防越級(jí)跳閘保護(hù)技術(shù)的研究與實(shí)際應(yīng)用

包 喆，尹貽輝，王永新

（1.西和縣中寶礦業(yè)有限公司，甘肅 隴南 742500；2.山東黃金礦業(yè)（萊州）有限公司三山島金礦，山東 萊州 261400）

1 越級(jí)跳閘原因研究

越級(jí)跳閘現(xiàn)象是礦山供電系統(tǒng)的常見故障，當(dāng)供電系統(tǒng)發(fā)生短路故障時(shí)引發(fā)了正常工作電路的不正常斷電，導(dǎo)致正常工作線路無故停電[2]。越級(jí)跳閘現(xiàn)象存在停電范圍不可控、影響范圍廣、恢復(fù)供電檢查工作繁瑣的特點(diǎn)，并且越級(jí)跳閘現(xiàn)象造成設(shè)備急停，嚴(yán)重影響安全生產(chǎn)。越級(jí)跳閘現(xiàn)象的原因主要包括以下幾個(gè)方面：

1.1 繼電保護(hù)延時(shí)誤差

礦山供電線路較短（3Km～5Km），供電保護(hù)系統(tǒng)多采用逐段延時(shí)跳閘繼電保護(hù)方式。由于逐段延時(shí)跳閘方式存在級(jí)數(shù)多、延時(shí)累積時(shí)間長(zhǎng)的特點(diǎn)，易造成供電系統(tǒng)的延遲時(shí)間比短路保護(hù)設(shè)定的時(shí)間長(zhǎng)，延時(shí)跳閘手段的線路開關(guān)動(dòng)作時(shí)間大于延時(shí)時(shí)間，造成饋電饋線開關(guān)不能及時(shí)動(dòng)作的情況下，母線開關(guān)提前發(fā)生動(dòng)作，造成越級(jí)跳閘現(xiàn)象的發(fā)生[3]。

1.2 開關(guān)電源誤動(dòng)作

井下的作業(yè)環(huán)境和工作條件較為惡劣，導(dǎo)致井下變電所的開關(guān)綜合保護(hù)裝置不同程度的老化，當(dāng)電流保護(hù)裝置出現(xiàn)老化或性能降低等問題后，極易發(fā)生誤動(dòng)作越級(jí)跳閘故障。

井下防爆開關(guān)采用主回路供電方式，主回路供電在短路、失壓、相序不平衡、諧波等問題狀態(tài)下，其控制電源和保護(hù)電源同時(shí)處于故障狀態(tài)，保護(hù)裝置和控制系統(tǒng)無法正常供電，導(dǎo)致開關(guān)電源的拒動(dòng)或誤動(dòng)，造成越級(jí)跳閘。

1.3 失壓保護(hù)方式不當(dāng)

礦山井下高低壓開關(guān)控制柜安設(shè)的失壓脫扣裝置，具有避免線路帶負(fù)載供電的功能。失壓脫扣裝置能夠?qū)崿F(xiàn)：供電電壓＞65%的額定電壓時(shí)，自動(dòng)吸合供電；供電電壓＜35%的額定電壓時(shí)，自動(dòng)斷開吸合，停止供電。但是當(dāng)供電電壓介于35%～65%時(shí)，失壓脫扣裝置處于不可靠工作階段，失壓脫扣裝置處于速斷工作狀態(tài)，常常導(dǎo)致過流延時(shí)保護(hù)裝置的失效，從而引發(fā)越級(jí)跳閘現(xiàn)象。

1.4 斷路器保護(hù)問題

供電系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，斷路器的動(dòng)作電流與故障電流相匹配，才能夠?qū)崿F(xiàn)斷路器的及時(shí)動(dòng)作。斷路器的動(dòng)作電流過高，則會(huì)導(dǎo)致本級(jí)斷路器在發(fā)生故障時(shí)達(dá)不到動(dòng)作電流而拒動(dòng)，從而引發(fā)上級(jí)的斷路器的跳閘，引發(fā)越級(jí)跳閘現(xiàn)象；斷路器的選擇應(yīng)合理可靠，須依據(jù)上下級(jí)電流的大小來確定動(dòng)作電流，并匹配合理的斷路器。

斷路器的跳閘保護(hù)動(dòng)作需要一定的反應(yīng)時(shí)間，多級(jí)保護(hù)中斷路器相應(yīng)時(shí)間不同，上級(jí)斷路器的動(dòng)作時(shí)間比下級(jí)斷路器動(dòng)作時(shí)間短，就極易發(fā)生上級(jí)斷路器的提前動(dòng)作，造成越級(jí)跳閘故障[4]。斷路器的選擇須考慮合理的動(dòng)作時(shí)間，原則下級(jí)斷路器的動(dòng)作響應(yīng)時(shí)間要短于上級(jí)。如果下級(jí)熔斷器的動(dòng)作時(shí)間為t，則上級(jí)斷路器動(dòng)作時(shí)間為t+t1，其中t1為動(dòng)作延時(shí)時(shí)間，一般取值范圍為0.3～0.5s，礦山供電系統(tǒng)通常取0.5s。

斷路器的自身保護(hù)裝置也存在一些不確定因素，比如線路接觸不良、商品型號(hào)功能不統(tǒng)一等問題，導(dǎo)致供電保護(hù)系統(tǒng)失靈，引發(fā)越級(jí)跳閘事故發(fā)生。

2 越級(jí)跳閘的解決方案研究

2.1 電氣閉鎖方案

防止斷路器出現(xiàn)越級(jí)跳閘的簡(jiǎn)單方法是閉鎖上下級(jí)斷路器，通過斷路器的逐級(jí)閉鎖能夠有效避免越級(jí)跳閘現(xiàn)象。但是斷路器閉鎖線路復(fù)雜，保護(hù)器級(jí)別較多時(shí)該線路尤為復(fù)雜，采取無線式信號(hào)傳輸閉鎖方式可靠性差、信號(hào)傳輸滯后[5]。鑒于礦山井下作業(yè)環(huán)境較差、干擾因素較多，無法確保閉鎖信號(hào)的及時(shí)傳輸，并且閉鎖裝置的線路復(fù)雜、故障維修難度大[6]。因此，電氣閉鎖方案從理論上具備防止越級(jí)跳閘的功能，但是該方案的實(shí)際操作難度大、維護(hù)費(fèi)用高、實(shí)用性差，在實(shí)際生產(chǎn)中較少應(yīng)用。

2.2 分站集中控制方案

為實(shí)現(xiàn)集中式保護(hù)站與分站的信息的有效傳遞，安設(shè)傳感器采集各個(gè)分站的保護(hù)電流信息，并將采集的信息通過光纖傳輸?shù)郊惺诫娏鞅Ｗo(hù)站。線路發(fā)生故障，保護(hù)站通過分析各分站的電流信息，判斷出故障線路的控制開關(guān)，發(fā)出精準(zhǔn)的跳閘保護(hù)指令，實(shí)現(xiàn)線路跳閘保護(hù)，有效避免越級(jí)跳閘現(xiàn)象[7]。但分站集中控制方案存在一定的缺陷，其中主要包括運(yùn)營(yíng)成本較高、運(yùn)行過程復(fù)雜、要進(jìn)行定期維護(hù)消耗大量精力、跳閘系統(tǒng)對(duì)斷路器適應(yīng)效果較差；并且一旦斷路器損壞未能及時(shí)跳閘，該供電系統(tǒng)的其他斷路器也不會(huì)動(dòng)作，則會(huì)導(dǎo)致極為嚴(yán)重的供電事故。因此該方案的應(yīng)用風(fēng)險(xiǎn)較大，該防越級(jí)跳閘方案未得到推廣。

2.3 光纖電流差動(dòng)保護(hù)方案

光纖差動(dòng)保護(hù)裝置是在電流差動(dòng)保護(hù)的基礎(chǔ)上演化而來的，通過電流互感器實(shí)現(xiàn)對(duì)差動(dòng)電流的實(shí)時(shí)保護(hù)，并通過光纖信號(hào)實(shí)現(xiàn)電流幅值和相位數(shù)據(jù)的有效傳輸，基本保護(hù)原理也是基于克?；舴蚧倦娏鞫?，其工作原理圖如圖1所示。光纖差動(dòng)保護(hù)裝置系統(tǒng)具有動(dòng)作精準(zhǔn)、靈敏度高等優(yōu)勢(shì)，該系統(tǒng)的應(yīng)用相對(duì)廣泛，但是存在不能多級(jí)差動(dòng)保護(hù)和多線差動(dòng)保護(hù)的劣勢(shì)。

圖1 光纖電流差動(dòng)保護(hù)防越級(jí)跳閘原理圖

3 礦井防越級(jí)跳閘系統(tǒng)的建設(shè)

3.1 礦井供電情況簡(jiǎn)介

該礦35kV變電站擔(dān)負(fù)著全礦地面井下的所有供電，35kV變電站兩回路進(jìn)線分別引自兩座110KV變電站。運(yùn)行方式：158運(yùn)行，母聯(lián)100運(yùn)行。158進(jìn)線保護(hù)：四方CSC-163A，159進(jìn)線保護(hù)：南瑞RCS-943，母聯(lián)保護(hù)：四方CSC-122M，10KV保護(hù)：四方CSC-280系列。

3.2 ZBT-11C防越級(jí)跳閘系統(tǒng)的應(yīng)用

ZBT-11C保護(hù)器是常見的供電系統(tǒng)越級(jí)跳閘保護(hù)器。該保護(hù)器中的某一級(jí)出現(xiàn)過載或短路情況時(shí)，不會(huì)經(jīng)過上下級(jí)的供電器母線，而是只有本級(jí)保護(hù)器發(fā)生動(dòng)作，并將閉鎖信號(hào)及時(shí)上傳至上級(jí)保護(hù)器，避免發(fā)生越級(jí)跳閘事故；當(dāng)本級(jí)保護(hù)器出現(xiàn)故障不能及時(shí)動(dòng)作時(shí)，上級(jí)保護(hù)器延時(shí)0.5s后，自動(dòng)動(dòng)作完成系統(tǒng)的保護(hù)功能；當(dāng)短路等問題消除后，及時(shí)向上級(jí)保護(hù)器發(fā)出解除閉鎖信號(hào)，上級(jí)保護(hù)則會(huì)自行解除閉鎖，保障上下級(jí)電路正常運(yùn)行[8]。該保護(hù)器會(huì)在使用過程中根據(jù)實(shí)際情況選擇適合的保護(hù)措施，更好地減少越級(jí)跳閘事故的發(fā)生[9]。該保護(hù)裝置的最大優(yōu)點(diǎn)是對(duì)區(qū)域保護(hù)效果穩(wěn)定可靠，通過運(yùn)用電路開關(guān)能準(zhǔn)確提供供電故障的具體位置，接收故障信號(hào)迅速反應(yīng)隔離故障范圍，最大程度保護(hù)整個(gè)供電系統(tǒng)的安全穩(wěn)定。

該礦電力系統(tǒng)分布情況如圖2所示，ZBT-11C防越級(jí)跳閘系統(tǒng)配置SCADA服務(wù)器、工業(yè)光纖以太網(wǎng)以及運(yùn)行工況監(jiān)測(cè)站，地表1座變電所和井下兩座變電所分別設(shè)置集控中心負(fù)責(zé)各級(jí)數(shù)據(jù)的收集與匯總，通過以太網(wǎng)進(jìn)行信息的傳輸。電力系統(tǒng)中防越級(jí)跳閘系統(tǒng)分為智能保護(hù)模塊，變電所監(jiān)控分站和地面監(jiān)控等方面組成，不同的機(jī)構(gòu)在各自功能范圍內(nèi)保障電力系統(tǒng)的正常運(yùn)行[10]。智能保護(hù)是根據(jù)電力系統(tǒng)數(shù)據(jù)及時(shí)調(diào)整數(shù)據(jù)，以智能化方式為基礎(chǔ)保護(hù)電力系統(tǒng)的正常運(yùn)行，利用通訊監(jiān)控分站對(duì)井下電力系統(tǒng)進(jìn)行正常監(jiān)控，并及時(shí)上傳整理監(jiān)控信息。試驗(yàn)發(fā)送指令“1#變電所控制的設(shè)備發(fā)生故障”，則該故障信息通過光纖以太網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸至SCADA服務(wù)器，時(shí)間間隔大約60ms，此時(shí)的動(dòng)作反饋信息是“1#變電所保護(hù)器動(dòng)作，地面變電所和3#變電所的保護(hù)器均處于閉鎖工作狀態(tài)”，有效避免了越級(jí)跳閘現(xiàn)象。

圖2 電力系統(tǒng)分布圖

4 結(jié)語

通過對(duì)礦井供電防越級(jí)跳閘系統(tǒng)的建設(shè)和完善，礦井供電系統(tǒng)的安全可靠性能顯著改善。應(yīng)用結(jié)果表明，ZBT-11C系統(tǒng)綜合運(yùn)用了電路開關(guān)以及電網(wǎng)的拓?fù)湫畔ⅲ軐?shí)現(xiàn)供電故障的精準(zhǔn)定位，有助于快速消除故障；充分考慮了保護(hù)器的抗干擾能力，對(duì)外引出端采取了雙重防護(hù)，具備遠(yuǎn)程漏電檢測(cè)功能，系統(tǒng)安全可靠；基于檢測(cè)異頻信號(hào)、特殊信號(hào)，實(shí)現(xiàn)漏電保護(hù)及時(shí)動(dòng)作，系統(tǒng)靈敏度高；內(nèi)置級(jí)聯(lián)差動(dòng)保護(hù)模塊，實(shí)現(xiàn)變電所級(jí)聯(lián)差動(dòng)保護(hù)，徹底杜絕了越級(jí)跳閘現(xiàn)象。