智能零時(shí)限電流保護(hù)在井下防越級(jí)跳閘的應(yīng)用

邢彥偉

(西山煤電股份公司 太原選煤廠,山西 太原 030023)

·技術(shù)經(jīng)驗(yàn)·

智能零時(shí)限電流保護(hù)在井下防越級(jí)跳閘的應(yīng)用

邢彥偉

(西山煤電股份公司 太原選煤廠,山西 太原 030023)

大型現(xiàn)代化煤礦井上下供電網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展存在差異，井下供電系統(tǒng)級(jí)數(shù)多，設(shè)備集中，并且不同廠家的設(shè)備靈敏度不同，發(fā)生短路時(shí)經(jīng)常出現(xiàn)上級(jí)保護(hù)越級(jí)動(dòng)作的情況，甚至造成礦井大面積停電事故。為解決這一問(wèn)題，提出以光纖差動(dòng)保護(hù)技術(shù)為基礎(chǔ)，通過(guò)MPR304S礦用綜合保護(hù)裝置和KHL127型礦用隔爆型電流保護(hù)控制器配合智能零時(shí)限電流保護(hù)技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)防越級(jí)跳閘的方案。試驗(yàn)表明，該系統(tǒng)能夠較好地解決煤礦井下越級(jí)跳閘的問(wèn)題。

井下供電網(wǎng)絡(luò)；越級(jí)跳閘；智能零時(shí)限電流保護(hù)；光纖通信

隨著電力系統(tǒng)的發(fā)展，特別是在礦井建設(shè)現(xiàn)代化、自動(dòng)化理念的影響下，近些年煤礦地面電網(wǎng)發(fā)展很快，基本實(shí)現(xiàn)了變電站綜合自動(dòng)化，但受空間限制和井下環(huán)境影響，煤礦井下電網(wǎng)的自動(dòng)化水平卻仍然相對(duì)落后。同時(shí)井工煤礦供電網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建需經(jīng)過(guò)地面、井下、終端設(shè)備等多個(gè)變電場(chǎng)所，這種供電方式用電設(shè)備集中，上下級(jí)之間供電線路很短，而且供電級(jí)數(shù)較多，不同場(chǎng)所短路電流非常接近，定時(shí)限速斷保護(hù)具有一定的危險(xiǎn)性，只能作為下級(jí)開(kāi)關(guān)速斷保護(hù)的后備保護(hù)，如果各級(jí)開(kāi)關(guān)只設(shè)置主保護(hù)為零時(shí)限速斷保護(hù)，下一級(jí)母線處發(fā)生短路時(shí)的故障電流必然大于上一級(jí)速斷整定值，造成上下級(jí)保護(hù)同時(shí)達(dá)到跳閘條件，從而發(fā)生越級(jí)跳閘事故[1]. 也就是說(shuō)，礦井電網(wǎng)發(fā)生故障時(shí)各級(jí)保護(hù)裝置不能進(jìn)行選擇性跳閘，除非犧牲故障切除的快速性來(lái)保證選擇性[2]. 但隨著煤礦電網(wǎng)供電系統(tǒng)越來(lái)越復(fù)雜，要想保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性就必須縮短動(dòng)作時(shí)限，因此，現(xiàn)代化大型煤礦必須解決繼電保護(hù)因無(wú)選擇性配合或配合不可靠發(fā)生的“越級(jí)跳閘”[1]. 本文提出一種光纖差動(dòng)保護(hù)和智能零時(shí)限電流保護(hù)技術(shù)相結(jié)合的解決方案。

1 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

1.1 光纖差動(dòng)保護(hù)技術(shù)

光纖差動(dòng)保護(hù)是在電流差動(dòng)保護(hù)的基礎(chǔ)上演化來(lái)的[3]，其基本原理基于克?；舴蚧倦娏鞫伞Ｋ皇苓\(yùn)行方式變化的影響，能夠理想地使得保護(hù)實(shí)現(xiàn)單元化，同時(shí)由于上下級(jí)的保護(hù)裝置之間不存在電聯(lián)系，系統(tǒng)運(yùn)行可靠性大大提高[4]. 光纖電流差動(dòng)保護(hù)系統(tǒng)的典型構(gòu)成見(jiàn)圖1. 光纖分相電流差動(dòng)保護(hù)借助于線路光纖通道，實(shí)時(shí)向?qū)?cè)傳遞采樣數(shù)據(jù)，同時(shí)接收對(duì)側(cè)的采樣數(shù)據(jù)，各側(cè)保護(hù)利用本地和對(duì)側(cè)電流數(shù)據(jù)按相進(jìn)行差動(dòng)電流計(jì)算。根據(jù)電流差動(dòng)保護(hù)的制動(dòng)特性方程進(jìn)行判別，判為區(qū)內(nèi)故障時(shí)動(dòng)作跳閘，區(qū)外故障時(shí)保護(hù)不動(dòng)作[4].

圖1 光纖差動(dòng)保護(hù)配置原理圖

如圖1所示，假設(shè)M側(cè)為送電端，N側(cè)為受電端，則M側(cè)的電流由母線到線路，N側(cè)的電流由線路到母線，兩側(cè)電流大小相同但方向反向，線路兩側(cè)的差電流是零；當(dāng)保護(hù)裝置發(fā)生區(qū)內(nèi)故障時(shí)，故障電流都是由母線流向線路，方向相同，線路兩側(cè)差電流發(fā)生變化，當(dāng)其滿足電流差動(dòng)保護(hù)的動(dòng)作特性方程時(shí)，保護(hù)裝置發(fā)出跳閘令快速將故障相切除[5].

光纖差動(dòng)保護(hù)技術(shù)作為解決越級(jí)跳閘的方法之一，不與其他保護(hù)配合也能確保斷電動(dòng)作靈敏、準(zhǔn)確，但煤礦供電存在“T”接線路，會(huì)出現(xiàn)高壓開(kāi)關(guān)電流互感器(CT)不符合差動(dòng)保護(hù)的問(wèn)題。同時(shí)光差保護(hù)具有絕對(duì)選擇性，無(wú)法對(duì)母線故障起到保護(hù)，僅依靠后備保護(hù)在保護(hù)裝置上存在死區(qū)。

1.2 智能零時(shí)限電流保護(hù)技術(shù)

對(duì)井下供電系統(tǒng)中的高壓防爆開(kāi)關(guān)進(jìn)行分層、分級(jí)，上下級(jí)保護(hù)裝置的信息交換通過(guò)光纖進(jìn)行。上一級(jí)變電所的進(jìn)線保護(hù)裝置上的1對(duì)光纖通信接口連接饋線柜保護(hù)裝置，另一對(duì)接口與服務(wù)器對(duì)應(yīng)母線的接口連接(點(diǎn)對(duì)點(diǎn)方式)。各級(jí)保護(hù)裝置的整定值不用作出明顯的區(qū)分，整定時(shí)限可設(shè)為無(wú)延時(shí)。

如圖2所示，當(dāng)?shù)V井供電網(wǎng)絡(luò)發(fā)生故障，離故障點(diǎn)最近的保護(hù)器動(dòng)作，同時(shí)保護(hù)裝置向上級(jí)發(fā)送一個(gè)邏輯信號(hào)，上級(jí)保護(hù)裝置接收到邏輯信號(hào)后進(jìn)行判斷，并對(duì)下級(jí)保護(hù)裝置的動(dòng)作情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)，如果下級(jí)保護(hù)裝置已經(jīng)動(dòng)作則上級(jí)不動(dòng)作，如果下級(jí)保護(hù)裝置未動(dòng)作，則上級(jí)開(kāi)關(guān)立即跳閘，確保電網(wǎng)安全，所有信號(hào)均為光纖傳輸，速度快，損失小。

圖2 智能零時(shí)限電流保護(hù)配置原理圖

1.3 差動(dòng)保護(hù)和智能零時(shí)限電流保護(hù)技術(shù)相結(jié)合

實(shí)踐表明，光纖差動(dòng)保護(hù)技術(shù)為了實(shí)現(xiàn)保護(hù)配合功能，各級(jí)變電所的進(jìn)線開(kāi)關(guān)只能設(shè)置過(guò)流后備保護(hù)，切除故障時(shí)間長(zhǎng)，變電所母線產(chǎn)生了保護(hù)死區(qū)。因此，只采用光纖差動(dòng)保護(hù)技術(shù)解決越級(jí)跳閘的問(wèn)題并不十分理想，在此基礎(chǔ)上配合智能零時(shí)限電流保護(hù)技術(shù)則效果較好，配置原理見(jiàn)圖3. MPR304S型數(shù)字式礦用綜合保護(hù)裝置提供了這種方案，該保護(hù)裝置可實(shí)現(xiàn)一側(cè)智能零時(shí)限保護(hù)功能，一側(cè)差動(dòng)保護(hù)。

圖3 智能零時(shí)限與光纖差動(dòng)保護(hù)配置原理圖

當(dāng)電網(wǎng)系統(tǒng)中支線上D1點(diǎn)出現(xiàn)短路故障時(shí)，開(kāi)關(guān)G1、G2的智能零時(shí)限保護(hù)裝置通過(guò)配合，使開(kāi)關(guān)G2動(dòng)作跳閘，開(kāi)關(guān)G1不動(dòng)作，由于短路點(diǎn)D1在光差保護(hù)范圍之外，故光差保護(hù)范圍內(nèi)開(kāi)關(guān)不動(dòng)作；當(dāng)電網(wǎng)系統(tǒng)中母線上D2點(diǎn)出現(xiàn)短路故障，由于短路點(diǎn)D2處于光差保護(hù)范圍之外，故光差保護(hù)范圍內(nèi)開(kāi)關(guān)不動(dòng)作，但上級(jí)開(kāi)關(guān)G1的智能零時(shí)限保護(hù)裝置檢測(cè)到故障電流，故開(kāi)關(guān)G1動(dòng)作；當(dāng)電網(wǎng)系統(tǒng)中主線路上D3點(diǎn)出現(xiàn)短路故障，由于短路點(diǎn)D3處于光差保護(hù)范圍之內(nèi)，故光差保護(hù)范圍之內(nèi)開(kāi)關(guān)同時(shí)動(dòng)作。采用智能零時(shí)限電流保護(hù)系統(tǒng)與光差保護(hù)系統(tǒng)相結(jié)合的技術(shù)方案適用于一般的電網(wǎng)系統(tǒng)，可有效地實(shí)現(xiàn)防越級(jí)跳閘，從而縮小停電范圍。

2 防越級(jí)跳閘系統(tǒng)設(shè)計(jì)

防越級(jí)跳閘功能由智能零時(shí)限電流保護(hù)技術(shù)和光纖差動(dòng)保護(hù)技術(shù)配合實(shí)現(xiàn)，系統(tǒng)由智能零時(shí)限電流保護(hù)設(shè)備、礦用保護(hù)控制器和通信網(wǎng)絡(luò)(光纖)組成。

2.1 綜合保護(hù)裝置

MPR304S型數(shù)字式礦用綜合保護(hù)裝置包括信號(hào)采集系統(tǒng)、濾波電路模塊、信號(hào)處理系統(tǒng)(32位)、A/D轉(zhuǎn)換、輸出模塊、通訊模塊等。如圖4所示，MPR304S保護(hù)裝置是將采集到的信息通過(guò)變換、濾波、處理、A/D轉(zhuǎn)換后采用FPGA進(jìn)行處理，處理后輸出。該裝置設(shè)計(jì)了兩對(duì)光纖通訊接口，用于防越級(jí)跳閘系統(tǒng)，而且系統(tǒng)所有的信號(hào)均采取了隔離處理，保證了設(shè)備的電磁兼容性。

圖4 MPR304S保護(hù)裝置結(jié)構(gòu)圖

2.2 保護(hù)控制器

KHL127型礦用隔爆型電流保護(hù)控制器與MPR304S礦用綜合保護(hù)裝置配合實(shí)現(xiàn)智能零時(shí)限電流保護(hù)功能。電流保護(hù)控制器能夠?qū)崟r(shí)收集、分析各保護(hù)的故障信息，并和MPR304S礦用綜合保護(hù)裝置建立雙向通信(光纖通訊)相互傳輸信息，實(shí)現(xiàn)故障的定位。

控制器由電源模塊、光纖接口模塊、顯示模塊等構(gòu)成，結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖5. 電源模塊集成了后備電源，停電后能維持不低于2 h的電池供電。光纖接口模塊由接口板(4塊)組成，每個(gè)接口板分別有10對(duì)光纖接口，每對(duì)光纖接口獨(dú)立工作，各接口的工作狀態(tài)由顯示模塊顯示?？刂破鞯耐ㄐ拍K采用光纖傳輸信息，通過(guò)FPGA處理信息，具有極高的通信速率，而且工作穩(wěn)定、可靠。

圖5 保護(hù)控制器結(jié)構(gòu)圖

3 系統(tǒng)測(cè)試

在4臺(tái)PJG9L-6型礦用隔爆型永磁高壓真空配電裝置中安設(shè)MPR304S綜合保護(hù)裝置，按圖6所示線路連接，組成1個(gè)小型電網(wǎng)進(jìn)行測(cè)試。為了保證試驗(yàn)結(jié)果，4臺(tái)開(kāi)關(guān)分級(jí)，編號(hào)分別為01、02、03、04，且開(kāi)關(guān)的電流整定值設(shè)置相同，動(dòng)作時(shí)間均設(shè)置為0 s.

3.1 正常運(yùn)行時(shí)數(shù)據(jù)測(cè)試

1) 測(cè)試內(nèi)容：保證4臺(tái)高壓防爆開(kāi)關(guān)綜合保護(hù)裝置的分勵(lì)接點(diǎn)正常投運(yùn)，模擬試驗(yàn)電流達(dá)到整定值時(shí)4臺(tái)開(kāi)關(guān)的跳閘情況，觀察第4級(jí)開(kāi)關(guān)是否正常動(dòng)作，并測(cè)試上級(jí)開(kāi)關(guān)是否出現(xiàn)越級(jí)跳閘。

2) 測(cè)試方法：將每個(gè)高開(kāi)的電流整定值設(shè)為一樣，均為160 A，動(dòng)作時(shí)間均設(shè)置為0 s，然后用升流器升流。

3) 測(cè)試結(jié)論：每次試驗(yàn)均為第四級(jí)開(kāi)關(guān)動(dòng)作。測(cè)試數(shù)據(jù)見(jiàn)表1.

3.2 第四級(jí)開(kāi)關(guān)拒動(dòng)測(cè)試

1) 測(cè)試內(nèi)容：取消第四級(jí)高壓防爆開(kāi)關(guān)綜合保護(hù)裝置的分勵(lì)接點(diǎn)，模擬試驗(yàn)電流達(dá)到整定值時(shí)本開(kāi)關(guān)拒動(dòng)后上級(jí)開(kāi)關(guān)跳閘情況，觀察第三級(jí)開(kāi)關(guān)是否正常動(dòng)作，并測(cè)試第一級(jí)、第二級(jí)開(kāi)關(guān)是否出現(xiàn)越級(jí)動(dòng)作。

2) 測(cè)試方法：將每個(gè)高開(kāi)的電流整定值設(shè)為一樣，均為30 A，動(dòng)作時(shí)間均設(shè)置為0 s，零時(shí)限開(kāi)放時(shí)間設(shè)定也一樣，均為100 ms，然后用升流器升流，沖擊至保護(hù)動(dòng)作。

圖6 模擬試驗(yàn)線路圖

次序1234操作時(shí)間15：15：1215：18：5015：20：4515：22：02設(shè)備編號(hào)設(shè)備型號(hào)動(dòng)作電流動(dòng)作時(shí)間動(dòng)作電流動(dòng)作時(shí)間動(dòng)作電流動(dòng)作時(shí)間動(dòng)作電流動(dòng)作時(shí)間01PJG9L-6(300/5)02PJG9L-6(200/5)03PJG9L-6(200/5)04PJG9L-6(200/5)161A(A相)162A(C相)27ms160A(A相)162A(C相)33ms159A(A相)161A(C相)29ms160A(A相)161A(C相)27ms

3) 測(cè)試結(jié)論：每次試驗(yàn)均為上一級(jí)(第三級(jí))保護(hù)動(dòng)作，沒(méi)有出現(xiàn)越級(jí)跳閘的情況。測(cè)試數(shù)據(jù)見(jiàn)表2.

表2 測(cè)試情況表

4 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

如圖7所示，礦井供電系統(tǒng)有進(jìn)線、分段和出線3種類型，并按照母線將變電站分為不同的區(qū)域，每個(gè)區(qū)域配備1套KHL127型通信服務(wù)器，MPR304S綜合保護(hù)裝置有2對(duì)光纖通信口，分段開(kāi)關(guān)和進(jìn)線開(kāi)關(guān)將光纖接入不同區(qū)的通信服務(wù)器，出線開(kāi)關(guān)將光纖接入本區(qū)的通信服務(wù)器，綜合保護(hù)裝置接收不同區(qū)域的信號(hào)，信號(hào)的傳遞按照區(qū)域自動(dòng)劃分，實(shí)現(xiàn)保護(hù)系統(tǒng)獨(dú)立存在，不受其他干擾。王家?guī)X煤礦供電系統(tǒng)建設(shè)過(guò)程中應(yīng)用了智能零時(shí)限電流保護(hù)技術(shù)，系統(tǒng)投運(yùn)以來(lái)，井下未發(fā)生過(guò)越級(jí)跳閘現(xiàn)象。

圖7 礦井供電系統(tǒng)區(qū)域劃分圖

王家?guī)X煤礦地面變電站2號(hào)高開(kāi)和井下變電所1號(hào)高開(kāi)、5號(hào)高開(kāi)安設(shè)MPR304S綜合保護(hù)裝置，通過(guò)光纖傳輸和KHL127型通信服務(wù)器組成網(wǎng)絡(luò)保護(hù)系統(tǒng)，綜采工作面煤機(jī)、刮板輸送機(jī)等設(shè)備從5號(hào)高開(kāi)取電。將1號(hào)、5號(hào)高開(kāi)和地面變電站2號(hào)高開(kāi)動(dòng)作時(shí)限設(shè)為0 s，速斷保護(hù)電流設(shè)置成400 A，取消5號(hào)高開(kāi)的跳閘接點(diǎn)(人為造成拒動(dòng))，刮板輸送機(jī)電流故障時(shí)，1號(hào)高開(kāi)動(dòng)作，未造成上級(jí)電源的保護(hù)動(dòng)作，動(dòng)作情況見(jiàn)表3.

表3 保護(hù)動(dòng)作情況表

實(shí)踐表明，智能零時(shí)限電流保護(hù)能夠較好地阻擋井下越級(jí)跳閘，目前，此方案已在山西焦煤集團(tuán)西曲、新峪、雙柳等煤礦廣泛應(yīng)用。

5 結(jié) 論

智能零時(shí)限電流保護(hù)技術(shù)既滿足煤礦供電網(wǎng)絡(luò)故障切除的快速性，也保證了繼電保護(hù)的選擇性配合。智能零時(shí)限電流保護(hù)與光纖差動(dòng)保護(hù)配合組成的防越級(jí)跳閘系統(tǒng)，同時(shí)可作為母線故障的主保護(hù)，消除了保護(hù)死區(qū)，通過(guò)與礦井地面電網(wǎng)保護(hù)裝置的接口對(duì)接，可構(gòu)建一體化的防越級(jí)跳閘系統(tǒng)，是一種比較理想的防越級(jí)跳閘的解決方案，適用于大多數(shù)的煤礦供電網(wǎng)絡(luò)。

[1] 吳兆法．關(guān)于山西王家?guī)X煤業(yè)有限公司采區(qū)變電所防越級(jí)跳閘系統(tǒng)設(shè)計(jì)及實(shí)施[D].太原:太原理工大學(xué),2015.

[2] 丁靜波.輻射型配電網(wǎng)絡(luò)中智能零時(shí)限電流保護(hù)的應(yīng)用[J].工礦自動(dòng)化,2012(11):67-69.

[3] 靳躍中.東龐礦6 kV總配電所光纖縱差保護(hù)改造[J].河北煤炭，2011(1):46-47.

[4] 胡 峰.光纖電流縱差保護(hù)在220 kV輸電線路應(yīng)用研究[D].廣州：華南理工大學(xué)，2012.

[5] 陳昌黎,楊 斌.GPS技術(shù)在光纖差動(dòng)保護(hù)調(diào)試中的應(yīng)用[J].湖北電力，2010,34(3):16-17.

Application of Intelligent Current Protection of Zero Time Limit in Override Trip Prevention for Coal Mine

XING Yanwei

The development of the power supply network of large scale modernized coal mine is different. There are many stages in the underground power supply system, and the equipments are concentrated. The sensitivity of the equipment from different manufacturers are different. When the short circuit occurs, the higher level protection leapfrog action occurs frequently, even resulting large scale power failure. To solve the problem, proposes the program based on optical fiber differential protection technology, through the MPR304S mine integrated protection devices and KHL127 mine flameproof current protection controller with intelligent zero time current protection technology to achieve anti leapfrog Tripping. The test results show that the system can solve the problem of coal mine over tripping.

Underground power supply network; Override trip; Intelligent current protection of zero time limit; Fibre communication

2016-08-14

邢彥偉(1975—)，男，山西原平人，2013年畢業(yè)于山東交通學(xué)院，工程師，主要從事選煤廠機(jī)電管理工作

(E-mail)13734008486@163.com

TD611

B

1672-0652(2016)09-0031-05