區(qū)變電所為3級(jí)，變壓器為末低級(jí)（4級(jí)）。

2.2 系統(tǒng)構(gòu)成

系統(tǒng)主要由三個(gè)部分構(gòu)成，分別為后臺(tái)監(jiān)控系統(tǒng)、防爆高壓開關(guān)保護(hù)裝置、光纖以太網(wǎng)交換機(jī)。其中，防爆高壓開關(guān)保護(hù)裝置安裝在防爆開關(guān)內(nèi)部替代原有的保護(hù)器，光纖以太網(wǎng)交換機(jī)安裝在各個(gè)井下變電所內(nèi)，后臺(tái)監(jiān)控系統(tǒng)布置在機(jī)電科調(diào)度室。

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2。

2.3 主要功能

（1）完成井上井下供電全系統(tǒng)的一體化管理，實(shí)現(xiàn)所有線路的實(shí)時(shí)測(cè)量和信號(hào)監(jiān)視，通過監(jiān)控完成所有開關(guān)設(shè)備的遠(yuǎn)程調(diào)度控制。

（2）完成井上井下供電全系統(tǒng)的電能計(jì)量及遠(yuǎn)程統(tǒng)計(jì)管理，自動(dòng)形成電量報(bào)表。

（3）完成全系統(tǒng)的防越級(jí)跳閘功能，通過保護(hù)控制器和通訊網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)全系統(tǒng)故障綜合分析，準(zhǔn)確的故障隔離，解決現(xiàn)有系統(tǒng)的越級(jí)跳閘問題。

（4）系統(tǒng)故障錄波功能，能記錄故障瞬間、跳閘瞬間的電流電壓波形，便于分析故障類型和故障性質(zhì)。

（5）電能質(zhì)量分析功能，電壓偏差與電壓合格率、頻率偏差與頻率合格率、電壓不平衡、各條線路的諧波電壓、諧波電流、諧波功率等進(jìn)行綜合分析。

2.4 方案原理及關(guān)鍵技術(shù)

本方案主要基于IEC61850的GOOSE通信技術(shù)，利用其高速對(duì)等通信技術(shù)，采取下級(jí)閉鎖上級(jí)的逐級(jí)閉鎖模式，實(shí)現(xiàn)保護(hù)的縱向選擇性。利用下級(jí)變電站保護(hù)動(dòng)作或饋出線保護(hù)動(dòng)作信號(hào)快速閉鎖本線路保護(hù)的速斷保護(hù)功能，從而實(shí)現(xiàn)選擇性。考慮極限情況線路末端短路僅靠電流定值無法滿足選擇性，所有流過故障電流的保護(hù)裝置均能啟動(dòng)速斷保護(hù)，本保護(hù)裝置速斷啟動(dòng)同時(shí)向上一級(jí)發(fā)出閉鎖信號(hào)，同時(shí)檢測(cè)下一級(jí)是否有閉鎖信息發(fā)出，如果檢測(cè)到閉鎖信息則閉鎖速斷出口，否則經(jīng)過一個(gè)短延時(shí)后跳閘，延時(shí)時(shí)間一般與GOOSE閉鎖信息可靠傳輸時(shí)間進(jìn)行配合，實(shí)際應(yīng)用中在4級(jí)及以下出線延時(shí)時(shí)間不大于50ms即可保證信息傳輸?shù)目煽啃浴?/p>

GOOSE技術(shù)特點(diǎn)如下：

（1）GOOSE是IEC61850定義的一種通信機(jī)制，用于快速傳輸變電站事件；諸如命令、告警、指示、信息。

（2）高優(yōu)先級(jí)，傳輸速度快，理論傳輸時(shí)間<4ms。

（3）統(tǒng)一的FA數(shù)據(jù)接口，實(shí)現(xiàn)不同廠家FA功能的互操作。

（4）高效可靠的重發(fā)機(jī)制，保證數(shù)據(jù)的安全性。

（5）P2P的對(duì)等通信方式，實(shí)現(xiàn)設(shè)備間互操作

如圖3所示，考慮極限情況線路末端短路僅靠電流定值無法滿足選擇性，所有流過故障電流的保護(hù)裝置均能啟動(dòng)速斷保護(hù)，本保護(hù)裝置速斷啟動(dòng)同時(shí)向上一級(jí)發(fā)出閉鎖信號(hào)，同時(shí)檢測(cè)下一級(jí)是否有閉鎖信息發(fā)出，如果檢測(cè)到閉鎖信息則閉鎖速斷出口，否則經(jīng)過一個(gè)短延時(shí)后跳閘，延時(shí)時(shí)間一般與GOOSE閉鎖信息可靠傳輸時(shí)間進(jìn)行配合，實(shí)際應(yīng)用中在4級(jí)及以下出線延時(shí)時(shí)間大于40ms即可保證信息傳輸?shù)目煽啃浴?/p>

3 實(shí)驗(yàn)方法

3.1 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/p>

模擬防止越級(jí)跳閘的功能實(shí)驗(yàn)，檢驗(yàn)裝置是否符合設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。

3.2 過流故障實(shí)驗(yàn)

3.2.1 試驗(yàn)步驟

（1）故障點(diǎn)設(shè)在500KVA變壓器，首先把關(guān)系到試驗(yàn)的2000KV

A變壓器、1000KVA變壓器、500KVA變壓器所帶的負(fù)荷停止運(yùn)行。

（2）手動(dòng)分500KVA變壓器高爆開關(guān)后，拉出高爆開關(guān)手車，拆掉500KVA變壓器高爆開關(guān)負(fù)荷線并在其高爆開關(guān)內(nèi)用短接線短接A、B兩相。

（3）北翼1#、北翼2#、北五區(qū)高爆開關(guān)保持在合閘位置。在地面通過后臺(tái)計(jì)算機(jī)把北翼1#、北翼2#、北五區(qū)、500VKA變壓器的高爆開關(guān)保護(hù)過流一段定值全部設(shè)置成實(shí)驗(yàn)定值。

（4）通過后臺(tái)遙控500VKA變壓器高爆開關(guān)。

（5）觀察實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

3.2.2 過流故障實(shí)驗(yàn)結(jié)果（表1）

500KVA變壓器高爆開關(guān)動(dòng)作事件后臺(tái)監(jiān)控系統(tǒng)截圖（圖4）：

GOOSE閉鎖事件后臺(tái)監(jiān)控系統(tǒng)截圖（圖5）：

4 應(yīng)用前景及效益分析

該系統(tǒng)可在地面調(diào)度中心站對(duì)高防開關(guān)進(jìn)行合、分閘操作，對(duì)報(bào)警、保護(hù)信號(hào)進(jìn)行復(fù)歸減少停送電時(shí)間，實(shí)時(shí)顯示高防開關(guān)的運(yùn)行狀態(tài)；并能及時(shí)顯示高防開關(guān)跳閘故障類型、時(shí)間，并存儲(chǔ)各種故障信息和越限報(bào)警信息； 系統(tǒng)具有故障錄波功能和事故追憶功能，能將故障時(shí)的有關(guān)參數(shù)記錄下來，為事故分析提供依據(jù)。對(duì)系統(tǒng)可在主站對(duì)保護(hù)單元的整定值進(jìn)行調(diào)整，系統(tǒng)管理維護(hù)方便。該系統(tǒng)的應(yīng)用將解決井下供電不安全隱患，解決井下變電所人員問題，對(duì)供電設(shè)備進(jìn)行全程監(jiān)控，最重要的是系統(tǒng)具有良好的監(jiān)測(cè)，監(jiān)控作用，對(duì)解決以往井下供電不安全隱患問題起到重要防范作用。并且完善了井下安全供電管理，滿足井下對(duì)用電質(zhì)量和用電可靠性的要求，該系統(tǒng)監(jiān)控和保障作用顯著，有力地促進(jìn)了煤礦的安全生產(chǎn)。廣泛推廣應(yīng)用該系統(tǒng)對(duì)保證煤礦井下供電系統(tǒng)的安全性和可靠性以及提高煤礦的經(jīng)濟(jì)效益有著重大的現(xiàn)實(shí)意義。

作者簡(jiǎn)介：馬志國(guó)（1977，11-），男，2010年畢業(yè)于遼寧工程技術(shù)大學(xué)機(jī)械工程及自動(dòng)化專業(yè)，工程師，現(xiàn)在龍煤鶴崗礦業(yè)有限責(zé)任公司南山煤礦機(jī)電科從事機(jī)電技術(shù)管理工作。