煤礦供電系統(tǒng)基于縱聯(lián)差動保護原理的防越級跳閘技術(shù)研究

李 雷

（兗州煤業(yè)股份有限公司東灘煤礦，山東 濟寧 273500）

0 引 言

安全生產(chǎn)是煤炭開采工作中的首要問題。要想確保礦內(nèi)工作者的生命和財產(chǎn)安全，必須有一個穩(wěn)定運行的供電系統(tǒng)，因此有效防護電路十分重要。在煤礦地面變電站到地下中央變電站、采煤工作面以及采礦生產(chǎn)區(qū)之間，許多安全生產(chǎn)動力源都采用垂直、多層以及線性的生產(chǎn)動力源。生產(chǎn)過程中，這種類型的煤礦的生產(chǎn)電源線之間的距離較短，如果電源線發(fā)生故障，電源線上游的多級開關(guān)將同時檢測電流信息。但是，短路保護的反應(yīng)時間太短，難以實現(xiàn)延時，不能通過延遲設(shè)置完成煤礦多級開關(guān)跳閘順序。因為電源線的第一次跳閘極有可能會引起系統(tǒng)內(nèi)某個節(jié)點的隨機跳閘發(fā)生短路，使得多級開關(guān)同時停工，從而導(dǎo)致煤礦大面積停電。這對煤礦生產(chǎn)工作來說，不僅會造成巨大的經(jīng)濟損失，還存在很大的安全風(fēng)險。

1 煤礦供電系統(tǒng)的現(xiàn)狀分析

在煤礦生產(chǎn)中，煤礦供電系統(tǒng)生產(chǎn)和供電出現(xiàn)故障是常有的現(xiàn)象。隨著煤礦的發(fā)展，各類生產(chǎn)設(shè)施、安防設(shè)施以及通信設(shè)施的齊備使煤礦內(nèi)的開關(guān)種類越來越多，且開關(guān)不同其保護元件和線路也不相同，有時還會相互沖突，導(dǎo)致故障頻繁發(fā)生。其中，越級跳閘是最頻繁且危險的問題之一，對煤礦生產(chǎn)來說是很大的安全隱患。一般來說，在預(yù)防和控制煤礦供電系統(tǒng)過度跳閘問題時，常用的幾種預(yù)防和解決方法主要包括防止電氣鎖定方法、變電站集中控制防止跳閘技術(shù)方法以及基于整個網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)共享的數(shù)字化變電站防止超限技術(shù)方法[1]。

2 針對電路跳閘的防護方案分析

2.1 電源回路閉鎖防護

在煤礦供電系統(tǒng)跳閘故障的預(yù)防控制中，斷路器、隔離開關(guān)以及接地刀閘等輔助觸點訪問相關(guān)電氣設(shè)備工作電源電路的防鎖定跳閘控制方法比較簡單，且其防控的目標都比較清晰。

在預(yù)防控制的實際應(yīng)用中，往往很難達到預(yù)期的效果和目的。首先，這主要是因為煤礦開采生產(chǎn)中供電環(huán)境比較復(fù)雜，所以供電運營容易受到各種強大因素的干擾。因此，在電氣鎖定預(yù)防和控制方式下，不能可靠傳遞電纜電氣鎖定信號。在防止煤礦供電系統(tǒng)的作業(yè)跳閘錯誤時，可能會出現(xiàn)錯誤跳閘和電氣鎖定控制方法的拒絕，影響煤礦供電系統(tǒng)脫離故障電鎖控制方式的預(yù)防效果。其次，由于煤礦供電系統(tǒng)故障預(yù)防和控制過程中實現(xiàn)電氣關(guān)閉的電纜線路很多，它們之間的連接關(guān)系復(fù)雜，因此在煤礦電力生產(chǎn)運營中，在同一變電站內(nèi)利用多條電線和一條進入線來完成電路開關(guān)建筑物的電氣關(guān)閉，需要邏輯鎖定裝置。但是，在實際供電系統(tǒng)的變電站中，電力線使用的是雙電路電源。不管線路維護或供電線路是否正常工作，它都可以進行兩條線路的切換，使電源分離且并行工作。因此，根據(jù)實際供電方式動態(tài)調(diào)整供電電路，可能需要多個插座和一條導(dǎo)線之間的閂鎖關(guān)系，使得邏輯鎖的實際設(shè)計更加復(fù)雜。隨著連接的電纜電路數(shù)量越來越多，工作量也在不斷加大，使得電氣鎖的設(shè)置難以兼顧所有問題。最后，如果使用電動鎖方式來防止煤礦供電系統(tǒng)超速跳閘故障，由于電動鎖系統(tǒng)自檢信息不完整，鎖或電纜線路出現(xiàn)故障將無法及時發(fā)現(xiàn)并報警，使得電纜線路的故障排除變得更加困難。這種先進的防跳躍技術(shù)是實際應(yīng)用中的重要限制之一。

2.2 分站集中管控技術(shù)

采用該技術(shù)的供電系統(tǒng)中必須至少安裝一個變電站設(shè)備。安裝的變電站必須是該地區(qū)所有跳閘開關(guān)之間的通信鏈路，以預(yù)防和控制閘位越級跳斷的錯誤。只要煤礦生產(chǎn)線的供電系統(tǒng)中任意一條線路發(fā)生短路，則預(yù)防開關(guān)跳斷的元件會將檢測到的所有信息都傳遞給供電系統(tǒng)的變電站。變電站根據(jù)預(yù)置的供電網(wǎng)絡(luò)關(guān)系確定最接近故障位置的開關(guān)，通過控制命令控制最接近的開關(guān)完成跳閘故障控制和預(yù)防電源操作。在實際應(yīng)用中，這種防止跳閘的方法對通信系統(tǒng)的可靠性要求很高。實際應(yīng)用程序中出現(xiàn)通信故障或問題時，故障點識別容易出錯，因此防止超限跳閘的控制也可能會出錯。此外，這種控制方法在控制方面也存在明顯的局限性，因為實際預(yù)防和控制應(yīng)用中相同級別的開關(guān)故障會導(dǎo)致更高級別的開關(guān)故障，從而導(dǎo)致新的越級跳閘錯誤。

2.3 結(jié)合信息技術(shù)的數(shù)字化防護

結(jié)合信息技術(shù)的數(shù)字化防護的實現(xiàn)，首要條件是要保持網(wǎng)絡(luò)的暢通。因為數(shù)據(jù)共享是數(shù)字化控制的基礎(chǔ)，要求每個故障檢測和防護裝置都裝有光纖數(shù)字收發(fā)信號器。通信接口通過光纖實現(xiàn)煤礦地下位置保護器和地面變電站保護器到數(shù)字化變電站綜合單元結(jié)構(gòu)的電氣信息傳輸。收集到的電路信息導(dǎo)入計算機后，通過系統(tǒng)自動識別故障點并控制跳閘。

這種防跳技術(shù)一般用于煤礦供電系統(tǒng)的跳閘故障控制。高開放保護裝置屬于煤礦地下工作環(huán)境中使用的特殊本質(zhì)安全和防爆產(chǎn)品類型，因此用于性能設(shè)計和安全檢查時必須嚴格區(qū)分繼電器和保護裝置，以確保高開放保護程序的應(yīng)用性能和質(zhì)量效果。數(shù)字化變電站是以智能傳感器技術(shù)和高速通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)為基礎(chǔ)的新型變電站模型，在實際應(yīng)用中的主要作用是減少變電站內(nèi)部的傳統(tǒng)高壓變壓器、電流變壓器、控制電路等二次設(shè)備。由于供電系統(tǒng)之間的電纜連接數(shù)量很多，將煤礦供電系統(tǒng)的跳閘問題與通過網(wǎng)絡(luò)共享的數(shù)據(jù)的數(shù)字化變電站連接起來幾乎沒有意義[2]。3種方案的對比分析如表1所示。

表1 3種方案對比

3 結(jié)合縱聯(lián)差動防護原理的新型技術(shù)設(shè)計與應(yīng)用

上述方案較差的實用性一直制約著煤礦的安全生產(chǎn)。經(jīng)過不斷研究，專業(yè)人員結(jié)合縱聯(lián)差動電學(xué)原理，提出了一種新型的防護技術(shù)，將有效改善煤礦電路系統(tǒng)跳閘故障頻發(fā)的現(xiàn)象。

3.1 工作原理

根據(jù)基爾霍夫定律，可以簡單可靠地確認一個地區(qū)的電路內(nèi)部或外部是否存在障礙，以決定是否拆除電路。目前，該技術(shù)比較成熟，已廣泛應(yīng)用于地面輸配系統(tǒng)。

工作原理如圖1所示，垂直連接發(fā)電機兩側(cè)型號相同的電流互感器的第二個側(cè)面圖標的極性末端。將差動繼電器接入系統(tǒng)，一旦發(fā)生異常操作或外部故障，和就會產(chǎn)生逆流，此時KD1的電流為：

3.2 防越級跳閘方案設(shè)計

圖1 工作原理圖

該方案的特色之一是在ZKJB-2000這一新型高壓開關(guān)綜合保護裝置中加入了32位的DSP芯片，結(jié)合三級過流保護和地面光纖縱向電流差動等原理，通過礦井中的供電系統(tǒng)內(nèi)建立垂直通信網(wǎng)絡(luò)來確保高壓電路系統(tǒng)不會發(fā)生短路故障，從而規(guī)避跳閘帶來的安全風(fēng)險，保障礦井內(nèi)的供電安全。發(fā)生短路故障時，短路點由最近的開關(guān)跳閘，迅速消除（隔離）故障，防止過度跳閘并確保系統(tǒng)電源的可靠性。同時，ZKJB-2000新型高壓開關(guān)綜合保護裝置具有嵌入式電源網(wǎng)絡(luò)關(guān)系自動識別算法。聯(lián)系開關(guān)（總線耦合器）打開/關(guān)閉更改時，出站開關(guān)會自動識別父電源開關(guān)（輸入線路），并在具有父電源和子電源關(guān)系的多個開關(guān)之間快速重新配置差動保護算法，以避免在各種電源模式下發(fā)生高跳閘。

在每個開關(guān)保護器中都加入新型的識別算法來檢測故障，一個交換機出現(xiàn)故障時不會影響其他交換機的縱向差異算法的正常運行。此外，如果交換機通信失敗，ZKJB-2000的新高壓交換機綜合保護裝置將自動切換到普通的三級過流保護功能，而不需要交換機拒絕操作。

首先，在同一變電站內(nèi)部樹狀分布電纜，通過縱向聯(lián)結(jié)實現(xiàn)在線通信。在同一變電站中，所有ZKJB-2000交換機綜合保護設(shè)備均通過屏蔽雙絞線電纜建立相應(yīng)的通信網(wǎng)絡(luò)，均成樹狀分布，如圖2所示。

圖2 站內(nèi)新型防護聯(lián)機組網(wǎng)方案

其次，不同變電站之間通過光纜傳輸實現(xiàn)通信，通過上下變電站之間的光纖建立縱向差異在線通信，防止信號傳輸過程中的電磁干擾，從而提高信號傳輸性的可靠性。此時，每個子站都需要連接光纜的光學(xué)數(shù)據(jù)接口。當兩個子站之間的距離相對較短（通常在500 m以下）時，信息傳輸能夠保持穩(wěn)定和質(zhì)量，并且可以使用直接連接電纜的方法。

最后，在中央變電站安裝、監(jiān)視以及維護變電站（可選）。如果礦區(qū)變電站離中央變電站較遠或者整個系統(tǒng)的電源水平在3以上，建議在中央變電站安裝1個變電站，使其除了具備光纖數(shù)據(jù)收發(fā)和光電轉(zhuǎn)換功能外，還能夠集中監(jiān)控垂直的差異網(wǎng)絡(luò)中每個交換機的網(wǎng)絡(luò)通信狀態(tài)是否良好，以方便使用警報記錄等任務(wù)參數(shù)和遠程維護各個保護程序。

3.3 實際應(yīng)用分析

以三級供電關(guān)系在某礦井內(nèi)的供電系統(tǒng)應(yīng)用為例，中央變電站的17號出站開關(guān)和2號變電站的1號入站開關(guān)構(gòu)成垂直差動保護關(guān)系。當兩個開關(guān)之間的電源線短路時，縱向差動保護算法以光纖電流為基礎(chǔ)，兩個開關(guān)被識別為內(nèi)部錯誤并迅速斷開，而另一個開關(guān)被識別為外部錯誤。根據(jù)當前縱聯(lián)差動保護的算法，在同一個變電站，第二個變電站的3號和5號開關(guān)和1號電線開關(guān)分別構(gòu)成縱聯(lián)差動保護。目前，通過縱聯(lián)差動保護算法，將5個交換機識別為內(nèi)部故障，迅速斷開連接，將另一個交換機識別為不在區(qū)域內(nèi)，則保持不變。

實際應(yīng)用中，在中央變電站設(shè)置監(jiān)視變電站，實時監(jiān)控整個防跳網(wǎng)絡(luò)的運行狀態(tài)。發(fā)生網(wǎng)絡(luò)故障時及時發(fā)出警報，并準確通知管理員故障點的位置，以便于網(wǎng)絡(luò)維護和服務(wù)。在2號和10號變電站分別設(shè)置光纖數(shù)據(jù)接口，在站內(nèi)完成電信號向光信號轉(zhuǎn)換的功能，監(jiān)測站內(nèi)數(shù)據(jù)信號和變電站實時數(shù)據(jù)是否正常。

4 結(jié) 論

通過比對當下使用較多的3種方案發(fā)現(xiàn)，在煤礦供電系統(tǒng)內(nèi)進行防護越級跳閘時，縱聯(lián)差動保護方式理論較為成熟，且其內(nèi)部構(gòu)造簡單的裝置以及針對性排除故障的工作模式與我國目前的礦內(nèi)供電系統(tǒng)現(xiàn)狀相契合，符合長遠發(fā)展需求。系統(tǒng)及高壓開關(guān)柜為了實現(xiàn)自動警報和快速維護，可以安裝網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控點等輔助設(shè)備，以確保整個方案的實用性?？梢?，基于縱聯(lián)差動保護的調(diào)試技術(shù)是一種比較成熟簡單的技術(shù)方法，設(shè)計和應(yīng)用簡單，針對性強，應(yīng)用優(yōu)勢突出。