“分布式區(qū)域保護”技術(shù)的防越級跳閘系統(tǒng)研究與應(yīng)用

史 詩

（大同煤礦集團有限責任公司忻州窯礦，山西 大同 037000）

煤礦井下供電系統(tǒng)線路保護普遍存在高壓電網(wǎng)級聯(lián)開關(guān)眾多、供電半徑小、上下裝置定值匹配困難、失壓保護零時延、漏電保護裝置可選擇性差等問題，導(dǎo)致井下供電出現(xiàn)短路、過流故障，更為嚴重的是會產(chǎn)生越級跳閘事故，造成井下供電系統(tǒng)不能安全正常運行，甚至?xí)砣松韨鍪鹿实陌l(fā)生，嚴重影響了礦井的安全生產(chǎn)。

1 礦井高壓電網(wǎng)發(fā)生越級跳閘事故的原因

（1）煤礦井下高壓電網(wǎng)級聯(lián)開關(guān)眾多，定值配合困難

由于供電距離遠且線路短，存在三端或多端線路，無時間級差，無最小保護范圍，線路保護定值難以整定。同時井下環(huán)境特殊，存在多級采區(qū)變電站級聯(lián)（級聯(lián)開關(guān)已用黑色粗體標注），如圖1，無法通過增加時間級差實現(xiàn)線路的整定配合，線路極易發(fā)生越級跳閘，對煤礦安全生產(chǎn)造成嚴重影響。

圖1 忻州窯礦高壓電網(wǎng)開關(guān)級聯(lián)簡圖

（2）煤礦井下供電短路多級保護發(fā)生動作

由于煤礦井下高壓電網(wǎng)供電半徑小，短路容量大，而電纜阻抗很小，不同短路點的短路電流差別很小，定值匹配非常困難，當某一供電支路短路時，短路電流往往使從短路點以上多級保護動作，導(dǎo)致越級跳閘事故發(fā)生。

（3）失壓保護零延時

保護器的失壓保護動作時延不能整定，工作面大功率設(shè)備重載啟動時，會造成母線電壓瞬間降低，導(dǎo)致越級跳閘或大范圍跳閘。同時，饋線在距離母線很近的地方發(fā)生短路會導(dǎo)致母線電壓短時失壓，會使得該段母線上的開關(guān)欠壓脫扣跳閘引起越級。

（4）漏電保護性選擇性差

① 煤礦供電系統(tǒng)電網(wǎng)內(nèi)存在諧波，對保護產(chǎn)生嚴重影響；② 零序電流互感器的特性存在差異，檢測到奇異信號、強烈信號或微弱信號，易出現(xiàn)失真，使得故障信號識別率降低；③ 接地方法不夠簡潔，一般采用瞬時性接地和穩(wěn)定性接地，其中又包括電弧性接地和直接接地，導(dǎo)致故障信號復(fù)雜；④ 電力系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)中線路的距離、電網(wǎng)的補償程度以及系統(tǒng)的平衡度和保護都密不可分。

2 “分布式區(qū)域保護技術(shù)”的防越級跳閘系統(tǒng)

2.1 防越級跳閘系統(tǒng)技術(shù)簡介

忻州窯礦安裝的防越級跳閘系統(tǒng)，主要采用“分布式區(qū)域保護”技術(shù)，即當供電系統(tǒng)發(fā)生短路事故時，從地面變電站至短路點的相關(guān)保護均能在探測到短路電流后，同時迅速發(fā)出閉鎖信號，閉鎖各自的上級保護，只有離故障點最近保護不被閉鎖，能夠準確、迅速地跳閘，切除故障。如圖2所示。

圖2 防越級跳閘系統(tǒng)分布式區(qū)域保護圖

2.2 具體實施方案

忻州窯礦建立的井下電網(wǎng)防越級跳閘系統(tǒng)，是將井下九個變電硐室、地面入井線路開關(guān)，共計102臺保護裝置全部更新為具有防越級跳閘功能的保護器，搭建光纖環(huán)網(wǎng)通過GOOSE交換機實現(xiàn)數(shù)據(jù)交互并傳輸至地面電力監(jiān)控平臺，如圖3所示。

圖3 忻州窯礦礦井防越級跳閘系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)圖

在地面建立井下電網(wǎng)電力監(jiān)控室，實時監(jiān)控井下高壓電網(wǎng)開關(guān)運行狀況，并根據(jù)系統(tǒng)預(yù)警、事故報警、事故精確記錄，綜合分析及處置井下電網(wǎng)各類事故，即提升了事故處置效率，又為今后事故分析以及制定預(yù)防措施提供了依據(jù)。

通過詳細比較地面及井下繼電保護整定方案及實際情況，對井下電網(wǎng)繼電保護整定方案進行優(yōu)化：

一是采用“標么值”法準確計算井下電網(wǎng)各級保護末端短路電流，如圖4所示。

圖4 “標幺值”計算電網(wǎng)各級保護末端短路電流

二是井下高爆開關(guān)保護裝置采用三段式保護與地面供電系統(tǒng)進行階梯式對接；

三是利用防越級跳閘系統(tǒng)實時、分時段運行數(shù)據(jù)分析統(tǒng)計功能，定期根據(jù)統(tǒng)計的尖峰電流調(diào)整各級保護整定值，使各級保護整定值更加精確、匹配，更加合理。

3 防越級跳閘系統(tǒng)在忻州窯礦的運用情況

自2014年12月16日試運行至今已將近4年，防越級跳閘系統(tǒng)共攔截短路事故10起、過流保護跳閘動作15次、過載保護動作20次，其中過流、過載保護均動作于本級開關(guān)。所發(fā)生的10起短路事故僅有兩起越級了一級保護—跳閘至采區(qū)變電所總開關(guān)，其他幾起較好地起到了防越級跳閘作用，并能有效輔助完善供電管理。

2015年2月11日晚上7點半左右，東三盤區(qū)機三一組2507掘進工作面機組電纜受到擠壓，發(fā)生漏電故障，隊組對電纜故障進行處理時，將工作面送機組移變高壓側(cè)開關(guān)停電并拉開了隔離開關(guān)。

當電纜故障處理完畢后，恢復(fù)供電時，由于移變隔離開關(guān)未閉合到位（即動靜觸頭虛接），發(fā)生過電流，電流值達到3108A。此時井下高壓供電系統(tǒng)防越級跳閘系統(tǒng)檢測到過電流值，向上級保護發(fā)送閉鎖信號，閉鎖了石巖莊中央變電所總分路開關(guān)，最終頂閘到采區(qū)變電所（東三二變1#總開關(guān)）。因過電流值太大達到了入井所有線路過電流保護整定值，雖然越了一級保護，跳閘至東三二變1#總開關(guān)，但亦很好地起到了防越級跳閘功能。

4 安裝前后的對比情況

2014年12月忻州窯礦防越級跳閘正式投入使用（表1），在未安裝防越級跳閘前，礦井供電綜合保護裝置通過上下級之間定值配合只能攔截短路事故、過流保護跳閘動作、過載保護動作故障次數(shù)非常少，而安裝防越級跳閘系統(tǒng)后，礦井供電系統(tǒng)通過定值和防越級跳閘配合，使得攔截短路事故、過流保護跳閘動作、過載保護動作故障次數(shù)明顯增多，能更好地防止供電系統(tǒng)因越級跳閘引起大面積停電事故的發(fā)生。

表1 安裝前后事故發(fā)生頻次對比