煤礦供電井下越級跳閘原因分析與解決思路

張晉平

（山西潞安集團　潞寧煤業(yè)有限責任公司，山西 寧武 036700）

煤礦供電井下越級跳閘原因分析與解決思路

張晉平

（山西潞安集團潞寧煤業(yè)有限責任公司，山西 寧武 036700）

摘要：通過對煤礦供電系統(tǒng)特點與越級跳閘現(xiàn)象原因分析，提出了采用線路光纖差動保護、采用同一變電所進出線開關(guān)閉鎖功能、建設(shè)或?qū)F(xiàn)有的變電站改造為智能化數(shù)字變電站的方法，并對三種方法進行了比較，提出解決煤礦供電系統(tǒng)存在的越級跳閘問題，除要根據(jù)具體情況選擇適當?shù)姆桨竿?，提高工作人員的業(yè)務(wù)素質(zhì)、規(guī)范整定、加強管理、保證設(shè)備狀態(tài)良好都是防止越級跳閘的基礎(chǔ)性工作。

關(guān)鍵詞：光纖差動保護；閉鎖；數(shù)字變電站；越級跳閘

目前大部分煤礦供電是采用從地面35 kV降壓站以10 kV高壓電纜向煤礦井下供電，井下設(shè)各級變電所。供電系統(tǒng)，見圖1。

圖1 供電系統(tǒng)圖

在煤礦這種典型的供電系統(tǒng)中，時常發(fā)生末級線路或用電設(shè)備發(fā)生短路故障時，工作面配電點或采區(qū)變電所開關(guān)不動作跳閘，出現(xiàn)水平變電所開關(guān)、中央變電所開關(guān)，甚至35 kV降壓站的高壓開關(guān)全部或部分同時動作跳閘的現(xiàn)象，使停電范圍擴大，進一步影響煤礦的安全與生產(chǎn)。由此可見，對這種影響礦井安全供電、安全生產(chǎn)的跳閘現(xiàn)象，即越級跳閘進行分析并提出相應(yīng)解決思路、方法很有必要。

1　原因分析

1.1保護裝置的設(shè)置不合理、主保護定值配合困難

煤礦10 kV供電系統(tǒng)以短路保護為主保護，按相關(guān)要求，國內(nèi)繼電保護裝置的短路保護動作時間不大于0.2 s，這就造成了地面降壓站的開關(guān)設(shè)備和井下高爆開關(guān)在動作時限配合困難。

按煤礦規(guī)程的規(guī)定，速斷保護作為供電系統(tǒng)的主保護，要求配備，但線路短、速斷電流大且定值相近，難以區(qū)分是造成該類保護越級跳閘的主要原因。

CT變比選擇與短路電流大小不匹配，電流互感器飽而使保護裝置難以正確檢測出短路電流。

1.2定值整定不嚴謹

原有的保護煤礦整定規(guī)范在電壓等級、設(shè)備參數(shù)、保護裝置靈敏性等方面已落后于煤礦供電系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀，規(guī)范的缺失導致了管理水平參差不齊。

煤礦生產(chǎn)的實際情況是隨著采掘工作面變化，負荷與供電結(jié)構(gòu)的變化也相應(yīng)頻繁，這就會導致保護定值的計算與調(diào)整工作量增加，而目前的狀況是大部分煤礦由于對保護整定重要性認識上的不足和專業(yè)人員業(yè)務(wù)素質(zhì)、責任感有待提高，再加上手工計算與人工校驗的繁瑣，經(jīng)常性導致相關(guān)工作不到位。為增加靈敏性，有些電氣工作人員通常會將作為主保護的速斷保護按躲過最大負荷電流或啟動電流整定，造成整定值比實際的短路電流要小的多，發(fā)生短路后上級沿線開關(guān)保護均啟動，導致越級跳閘現(xiàn)象的發(fā)生。

1.3設(shè)備干擾

系統(tǒng)內(nèi)變頻設(shè)備、軟啟動設(shè)備及自動化設(shè)備的增多也導致諧波等不利的干擾增多。

1.4漏電保護難以比較

各支路零序電流只能根據(jù)自身情況進行判斷，無法實現(xiàn)與其它支路及上級支路進行比較判斷。

2　解決的思路方法

2.1采用線路光纖差動保護

將光纖縱聯(lián)差動保護作為變電所間連接電纜的主要保護，過流保護作為后備保護。差動保護原理圖，見圖2。

圖2　差動保護原理圖

縱差保護的保護區(qū)是被保護設(shè)備兩端的CT之間，不需考慮與其它域外設(shè)備保護定值的匹配，當任一相差動電流大于差流速斷定值時，瞬時動作跳閘。隨著微機保護技術(shù)和光纖傳播技術(shù)的發(fā)展，使的差動保護應(yīng)用于電纜線路與架空線路，并快速而準確地切除故障成為現(xiàn)實。

目前市場上使用的光纖差動保護裝置，平均動作時間小于25ms。在動作和制動判據(jù)方面也逐步合理和成熟，從而有效地保證了動作的可靠性和準確性。裝置通常都具有通道鑒別功能，能及時發(fā)現(xiàn)光纖通道故障并發(fā)出信號，閉鎖差動保護；同時啟動以短路為主保護的常規(guī)保護系統(tǒng)，自動鑒別到通道正常后，通信恢復，光纖差動保護將自動投入。另外，保護裝置的CT斷線判別、交流采樣回路自檢功能也進一步保證了動作的可靠性。

2.2采用同一變電所進出線開關(guān)閉鎖功能

圖3為由開關(guān)閉鎖功能組成的防越級跳閘系統(tǒng)示意圖。

圖3 閉鎖防越級跳閘結(jié)構(gòu)圖

各變電所各出線開關(guān)與進線開關(guān)之間均設(shè)置通信通道，當出線開關(guān)檢測到故障信息時，在約10 ms內(nèi)輸出閉鎖控制信號至相應(yīng)的進線開關(guān)，對進線開關(guān)的速斷功能進行閉鎖，同時啟動本出線開關(guān)的速斷跳閘功能迅速切除故障。當進線開關(guān)收到出線開關(guān)送來的閉鎖信號時，閉鎖本開關(guān)的速斷跳閘保護，防止越級跳閘現(xiàn)象的發(fā)生。通過設(shè)置毫秒級的短延時，進線開關(guān)仍檢測到故障的存在時（表示相應(yīng)的出線開關(guān)速斷保護或開關(guān)機構(gòu)拒動），即刻啟動速斷功能切除故障。

2.3建設(shè)或?qū)F(xiàn)有的變電站改造為智能化數(shù)字變電站

智能化數(shù)子變電站是在智能化的一、二次設(shè)備及網(wǎng)絡(luò)化的二次設(shè)備的硬件基礎(chǔ)上，用標準通信協(xié)議建立的三層結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)，包括間隔層智能保護裝置組成的光纖網(wǎng)絡(luò)、光傳輸接口設(shè)備在內(nèi)的光纖以太網(wǎng)、工業(yè)以太網(wǎng)。這種智能型的變電站能實現(xiàn)故障錄波、遠程配置保護模塊、修改定值、電能質(zhì)量分析等功能。間隔層智能裝置將采集到的數(shù)據(jù)通過光纖網(wǎng)絡(luò)上送給礦用光傳輸接口設(shè)備，再合并打包后送至位于地面控制中心的保護主機，將模擬量及開關(guān)量全部集中到地面控制室的集成保護測控裝置上，通訊距離能達到40 km。在集成保護測控裝置內(nèi)實現(xiàn)全站數(shù)據(jù)共享，并可以對系統(tǒng)內(nèi)的任何設(shè)備，根據(jù)需要隨意選擇需要的數(shù)據(jù)進行保護配置。

對井下各變電所電源進線電纜配置差動保護護作為主保護，變電所各段母線配置差動保護和小電流接地選線功能。基于全站網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)共享的數(shù)字化變電站防越級系統(tǒng)軟件方面通常都具有CT飽和識別技術(shù)，能很好的解決由于CT飽和造成的保護誤動問題［1-2］。

在這種智能型的系統(tǒng)中，井下開關(guān)內(nèi)的保護裝置應(yīng)具備完善的就地保護功能，光纖網(wǎng)絡(luò)通訊中斷或工作不正常時，就地保護裝置能自動啟用以速斷作為主保護的常規(guī)保護功能，與遠后備保護共同構(gòu)成了系統(tǒng)的多重保護。

3　方案比較

線路光纖差動保護組成的防越級跳閘系統(tǒng)其優(yōu)點是改造簡單，能防止因非變電所電源線路故障導致越級跳閘現(xiàn)象。缺點是母線無法配置保護，要靠后備保護來完成對母線的保護；漏電故障還須由就地開關(guān)本身的漏電保護裝置無比較、無選擇的完成，造成開關(guān)誤動可能性增加。

開關(guān)閉鎖功能組成的防越級跳閘系統(tǒng)，上下級開關(guān)不需要保護定值嚴格配合；在變電所的進出線開關(guān)間，能避免漏電、短路造成的越級跳閘現(xiàn)象；母線無保護，要靠后備保護來完成，單一使用此種方法有一定的局限性。

基于全站網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)共享的數(shù)字化變電站技術(shù)的防越級跳閘系統(tǒng)，實現(xiàn)了保護和測控系統(tǒng)的全數(shù)字化，保護配置靈活，能徹底解決煤礦因短路和漏電造成越級跳閘問題。但投資大，需要建立專用的光纖網(wǎng)絡(luò)。

綜上所述，要治理煤礦供電系統(tǒng)的越級跳閘問題，除了要根據(jù)具體情況選擇一種或二種結(jié)合的適當方案外，相關(guān)電氣工作人員提高業(yè)務(wù)素質(zhì)、規(guī)范整定，單位加強管理，保證設(shè)備狀態(tài)良好，重視諧波治理，都是防止越級跳閘基礎(chǔ)性工作。

4　應(yīng)用實例

前文明煤業(yè)位于忻州寧武縣境內(nèi)，設(shè)計年產(chǎn)90萬t的中小型煤礦，井下供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)較為簡單，主要由地面變電站10 kV開關(guān)9103和9203開關(guān)經(jīng)MYJV22－8.7/103×120 mm210 kV電纜1 370 m送饋電至井下中央變電所。中央變電所除就近饋電給3臺主水泵和相關(guān)局部通風設(shè)備用電源外，還由9302和9402開關(guān)通過兩條長度為84 m的MYPTJ-8.7/103×70mm2電纜饋電至井下采區(qū)變電所，組成采區(qū)配電系統(tǒng)；由9304和9404開關(guān)通過兩條長度為970m的MYPTJ-8.7/103×70mm2電纜饋電至井下牽引變電所，組成牽引配電系統(tǒng)，見圖4。

圖4前文明井下10 kV供電系統(tǒng)圖

根據(jù)統(tǒng)計，從2011年4 月-2013年6月之間，前文明礦發(fā)生越級跳閘現(xiàn)象5次，其中有2次造成主通風機短時間停止運行?？紤]到礦井供電系統(tǒng)的規(guī)模和投資的大小，在對市場上的相關(guān)產(chǎn)品進行實地考察后，決定選擇在9103至 9301開關(guān)、9203至 9401開關(guān)、9302至9501開關(guān)、9402至9601開關(guān)、9304至9701開關(guān)、9404至9702開關(guān)之間的6回路電纜裝設(shè)線路光纖差動保護，替代原有的速斷保護作為線路的主保護，以保證上級變電所至下級變電所的電源出線開關(guān)不會因為保護區(qū)域外的短路故障而發(fā)生跳閘；同時在各井下變電所進出線開關(guān)之間采用開關(guān)閉鎖功能組成的防越級跳閘系統(tǒng)。

本次系統(tǒng)改造，從方案制定到改造完成在盡可能減小對生產(chǎn)影響的前提下，用時近20 d，投資近40萬元，經(jīng)估算，約為采用智能化數(shù)子變電站基礎(chǔ)上組建的防越級跳閘系統(tǒng)投資的八分之一，費用主要用來更換各井下高開內(nèi)的保護設(shè)備和購置光纖通訊裝置。

效果方面，改造完成至2015年3月，采區(qū)配電系統(tǒng)9503開關(guān)饋出線路發(fā)生短路故障2次，而短路電流值已超出9302開關(guān)的原整定值；井下牽引配電系統(tǒng)9707開關(guān)因所帶下級牽引電機堵轉(zhuǎn)一次，均未造成上級開關(guān)跳閘現(xiàn)象的發(fā)生。

參考文獻：

［1］褚曉銳，鄭發(fā)平.電力系統(tǒng)繼電保護技術(shù)［M］.北京：水利出版社，2013.

［2］賀全榮，車世安.局域網(wǎng)組建、管理及維護實用教程［M］.北京：清華大學出版社，2009.

（編輯：武曉平）

中圖分類號：TD611

文獻標識碼：A

文章編號：1672-5050（2016）03-070-04

DO I：10.3969/j.cnki.issn1672-5050sxmt.2016.06.021

收稿日期：2016-03-11

作者簡介：張晉平（1969-），男，山西長治人，大學?？?，助理工程師，從事供電管理工作。

Cause Analysis and Solutions of Override Trip in Underground Power Supp ly in M ines

ZHANG Jinping
（Luning Coal Co.，Ltd.，Lu'an Group，Ningwu 036700，China）

Abstract：On the analysis of underground power supply system and causes of override trip，the paper proposes three solutions：optical differential protection，inlet-outlet interlocking in the same substation，and the construction or transformation ofan intelligentdigitalsubstation.By comparison of the three solutions，the study proposes that，in addition of an appropriate plan on the specific condition，we should strengthen foundationalwork，including improving staffs'professional quality，setting standards，reinforcingmanagement，and ensuring equipment in good condition，to prevent the override trip accidents

Keywords：opticaldifferentialprotection；interlocking；digitalsubstation；override trip