煤礦數(shù)字化防越級(jí)跳閘系統(tǒng)的應(yīng)用

李志國(guó)

(西山煤電股份公司 西銘礦，山西 太原 030053)

·技術(shù)經(jīng)驗(yàn)·

煤礦數(shù)字化防越級(jí)跳閘系統(tǒng)的應(yīng)用

李志國(guó)

(西山煤電股份公司 西銘礦，山西 太原 030053)

分析了煤礦井下供電系統(tǒng)越級(jí)跳閘的原因及其對(duì)生產(chǎn)造成的危害，介紹了系統(tǒng)技術(shù)改造方案及其優(yōu)點(diǎn)，并對(duì)比了某礦井井下變電所數(shù)字化防越級(jí)跳閘系統(tǒng)改造前后的使用效果。數(shù)字化防越級(jí)跳閘系統(tǒng)在煤礦的應(yīng)用降低了煤礦越級(jí)跳閘事故的發(fā)生，提高了礦井供電的安全性和可靠性。

煤礦；井下供電系統(tǒng)；數(shù)字化防越級(jí)跳閘系統(tǒng)

煤礦供電系統(tǒng)復(fù)雜，存在以電纜供電為主且線路短、供電設(shè)備與用電設(shè)備種類較多、設(shè)備性能差別較大、井上下各種保護(hù)裝置的保護(hù)動(dòng)作準(zhǔn)確性差異等因素，尤其煤礦井下存在多級(jí)采區(qū)變電所級(jí)聯(lián)且不能通過(guò)增加時(shí)間級(jí)差實(shí)現(xiàn)各級(jí)線路保護(hù)的整定配合時(shí)，線路故障時(shí)極易出現(xiàn)越級(jí)跳閘，導(dǎo)致大面積停電，嚴(yán)重影響安全生產(chǎn)。

現(xiàn)基于一種全站網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)共享的數(shù)字化變電站技術(shù)對(duì)礦井供電系統(tǒng)進(jìn)行防越級(jí)跳閘系統(tǒng)進(jìn)行改造，可以有效解決礦井存在的“越級(jí)跳閘”問(wèn)題，提高礦井供電系統(tǒng)的可靠性。

1 防越級(jí)跳閘系統(tǒng)的基本原理

將井下高壓隔爆開關(guān)的電流、電壓等數(shù)據(jù)采用同步采樣技術(shù)精準(zhǔn)采集，通過(guò)高速光纖進(jìn)行通訊，最終到達(dá)位于地面電力調(diào)度中心的終端機(jī)(保護(hù)主機(jī))上。該終端機(jī)采用差動(dòng)保護(hù)作為線路的主保護(hù)措施，具有固定的保護(hù)范圍，可以使整個(gè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)零時(shí)限全線速動(dòng)，實(shí)現(xiàn)礦井供電系統(tǒng)的防越級(jí)跳閘功能。

2 越級(jí)跳閘原因解析

2.1 各級(jí)開關(guān)繼電保護(hù)裝置不能協(xié)調(diào)使用

目前，煤礦井下變電所配置有6 kV或10 kV高壓防爆開關(guān)，而地面的變電站配置有6 kV、35 kV高壓開關(guān)柜且地面保護(hù)速斷動(dòng)作時(shí)限上級(jí)要求設(shè)為零秒，發(fā)生短路故障時(shí)，各級(jí)高壓開關(guān)柜繼電保護(hù)裝置的保護(hù)動(dòng)作時(shí)間不能有效配合，使得各級(jí)開關(guān)繼電保護(hù)裝置不能協(xié)調(diào)使用，導(dǎo)致越級(jí)跳閘。

2.2 失壓脫扣線圈動(dòng)作

通常，煤礦井下高壓隔爆開關(guān)失壓保護(hù)為二級(jí)保護(hù)，一級(jí)是保護(hù)裝置帶的，一般可進(jìn)行整定，另一級(jí)是開關(guān)自帶的失壓脫扣線圈，失壓脫扣器是機(jī)械速斷動(dòng)作，由于動(dòng)作值及時(shí)間不可整定，一般不能設(shè)置延時(shí)。

當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生短路導(dǎo)致電壓迅速下降到額定電壓的65%以下時(shí)，過(guò)流保護(hù)裝置由于有延時(shí)，而失壓脫扣器通常會(huì)預(yù)先動(dòng)作，引起供電系統(tǒng)發(fā)生越級(jí)跳閘；當(dāng)距離母線很近的饋線有短路發(fā)生時(shí)，這段母線上的其他開關(guān)也會(huì)出現(xiàn)誤動(dòng)作，從而引起跳閘。

2.3 保護(hù)裝置性能差

近年來(lái)，受煤礦形勢(shì)影響，許多煤礦節(jié)約成本不愿更新開關(guān)保護(hù)裝置，繼續(xù)使用一些老舊保護(hù)裝置。老舊保護(hù)裝置靈敏度低、性能差或由于保護(hù)本身的值步距大實(shí)際采用的保護(hù)動(dòng)作值與理論計(jì)算值相差較大，從而導(dǎo)致開關(guān)動(dòng)作不及時(shí)，甚至誤動(dòng)，引起越級(jí)跳閘。

2.4 井上下各級(jí)開關(guān)整定計(jì)算不準(zhǔn)確

目前很多礦井的井上下供電管理不屬于一個(gè)部門，在整定計(jì)算上存在誤差。井上下整定計(jì)算有時(shí)所取負(fù)荷容量及線路長(zhǎng)度上存在差別，以致于整定計(jì)算值在配合上出現(xiàn)錯(cuò)誤；另井下負(fù)荷變化較大，系統(tǒng)上各級(jí)開關(guān)整定不能及時(shí)修改造成整定不準(zhǔn)確。

2.5 漏電保護(hù)選擇性不準(zhǔn)

在煤礦電網(wǎng)中，通常采用零序電流大小及零序電流方向保護(hù)原理的選擇性漏電保護(hù)裝置，井下環(huán)境復(fù)雜多變，電容電流受環(huán)境影響變化較大，抗電磁干擾能力弱成為許多漏電保護(hù)裝置的缺陷，同時(shí)也嚴(yán)重影響了數(shù)據(jù)的傳輸速率和處理速度，各支路只能自保護(hù)，而不能兼顧其它支路和上級(jí)支路，使得無(wú)法實(shí)現(xiàn)對(duì)漏電的準(zhǔn)確判斷。

3 煤礦供電系統(tǒng)防越級(jí)跳閘系統(tǒng)改造技術(shù)方案

通過(guò)光纖網(wǎng)絡(luò)將井下變電所高壓隔爆開關(guān)內(nèi)采樣的數(shù)據(jù)上傳至地面電力調(diào)度保護(hù)主機(jī)，基于全站數(shù)據(jù)共享的保護(hù)主機(jī)并實(shí)現(xiàn)以下功能：

1) 裝備了一種新型的漏電保護(hù)，它采用了全系統(tǒng)零序電流原理，幾乎不會(huì)發(fā)生由于錯(cuò)誤的主觀判斷而發(fā)生的越級(jí)跳閘。

2) 在煤礦供電系統(tǒng)增加部分保護(hù)，比如在井上下變電站(所)之間的聯(lián)絡(luò)線配備雙側(cè)和三端線路差動(dòng)保護(hù)；在各變電所配備母線差動(dòng)保護(hù)并在負(fù)荷線路裝備一種過(guò)流速斷保護(hù)，從而實(shí)現(xiàn)全長(zhǎng)線路的保護(hù)。

3) 在供電系統(tǒng)各用電設(shè)備配置基本的保護(hù)：過(guò)載、短路、漏電、欠壓、過(guò)壓等。

4) 高爆開關(guān)配備智能保護(hù)器，從而使就地保護(hù)實(shí)現(xiàn)智能化。

5) 采用全站的故障錄波，能提供更為全面的故障信息，能進(jìn)行更加全面的故障分析,為快速實(shí)現(xiàn)故障處理和及時(shí)恢復(fù)供電提供科學(xué)依據(jù)。

6) 接入高速光纖網(wǎng)并提高集中保護(hù)主機(jī)的運(yùn)算速度，不僅減小了通訊延時(shí)，抗干擾能力，誤碼率小,而且使保護(hù)實(shí)現(xiàn)速動(dòng)。

4 數(shù)字化選擇性漏電保護(hù)及防越級(jí)跳閘系統(tǒng)實(shí)例

4.1 地面建設(shè)監(jiān)控通訊操作機(jī)房

在機(jī)電科建立電力調(diào)度中心，裝設(shè)大屏,網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)(16口)1臺(tái),電源EMI濾波器1臺(tái),保護(hù)主機(jī)2臺(tái)(一用一備)，光電轉(zhuǎn)換器4臺(tái)，屏柜1面，打印機(jī)一臺(tái)(打印報(bào)表用)，聲光報(bào)警系統(tǒng)一套，配備UPS預(yù)防無(wú)計(jì)劃停電導(dǎo)致資料丟失。

4.2 南六區(qū)變電所現(xiàn)狀及上下級(jí)供電系統(tǒng)概況

南六區(qū)變電所位于井下南六盤區(qū)，由地面35 kV變電站供電，下級(jí)有5個(gè)配電點(diǎn)、整流室，供電系統(tǒng)復(fù)雜，線路較長(zhǎng)。供電系統(tǒng)圖見圖1.

圖1 南六區(qū)變電所供電系統(tǒng)圖

4.3 通訊光纜的敷設(shè)

利用地面變電站供南六變電源線路桿點(diǎn)架設(shè)24芯光纜4 600 m，從電力調(diào)度機(jī)房到變電所敷設(shè)24芯光纜8 800 m. 光纜敷設(shè)方案圖見圖2.

圖2 光纜敷設(shè)方案圖

4.4 智能保護(hù)安裝改造及變電所配套設(shè)施的安裝

對(duì)變電所高爆開關(guān)保護(hù)器進(jìn)行改造，將原有八達(dá)開關(guān)自身保護(hù)器更換為DMP51028智能保護(hù)器。

南六區(qū)變電所安設(shè)2臺(tái)KJJ180礦用光傳輸接口，用于采集南六區(qū)所有高開內(nèi)保護(hù)器內(nèi)的信號(hào)。

安設(shè)1臺(tái)DXB660/220B礦用隔爆型不間斷電源，給變電所的KJJ180礦用光傳輸接口提供后備電源。

地面35 kV變電站對(duì)應(yīng)的634、635出線高壓開關(guān)更換智能保護(hù)器。

4.5 數(shù)據(jù)傳輸及保護(hù)動(dòng)作運(yùn)行

系統(tǒng)建設(shè)后運(yùn)行圖見圖3.

圖3 系統(tǒng)運(yùn)行圖

在南六區(qū)中央變電所，對(duì)高壓隔爆開關(guān)加設(shè)智能保護(hù)器，這樣不僅能使諸如電流量和電壓量等的模擬量實(shí)現(xiàn)數(shù)字化，并按照點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的模式傳送至光傳輸接口，同時(shí)可以接收來(lái)自于保護(hù)主機(jī)的命令，實(shí)現(xiàn)開關(guān)的分合閘；此時(shí)，數(shù)據(jù)會(huì)經(jīng)過(guò)光傳輸接口實(shí)現(xiàn)合并，并通過(guò)光纖以太網(wǎng)到達(dá)保護(hù)主機(jī)；由于保護(hù)主機(jī)具備保護(hù)邏輯計(jì)算功能，數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)計(jì)算會(huì)轉(zhuǎn)變成控制命令并下發(fā)至智能保護(hù)器，實(shí)現(xiàn)對(duì)跳閘的保護(hù)。

該系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)顯示各負(fù)荷電流、有功功率、無(wú)功功率、功率因數(shù)和各高開隔離開關(guān)的狀態(tài)，同時(shí)能在地面監(jiān)控機(jī)房及時(shí)修改高壓隔爆開關(guān)保護(hù)定值。依此電力調(diào)度中心可以實(shí)現(xiàn)各高開“分、合”閘的遠(yuǎn)程控制。

5 系統(tǒng)主要優(yōu)點(diǎn)

1) 基于零序電壓，全站零序電流的綜合處理可正確選出故障線路。

2) 保護(hù)工序?qū)崿F(xiàn)三重化保障(雙重化的集中保護(hù)和智能保護(hù)器就地保護(hù))，極大提高了保護(hù)的可靠性。

3) 保護(hù)器使模擬量和開關(guān)量實(shí)現(xiàn)數(shù)字化，并引入可以完全隔離井下現(xiàn)場(chǎng)電磁干擾的光纖網(wǎng)，不僅可以使信號(hào)快速到達(dá)集成保護(hù)測(cè)控裝置，而且提高了保護(hù)的可靠性。

4) 保護(hù)器可以根據(jù)光纖網(wǎng)絡(luò)通訊的使用情況對(duì)全系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化和智能化的保護(hù)，比如可以實(shí)現(xiàn)速斷、限時(shí)速斷、過(guò)流三段式電流保護(hù)，反時(shí)限過(guò)流保護(hù)，二段零序電流保護(hù)(漏電)，可獨(dú)立整定的三段式低電壓保護(hù)和過(guò)電壓保護(hù)，零序過(guò)電壓保護(hù)，非電量保護(hù)(瓦斯、風(fēng)電閉鎖)，斷相保護(hù)，電纜絕緣監(jiān)視等。

5) 支持智能保護(hù)器保護(hù)定值遠(yuǎn)方在線修改，地面電力調(diào)度機(jī)房操作人員在機(jī)房就能修改調(diào)整整定值。

6) 配置文件和定值文件為U盤可識(shí)別的XML格式，方便直接讀取、拷貝、備份。

7) 相較傳統(tǒng)的微機(jī)保護(hù)，故障錄波可以實(shí)現(xiàn)全站每周波256點(diǎn)；提高了集成保護(hù)測(cè)控裝置存儲(chǔ)容量，故障記錄可以保存達(dá)1 024條，最新的故障波形可以記憶32套，錄波通道數(shù)得到提高，并支持20次諧波分析。

8) 集中保護(hù)裝置的運(yùn)算速度得到極大提高，同時(shí)光纖網(wǎng)可以降低延時(shí)，實(shí)現(xiàn)保護(hù)準(zhǔn)確而速動(dòng)，小電流接地選線保護(hù)能準(zhǔn)確選出故障線路確保正常運(yùn)行的線路不越級(jí)跳閘；光纖縱差保護(hù)靈敏性高，動(dòng)作時(shí)間小于25 ms，動(dòng)作速度比傳統(tǒng)的速斷過(guò)流保護(hù)快10 ms以上，且在CT飽和的情況下動(dòng)作速度不受影響。

9) 系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互，圖形界面方便實(shí)現(xiàn)調(diào)試和高級(jí)分析，操作直觀方便。

10) 系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)全站測(cè)控，在控制室可以對(duì)井下變電所運(yùn)行狀態(tài)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控，對(duì)電網(wǎng)線路的負(fù)荷實(shí)現(xiàn)遙測(cè)、遙信、遙控、遙脈及防誤操作，為變電所的“無(wú)人值班”提供了強(qiáng)有力的技術(shù)支持。

6 使用的效果及存在的問(wèn)題

6.1 與傳統(tǒng)常規(guī)保護(hù)的對(duì)比

采用傳統(tǒng)保護(hù)模式：由于定值難以整定，無(wú)時(shí)間級(jí)差，無(wú)論在開關(guān)正常或失靈情況下均會(huì)出現(xiàn)“越級(jí)跳閘”，井下采區(qū)變電站末端饋出故障時(shí)導(dǎo)致6 kV開閉所饋出“越級(jí)跳閘”；在CT飽和的情況下會(huì)導(dǎo)致保護(hù)延時(shí)數(shù)十毫秒動(dòng)作。

采用煤礦供電防越級(jí)跳閘系統(tǒng)模式：采用光纖差動(dòng)作為線路主保護(hù)，動(dòng)作區(qū)固定，不需要時(shí)間級(jí)差的配合，在任何地點(diǎn)故障均無(wú)越級(jí)跳閘；即使開關(guān)失靈，只開放上一級(jí)后備保護(hù)，由上一級(jí)后備保護(hù)動(dòng)作切除故障，不會(huì)造成越級(jí)跳閘；在CT飽和的情況下保護(hù)動(dòng)作速度不受影響；在平時(shí)保護(hù)動(dòng)作情況下比常規(guī)保護(hù)快10 ms.

6.2 礦井使用效果

在數(shù)字化防越級(jí)跳閘系統(tǒng)實(shí)施前，由于南六區(qū)變電所負(fù)擔(dān)的生產(chǎn)隊(duì)組較多，供電系統(tǒng)復(fù)雜，2012年全年共發(fā)生越級(jí)跳閘20次。2013年該系統(tǒng)建成后，運(yùn)行2年多來(lái)，在南六區(qū)變電所未發(fā)生一起越級(jí)跳閘，使用效果較好，有效地起到了防越級(jí)跳閘的作用。

6.3 存在的問(wèn)題

防越級(jí)跳閘系統(tǒng)安全準(zhǔn)確實(shí)施運(yùn)行主要依賴于通信網(wǎng)絡(luò)光纖，光纜敷設(shè)量大，必須加強(qiáng)巡視維護(hù)以防光纜斷裂或損壞，一旦斷裂整個(gè)變電所將不能進(jìn)行操作。

7 結(jié) 語(yǔ)

數(shù)字化防越級(jí)跳閘系統(tǒng)應(yīng)用以來(lái)，極大地降低了煤礦越級(jí)跳閘事故率，提高了礦井供電的安全性和可靠性，為礦井安全生產(chǎn)和數(shù)字化建設(shè)奠定了基礎(chǔ)。

[1] 高立強(qiáng).煤礦井下高壓電網(wǎng)越級(jí)跳閘的原因及預(yù)防措施[J].煤礦現(xiàn)代化，2010(3)：23-24.

Application of Digital Anti-over Stepping Tripping System in Coal Mine Power Supply

LI Zhiguo

Analyzes the causes of over stepping tripping of power supply system in underground coal mine and its harm to production. It introduces the solutions and its advantages, gives comparison the effect of digital substation tripping system before and after the transformation. The application of digital anti-overstepping tripping system in coal mine reduces the occurrence of coal mine over-stepping trip accidents, and improves the safety and reliability of power supply.

Coal mine; Underground power supply system; Digital anti-over stepping trip system

2016-07-21

李志國(guó)(1978—)，男，山西忻州人，2009年畢業(yè)于中國(guó)礦業(yè)大學(xué)，主要從事礦井機(jī)電設(shè)備、配件管理等工作

(E-mail)xs6215362@126.com

TD611

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1672-0652(2016)09-0027-04