煤礦供電越級跳閘問題的研究

任亮亮

（晉煤集團(tuán)晉圣億欣煤業(yè)，山西 晉城 048000）

由于煤礦井下供電系統(tǒng)部分線路過短，允許的保護(hù)時(shí)限比較短，整定過流速斷保護(hù)比較困難，當(dāng)出現(xiàn)過流現(xiàn)象時(shí)，經(jīng)常出現(xiàn)越級跳閘的問題。因此，晉煤圣億欣煤業(yè)采用故障區(qū)段矩陣判別算法，并將該算法與智能變電站區(qū)域集控技術(shù)相結(jié)合，使得變電站具備智能故障識別和隔離的功能，從而在根本上解決煤礦越級跳閘的問題。

1 短路越級跳閘產(chǎn)生的原因

1.1 部分線路過短導(dǎo)致的供電線路越級跳閘

短線路的阻抗值比較小，而背側(cè)系統(tǒng)與短線路的阻抗比相對比較大。當(dāng)短線路上發(fā)生短路故障時(shí)，線路中電流衰減有限。

如圖1所示，為了能在電路末端躲過最大短路電流而整定為Izd1，按照此數(shù)值，當(dāng)供電系統(tǒng)運(yùn)行在最小工作方式下發(fā)生短路故障時(shí)，保護(hù)系統(tǒng)無法工作，不符合規(guī)定要求，所以一般選擇按照一定的系數(shù)（靈敏度系數(shù)選為1.5）降低整定值到I'zd1，開關(guān)A的保護(hù)范圍就擴(kuò)大到了l'p，這就意味著保護(hù)范圍已經(jīng)延伸到了井下采區(qū)，會發(fā)生越級跳閘。

圖1 短線路的電流速斷保護(hù)范圍

1.2 供電系統(tǒng)整定不合理導(dǎo)致短路越級跳閘

在對井下供電系統(tǒng)高壓短路保護(hù)進(jìn)行整定的主要依據(jù)還是煤炭工業(yè)部于1998年頒布的《煤礦井下供電的三大保護(hù)細(xì)則》，其中的《煤礦井下低壓電網(wǎng)短路保護(hù)裝置的整定細(xì)則》對整定標(biāo)準(zhǔn)做了規(guī)定，規(guī)定整定值需要躲過最大負(fù)荷電流而非短路電流，這就導(dǎo)致得到的整定值比較小，當(dāng)發(fā)生短路故障時(shí)，輸電線路各級保護(hù)均會動作跳閘。如圖2所示，地面變電站的開關(guān)A依據(jù)線路為躲過線路最大負(fù)載電流而整定為I'zd1，當(dāng)發(fā)生短路故障時(shí)，其保護(hù)范圍是l'p，這就意味著當(dāng)井下變電站和采區(qū)變電站區(qū)段出現(xiàn)短路故障時(shí)，開關(guān)A會跳閘。

圖2 整定方法不合理的電流速斷保護(hù)范圍

1.3 最大、最小運(yùn)行方式差異較大導(dǎo)致越級跳閘

供電系統(tǒng)在最大和最小運(yùn)行方式下參數(shù)會存在一定差異，如果在這兩個(gè)運(yùn)行方式下的短路電流之間差異過大，就會給電流整定帶來困難。如圖3所示，如果開關(guān)B按照躲過最小工作方式下的短路電流進(jìn)行整定為Izd1，那么當(dāng)系統(tǒng)在最小工作方式下發(fā)生短路時(shí)，開關(guān)B就無法提供保護(hù)，如果將開關(guān)B的整定值進(jìn)行調(diào)整，下調(diào)到I'zd1，這樣雖然在系統(tǒng)最小工作方式下的短路電流有了保護(hù)范圍，但是最大運(yùn)行方式下的保護(hù)范圍也就擴(kuò)大到了l'pmax，當(dāng)線路發(fā)生短路時(shí)，即會發(fā)生越級跳閘。

圖3 系統(tǒng)最大、最小運(yùn)行方式差異大時(shí)電流速斷保護(hù)范圍

1.4 失壓保護(hù)導(dǎo)致越級跳閘

煤礦井下的高壓隔爆開關(guān)一般都會設(shè)有獨(dú)立的欠壓脫扣器，按照《礦用隔爆高壓配電裝置》中的規(guī)定，當(dāng)欠壓脫扣器端子的電壓大于額定電壓的65%時(shí)，開關(guān)裝置不會動作；端子電壓在額定電壓的35～65%之間時(shí)，開關(guān)裝置可動可不動；端子電壓小于額定電壓的35%時(shí)，開關(guān)裝置即動作分閘。所以當(dāng)發(fā)生短路故障時(shí)，由于輸電線路上的短暫失壓，所以線路上的所有開關(guān)都會因?yàn)榍穳憾摽厶l。

2 煤礦供電系統(tǒng)防越級跳閘措施

2.1 基于數(shù)字化集成保護(hù)的防越級跳閘方案

該方案主要是采用電流縱聯(lián)差動保護(hù)原理來防止越級跳閘，該原理取代了主保護(hù)階段式電流保護(hù)原理，實(shí)現(xiàn)了數(shù)字化集成保護(hù)。

如圖4所示，采用數(shù)字化集成保護(hù)技術(shù)的防越級跳閘方案的架構(gòu)是2網(wǎng)3層結(jié)構(gòu)，為實(shí)現(xiàn)全系統(tǒng)數(shù)據(jù)采樣同步而引入GPS同步技術(shù)。其中過程層的主要任務(wù)是完成各間隔開關(guān)量、電流、電壓，并將這些數(shù)據(jù)通過光纖傳送到間隔層，這其中安裝在隔爆開關(guān)里的保護(hù)器起到的是合并器的作用。間隔層接收來自過程層的數(shù)據(jù)，并通過集成的保護(hù)測控裝置，從而完成對整個(gè)系統(tǒng)的測控、邏輯運(yùn)算、保護(hù)，而間隔層的控制信號也是通過光纖下達(dá)至過程層，控制繼電器完成跳閘動作。

圖4 煤礦數(shù)字化供電系統(tǒng)

該方案雖然能夠?qū)崿F(xiàn)防止越級跳閘，但是對數(shù)據(jù)采樣的同步性和通信系統(tǒng)的可靠性要求很高，并且該系統(tǒng)采用集成化結(jié)構(gòu)，這就對保護(hù)系統(tǒng)的可靠性具有極高的要求，投資很大。

2.2 基于智能變電站區(qū)域集控的防越級跳閘

區(qū)域集控的防越級跳閘方案是建立在多智能變電站的基礎(chǔ)上的，這就要求將煤礦的變電站按照智能變電站體系的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行建設(shè)，使其具備GOOSE網(wǎng)絡(luò)的通信功能。在該方案的體系中，間隔層的各測控裝置采用獨(dú)立工作的方式，然后把故障信息通過GOOSE網(wǎng)絡(luò)傳輸至站控層，該層的集控故障隔離和識別中心采用矩陣判別的算法來識別系統(tǒng)中運(yùn)行狀態(tài)不正常以及出現(xiàn)故障的區(qū)段，并將識別結(jié)果發(fā)送至對應(yīng)的間隔層的測控保護(hù)裝置，從而完成對故障區(qū)域的隔離。

GOOSE網(wǎng)絡(luò)速度快、可靠性高，為變電站自動化系統(tǒng)提供了快速保溫傳輸通道，該系統(tǒng)中區(qū)域隔離命令下達(dá)和故障信息上傳的完成時(shí)間在10ms內(nèi)即可完成。

故障區(qū)段矩陣判別算法是先依據(jù)煤礦電網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)生成矩陣D描述網(wǎng)絡(luò)；然后依據(jù)測控裝置上傳的故障信息生成故障信息矩陣G，而這兩個(gè)矩陣通過運(yùn)算可以生成矩陣P，即故障判定矩陣，最后就可得到故障區(qū)段信息。

圖5為晉煤集團(tuán)晉圣億欣礦的智能供電系統(tǒng)，該系統(tǒng)將每個(gè)隔爆開關(guān)當(dāng)做一個(gè)節(jié)點(diǎn)，并對這些節(jié)點(diǎn)進(jìn)行編號，從而形成網(wǎng)絡(luò)描述矩陣D，其中如果節(jié)點(diǎn)i、j之間有饋線存在，并且是電流從節(jié)點(diǎn)i流向節(jié)點(diǎn)j，那么記為Dij=1，如果是從j流向i，那么記為Dji=0，矩陣中的其他元素全部記為0。

圖5 煤礦智能化供電系統(tǒng)

如果短路故障發(fā)生在圖中所示的K處，那么QF5、QF3、QF1這三個(gè)開關(guān)的測控保護(hù)裝置都會檢測到短路電流信號，其他的開關(guān)不會檢測到短路電流，故障信息通過GOOSE網(wǎng)絡(luò)上傳至隔離主機(jī)和集控中心故障識別，從而進(jìn)一步生成代表故障信息的矩陣G，并且規(guī)定如果是第i個(gè)開關(guān)的測控保護(hù)裝置上報(bào)的故障信息，那么將Gii至1，其他沒有故障信號的對角線元素都置0。

故障判斷矩陣P是由網(wǎng)絡(luò)描述矩陣D和故障信息矩陣G相加所得。

該矩陣中，如果Pii=1，并且Pij(i≠j)都是0，這就說明短路故障發(fā)生在節(jié)點(diǎn)i之后的線路末端位置；如果Pii=1，并且Pij(i≠j)的節(jié)點(diǎn)滿足Pjj=0，這就說明故障出現(xiàn)在節(jié)點(diǎn)i和j之間。所以可以判斷出來短路故障出現(xiàn)在QF5和QF6中間。集控中心故障隔離和識別主機(jī)發(fā)出隔離命令，將QF5和QF6之間的線路隔離。