礦井供電系統(tǒng)越級跳閘原因分析及防治措施研究

朱宏博

0 前言

隨著礦井開采深度的不斷加深，從地面變電所到井下各用電場所的供電距離越來越長，而地面變電所與礦井中央變電所，采區(qū)變電所以及移動變電站間仍主要以縱向，多層級垂直供電模式為主，屬于單側電源3級至4級的干線式供電網(wǎng)絡。所用的供電線路主要為長度相對較短的多段電纜與大截面的電纜，這樣在供電系統(tǒng)出現(xiàn)短路故障的情況下，一般首端短路電流與末端短路電流不會有太大差別。通常某處短路會造成其上游多級開關可能出現(xiàn)大致相同的故障電流，這樣便易出現(xiàn)供電系統(tǒng)越級跳閘現(xiàn)象，造成礦井大面積停電，對此分析礦井供電系統(tǒng)越級跳閘原因，并研究越級跳閘防治措施也顯得越來越重要。

1 越級跳閘故障原因

（1）整定方法不合理引發(fā)越級跳閘。目前煤礦高壓短路保護大多仍是按煤炭工業(yè)部門發(fā)布以前頒發(fā)的各種保護規(guī)則進行作業(yè)的，其整定值一般是按可避過最大負載電流來整定的，該整定值會遠遠小于短路電流整定值，出現(xiàn)短路故障后沿線保護都易啟動，其跳閘主要受開關的機械特性影響，這樣便易引發(fā)供電系統(tǒng)發(fā)生短路越級跳閘現(xiàn)象[1]。

（2）線路較短引發(fā)越級跳閘。短線路導致越級跳閘的根本原因是線路本身具有的阻抗較小，背側系統(tǒng)和線路的阻抗比相對較大。由于這兩方面的原因，當短線路出現(xiàn)短路故障時，短路電流隨短路點位置的實際變化曲線會較平緩，即開始和結束時的短路電流的線是非常小的。切換到線路末端的最大短路電流設置，此時在最小工作模式下沒有保護范圍，即按照第一端最小短路電流測試保護靈敏度小于1，電源系統(tǒng)程序建議小于1的靈敏度不是適當安裝電流斷路保護裝置，但“煤礦安全規(guī)程”要求地下配電網(wǎng)應安裝短路保護裝置，并且必須保持靈敏度滿足要求，一般將其變更為相同的靈敏度系數(shù)法（即確保線路處于最小工作模式，首末端出現(xiàn)兩相短路時的1.5倍靈敏度因子）予以設定，使線路間短路故障將導致地下變電站出線開關電平跳閘。

（3）失電保護導致更多級別跳閘。地下高壓隔爆型開關具有獨立的欠壓脫扣器，JB 8739-1998“礦用隔爆型高壓配電裝置”標準的欠壓脫扣器端子電壓降低到額定電壓的35%以下時應制作開關柜可靠的分閘，當端子電壓大于其額定電壓的65%時，開關柜不應打開分閘，這是35%～65%的動作不能同時動作，欠壓脫扣跳閘時間不能設定，性能瞬時特點。因此，當母線短路發(fā)生饋線短路故障時，母線的短路電壓會縮短電壓。因此，母線上的所有開關，即使是進線和上層開關，都可能欠壓導致跳閘。另外非軟啟動面對大功率設備過載啟動也會導致母線電壓的瞬時下降[2]。

2 防越級跳閘解決方案現(xiàn)狀

2.1 以電氣信號閉鎖為基礎的短路保護

以電氣信號閉鎖為基礎的短路保護，其理論相對較簡單，保護目的也相對較明確，但實際使用效果卻很難達標。這主要是由于：（1）礦井供電環(huán)境惡劣，存在的干擾較多，雖在實際保護作業(yè)中，人們也在應用屏蔽雙絞線差分信號傳輸技術，但基于較長的傳輸距離，也很難確保電氣閉鎖信號實現(xiàn)正常的遠距可靠傳輸；（2）電氣閉鎖電纜相對較多，連接關系也十分復雜，加之需借助邏輯閉鎖器來進行多條出線與多條進線間的連接，同時還應依據(jù)實際供電網(wǎng)絡的實際變化情況來對閉鎖邏輯進行科學、合理地調整，這樣施工較困難；（3）該種保護方式自檢功能不是很完善，當邏輯閉鎖器發(fā)生故障或信號電纜發(fā)生故障的情況下，很難第一時間發(fā)現(xiàn)并報警，這樣會增加檢修維護難度，因此，該種保護方式的實際應用效果不是很理想[3]。

2.2 光纖縱差保護與縱聯(lián)保護

對光纖縱差保護而言，其主要是借助光纖把輸電線路兩端的電流幅值情況與相位信息情況傳至對端來進行比較，進而來判斷本線路四周存在短路故障與否，以決定切除本線路與否。而對于光纖縱聯(lián)保護而言，其與光纖縱差保護的實際保護原理大致相同，但光纖縱聯(lián)保護不是把電流幅值與相位傳至對側，而是把特定邏輯信息借助光纖傳至對側。

光纖縱差保護與縱聯(lián)保護都能實現(xiàn)快速的選擇性保護。但光纖縱差保護在進行保護作業(yè)時需同步處理線路兩側的電流，會使當前礦用保護裝置實現(xiàn)的技術難度增大，同時這兩種保護保護作業(yè)的實施還需敷設多條專用通訊光纖，會增大供電系統(tǒng)網(wǎng)絡設計的復雜度，此外，受礦井陰暗潮濕惡劣生產環(huán)境的影響，敷設的通訊光纖與電纜易受損，進而影響保護的安全性可靠性，總之，這兩種保護在原理上可行性較強，但對實際實施條件要求較苛刻，實施成本高，實際實用性不強[4]。

3 以GOOSE閉鎖為基礎的短路保護

經(jīng)上述分析，可知上下級開關的短路保護沒有時間差，發(fā)生短路故障后，易出現(xiàn)短路電流幾乎同時從多個保護控制器流過，而保護控制器無法有效識別自己距故障點是否為最近，這樣便易出現(xiàn)越級跳閘現(xiàn)象。基于此，本文設計出一種以GOOSE閉鎖原理為基礎的選擇性較強的供電系統(tǒng)短路保護新技術，該技術充分借助了當前礦井內已布設好的監(jiān)控以太網(wǎng)網(wǎng)絡，把GOOSE技術充分應用到了供電系統(tǒng)中來傳遞閉鎖信號，礦井供電系統(tǒng)發(fā)生故障時實現(xiàn)了選擇性跳閘。此種防越級跳閘方案，不僅較易實現(xiàn)，且具有較強的抗干擾能力，較高的可靠性，實際實施成本也相對較低。

3.1 以GOOSE閉鎖為基礎的短路保護原理

圖1為該種保護系統(tǒng)的大致框架圖，其主要是在系統(tǒng)原有保護功能的基礎上加設GOOSE閉鎖有效時間定值與以太網(wǎng)通訊接口，借助以太網(wǎng)通訊接口來使GOOSE閉鎖信號的處理與相關系統(tǒng)功能得到順利實現(xiàn)。

圖1 以GOOSE閉鎖為基礎的選擇性短路保護系統(tǒng)

礦井供電系統(tǒng)常見的故障示意圖大致如圖2所示。當K4點出現(xiàn)短路故障后，1、2、3、4這四個保護控制器都可順利檢測到系統(tǒng)故障電流，當系統(tǒng)故障電流足夠大時，會及時發(fā)出GOOSE閉鎖報文，當GOOSE的配置順利完成后，1、2、3這三個保護控制器來自保護控制器4的閉鎖報文信息，這三個保護控制器在有效閉鎖的定值內將不再發(fā)生動作，這時保護控制器4會先發(fā)出動作快速切除短路故障，若在有效閉鎖的定值內1、2、3這三個保護控制器仍達到了實際動作值，這時保護控制器3會先動作把故障切除，這樣便可實現(xiàn)選擇性保護作業(yè)[5]。

3.2 以GOOSE閉鎖為基礎的短路保護的實現(xiàn)

該保護系統(tǒng)采用的是ST公司的ARM芯片STM32系列控制器。主要包括中央處理單元、交流采樣單元、絕緣監(jiān)測保護單元、開關單元、人機界面單元、通訊單元和供電單元。

3.2.1 中央處理器單元

可用STM32F207芯片充當中央處理單元，該芯片屬于一款較先進的基于Cortex一M3核心的三十二位ARM微控制器，其上面有很多外設接口，人們常用的AD轉換模塊、以太網(wǎng)控制器以及串口控制器、實時時鐘等部件都集成到了控制器中，系統(tǒng)硬件設計得到了大幅簡化，更好地保障了系統(tǒng)的低功耗性以及本質安全性，該單元可把所有的保護功能都完成[6]。

3.2.2 交流采樣單元

該單元借助STM32F207集成的AD轉換模塊可采集Ua、Ub、Uc三相電壓以及零序電壓、保護電流還有測量電流等。

3.2.3 絕緣監(jiān)視保護單元

該單元可借助附加電阻的直流監(jiān)視線保護原理，利用VFC的測量方法來把監(jiān)視線與地線間的絕緣電阻上存在的直流電壓測量出來，并可對監(jiān)視回路中的電阻進行計算，以實現(xiàn)最終的絕緣監(jiān)測的目的[7]。

3.2.4 人機接口單元

可用串口通訊把STM32F103芯片、中央處理器、LCD、LED顯示器以及紅外遙控器連接成人機接口單元，其中LCD液晶顯示器主要用來對實時數(shù)據(jù)等信息進行動態(tài)顯示；LED指示燈主要用于對系統(tǒng)實際運行情況進行直觀顯示，紅外遙控器主要用于控制人機接口單元，讓這些部件科學、合理地組合，可有效控制系統(tǒng)的運行[8]。

4 結束語

基于礦井供電系統(tǒng)普遍存在的越級跳閘問題，通過對當前人們常用的幾種防越級跳閘方案的分析比較，提出了以GOOSE為基礎的短路保護方案，可很好地實現(xiàn)短路故障的選擇性保護，有效防止礦井越級跳閘現(xiàn)象的發(fā)生。該種新保護方案不僅易施工，易操作，易維護，而且可靠性高，安全性好，更符合當前我國煤礦供電系統(tǒng)越級跳閘保護需求，可有效確保礦井供電系統(tǒng)的安全、可靠、穩(wěn)定運行。