井下防越級(jí)跳閘技術(shù)的研究與應(yīng)用

符曉

【摘要】越級(jí)跳閘是影響煤礦供電系統(tǒng)安全、穩(wěn)定運(yùn)行的主要因素之一，針對(duì)礦井電網(wǎng)普遍存在的越級(jí)跳閘問(wèn)題，提出通過(guò)綜合保護(hù)裝置的專用防越級(jí)跳閘通信接口及專用通信網(wǎng)絡(luò)，采用線路光纖差動(dòng)保護(hù)技術(shù)及基于網(wǎng)絡(luò)智能識(shí)別的保護(hù)技術(shù)，解決礦井電網(wǎng)的繼電保護(hù)越級(jí)跳閘問(wèn)題，并在最短的時(shí)間內(nèi)準(zhǔn)確、安全的消除故障，避免越級(jí)跳閘，對(duì)于實(shí)現(xiàn)煤礦供電系統(tǒng)和生產(chǎn)設(shè)備的全面自動(dòng)化監(jiān)控具有重要的指導(dǎo)作用。

【關(guān)鍵詞】越級(jí)跳閘；供電系統(tǒng)；綜合保護(hù)裝置；通信；自動(dòng)化；應(yīng)用

引言

隨著煤炭工業(yè)的快速發(fā)展，礦井電網(wǎng)的規(guī)模也越來(lái)越大，各種重裝備、新設(shè)備的不斷投入，使礦井電網(wǎng)的運(yùn)行環(huán)境更為復(fù)雜。因而，礦井電網(wǎng)的可靠運(yùn)行對(duì)于井下安全、高效開(kāi)采具有重要意義。由于煤礦特殊的生產(chǎn)環(huán)境，受礦井供電負(fù)荷增長(zhǎng)、供電距離延伸及井下多級(jí)供電結(jié)構(gòu)的特殊性等因素的影響，井下電網(wǎng)基本不能應(yīng)用傳統(tǒng)的三段式電流保護(hù)，而只能使用速斷、過(guò)電流兩段電流保護(hù)作為井下電網(wǎng)的主保護(hù)和后備保護(hù)，以致電網(wǎng)保護(hù)系統(tǒng)的選擇性和靈敏性不能兼顧，當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)短路故障時(shí)，造成繼電保護(hù)越級(jí)跳閘，影響井下電網(wǎng)的供電可靠性。越級(jí)跳閘不僅造成井下區(qū)域性的停電事故，更影響礦井各大系統(tǒng)的正常運(yùn)行，如通風(fēng)系統(tǒng)、運(yùn)輸系統(tǒng)等，威脅著井下的安全生產(chǎn)和從業(yè)人員的人身安全。因此，研究井下防越級(jí)跳閘技術(shù)對(duì)于保障礦井安全生產(chǎn)和提高煤炭行業(yè)效益具有重要意義。

1、越級(jí)跳閘原因分析

由于井下環(huán)境較為復(fù)雜，造成井下越級(jí)跳閘事故的因素較多，主要有繼電保護(hù)方式原因、短路電流值較大、開(kāi)關(guān)機(jī)構(gòu)配置不當(dāng)、電壓波動(dòng)和電氣干擾等。

1.1繼電保護(hù)方式原因。電力行業(yè)常用的三段式過(guò)流保護(hù)方法并不適用于煤礦供電系統(tǒng)，而煤礦井下使用的逐段延時(shí)跳閘的時(shí)間級(jí)差整定方法存在較多問(wèn)題，該方法級(jí)數(shù)多、短路保護(hù)動(dòng)作耗時(shí)較長(zhǎng)，當(dāng)發(fā)生過(guò)流事故時(shí)，開(kāi)關(guān)會(huì)同時(shí)啟動(dòng)跳閘功能，造成上級(jí)開(kāi)關(guān)越級(jí)跳閘?，F(xiàn)有的縱差保護(hù)方法一般適用于長(zhǎng)距離線路的短路保護(hù)，煤礦供電系統(tǒng)不僅需要保護(hù)變電所電源線路不發(fā)生越級(jí)跳閘，更需要在支路發(fā)生短路故障時(shí)避免總開(kāi)關(guān)越級(jí)跳閘，造成其他非故障支路停電，而縱差保護(hù)不適用于煤礦供電系統(tǒng)一條進(jìn)線多支路的情況，不能避免支路故障時(shí)總開(kāi)關(guān)越級(jí)跳閘。

1.2短路電流值較大。由于煤礦供電系統(tǒng)的線路長(zhǎng)度普遍較短，線路的電阻值小，出現(xiàn)了始端和終端電流差值較小的現(xiàn)象，由于上、下級(jí)的短路電流很難區(qū)分，速斷保護(hù)范圍基本為零，此時(shí)速斷保護(hù)作用不大。當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生短路故障時(shí)，短路電流值超過(guò)上級(jí)開(kāi)關(guān)所設(shè)設(shè)置的最大電流值會(huì)導(dǎo)致上、下級(jí)保護(hù)同時(shí)啟動(dòng)，甚至上級(jí)搶先動(dòng)作而造成越級(jí)跳閘。

1.3開(kāi)關(guān)機(jī)構(gòu)配置不當(dāng)。隨著煤礦產(chǎn)量的不斷提高和負(fù)荷的不斷增加，煤礦井下所選用的高壓防爆開(kāi)關(guān)也在不斷的更換，因此在選型上很難做到與地而變電所的供電設(shè)備合理配合。煤礦井下目前使用的高壓防爆開(kāi)關(guān)動(dòng)作時(shí)間由兩部分組成，一部分為繼電保護(hù)裝置的動(dòng)作時(shí)間，包括采樣時(shí)間、單片機(jī)的處理時(shí)間以及繼電器信號(hào)輸出時(shí)間；另一部分為高壓防爆開(kāi)關(guān)的同有動(dòng)作時(shí)間，包括跳閘電磁鐵的動(dòng)作時(shí)間、跳閘機(jī)構(gòu)動(dòng)作時(shí)間和真空斷路器動(dòng)作時(shí)間。由于井下環(huán)境潮濕，很容易造成高壓防爆開(kāi)關(guān)機(jī)構(gòu)卡澀、不靈活，以至于增加開(kāi)關(guān)的固有動(dòng)作時(shí)間，加之開(kāi)關(guān)質(zhì)量不佳、機(jī)構(gòu)復(fù)雜、部件較多容易出現(xiàn)機(jī)構(gòu)動(dòng)作不靈敏的現(xiàn)象，造成當(dāng)發(fā)生短路故障時(shí)，地面的高壓開(kāi)關(guān)柜動(dòng)作快于井下的高壓防爆開(kāi)關(guān)，造成了井下越級(jí)跳閘現(xiàn)象。

1.4電壓波動(dòng)和電氣干擾。煤礦電氣設(shè)備運(yùn)行環(huán)境潮濕，空間狹小，目前煤礦使用變頻器、軟啟動(dòng)器等非線性設(shè)備較多，電網(wǎng)中的諧波、浪涌等干擾，會(huì)通過(guò)電源和通信線路干擾保護(hù)器的工作，目前煤礦開(kāi)關(guān)的保護(hù)器抗干擾和電磁兼容性設(shè)計(jì)不完善，抗干擾能力差，多數(shù)沒(méi)有經(jīng)過(guò)國(guó)家級(jí)的電磁兼容檢驗(yàn)，外界干擾極易造成保護(hù)器的誤動(dòng)跳閘，保護(hù)器對(duì)外的干擾輸出也會(huì)造成同一線路上的保護(hù)器誤動(dòng)跳閘，這是造成突發(fā)越級(jí)跳閘的主要原因之一。同時(shí)，由于供電系統(tǒng)擾動(dòng)、大設(shè)備啟動(dòng)、雷擊干擾、接地等原因都會(huì)造成供電系統(tǒng)瞬時(shí)電壓波動(dòng)，當(dāng)瞬時(shí)電壓波動(dòng)范圍低于額定電壓65%，由于失壓脫扣器的動(dòng)作特性，系統(tǒng)中的開(kāi)關(guān)失壓保護(hù)動(dòng)作跳閘，造成不確定位置的開(kāi)關(guān)跳閘。

2、礦井防越級(jí)跳閘技術(shù)的應(yīng)用

2.1礦井防越級(jí)跳閘技術(shù)。為了解決井下越級(jí)跳閘問(wèn)題，通過(guò)綜合保護(hù)裝置的專用防越級(jí)跳閘通信接口及專用通信網(wǎng)絡(luò)，采用線路光纖差動(dòng)保護(hù)技術(shù)及基于網(wǎng)絡(luò)智能識(shí)別的保護(hù)技術(shù)，解決礦井電網(wǎng)的繼電保護(hù)越級(jí)跳閘問(wèn)題。為實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)系統(tǒng)的繼電保護(hù)選擇性動(dòng)作，保護(hù)裝置設(shè)計(jì)專用的防越級(jí)跳閘光纖通信接口，采用光纖差動(dòng)保護(hù)和基于網(wǎng)絡(luò)智能識(shí)別的保護(hù)技術(shù)實(shí)現(xiàn)繼電保護(hù)的選擇性動(dòng)作。該防越級(jí)跳閘技術(shù)應(yīng)具有高實(shí)時(shí)性，采用專用的保護(hù)通信網(wǎng)絡(luò)傳遞保護(hù)故障信息，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)故障定位。防越級(jí)跳閘技術(shù)利用綜保設(shè)備間的信息聯(lián)系簡(jiǎn)單、可靠的解決常規(guī)礦井供電中普遍存在的“故障越級(jí)跳閘、操作越級(jí)跳閘、失壓群跳”等嚴(yán)重影響供電安全的問(wèn)題，通過(guò)先定位后隔離手段縮小事故情況下的停電范圍。防越級(jí)跳閘的關(guān)鍵技術(shù)之一是礦井的防越級(jí)跳閘網(wǎng)絡(luò)建設(shè)，安裝于煤礦井下高壓防爆柜中的保護(hù)終端必須具備高速光纖數(shù)據(jù)通信接口，采用光纖網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)，通過(guò)上下級(jí)保護(hù)間的信息快速交互，實(shí)現(xiàn)故障定位，滿足保護(hù)選擇性及速動(dòng)性要求，保護(hù)技術(shù)基于電流、時(shí)間、網(wǎng)絡(luò)互操作等要素綜合分析，實(shí)現(xiàn)故障定位，起到防止越級(jí)跳閘的功能，減小故障時(shí)的停電范圍。在開(kāi)關(guān)設(shè)備出現(xiàn)故障導(dǎo)致開(kāi)關(guān)拒動(dòng)時(shí)可實(shí)現(xiàn)逐級(jí)快速后備保護(hù)，簡(jiǎn)化保護(hù)配置，消除保護(hù)死區(qū)，電網(wǎng)中的所有保護(hù)裝置均設(shè)置為零時(shí)限，防越級(jí)跳閘系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)必須保證實(shí)時(shí)可靠性，不能影響保護(hù)固有性能。保護(hù)終端需配置完善的功能，在防越級(jí)跳閘網(wǎng)絡(luò)未建成或光纖通信中斷時(shí)不影響系統(tǒng)的安全運(yùn)行。防越級(jí)跳閘網(wǎng)絡(luò)可實(shí)時(shí)在線監(jiān)視，在網(wǎng)絡(luò)故障時(shí)通過(guò)電力監(jiān)控接口實(shí)現(xiàn)故障報(bào)警。

2.2防越級(jí)跳閘技術(shù)展望?？紤]到繼電保護(hù)系統(tǒng)傳輸快速性的要求，按照數(shù)字化變電站建設(shè)網(wǎng)絡(luò)的要求，在同一個(gè)井下變電所內(nèi)保護(hù)終端與防越級(jí)通信服務(wù)器采用點(diǎn)對(duì)點(diǎn)光纖通信，變電所間的保護(hù)信息交互可以借用環(huán)網(wǎng)設(shè)備敷設(shè)的光纜中的備用光纖芯進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，在環(huán)網(wǎng)設(shè)備光纜建設(shè)時(shí)需要充分考慮系統(tǒng)擴(kuò)展的需求。此外，防越級(jí)跳閘技術(shù)還需采用新型可靠的選擇性漏電保護(hù)原理，自適應(yīng)中性點(diǎn)不接地或者經(jīng)過(guò)消弧線圈接地方式，實(shí)現(xiàn)漏電保護(hù)的可靠動(dòng)作，解決由于漏電保護(hù)功能不可靠影響礦井電網(wǎng)的供電可靠性的問(wèn)題；井下防爆柜采用可靠的后備電源系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)失壓保護(hù)的準(zhǔn)確動(dòng)作，防止系統(tǒng)電壓瞬變時(shí)出現(xiàn)的失壓群跳現(xiàn)象，確保系統(tǒng)失壓、近端故障時(shí)能可靠斷開(kāi)開(kāi)關(guān)并完成與監(jiān)控平臺(tái)的信息交換。

3、結(jié)論

綜合保護(hù)裝置的專用防越級(jí)跳閘通信接口及專用通信網(wǎng)絡(luò)，采用線路光纖差動(dòng)保護(hù)技術(shù)及基于網(wǎng)絡(luò)智能識(shí)別的保護(hù)技術(shù)，能在最短的時(shí)間內(nèi)選擇出系統(tǒng)內(nèi)的故障，并切除故障線路，有效解決了目前煤礦常出現(xiàn)的越級(jí)跳閘的現(xiàn)象，保證了煤礦供電系統(tǒng)的安全性、可靠性、經(jīng)濟(jì)性，具有顯著的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。

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