新型煤矿供电网防越级跳闸保护系统研究与应用

哈尔滨国力电气有限公司 张文瑞

1.引言

煤矿供电网在出现短路故障时容易发生越级跳闸事故，导致井下大面积停电，引起瓦斯积聚，威胁矿井安全。本文分析了矿井供电系统的特点以及越级跳闸事故的原因，在深入研究防越级跳闸工作原理及特性的基础上，设计了一种有效防止越级跳闸的保护自动化系统，解决了煤矿供电系统广泛存在的越级跳闸技术难题，能有效保障煤矿供电系统的可靠性和矿井的安全性。煤矿井下开采作业，特别是高瓦斯矿井，都存在瓦斯潜在危机，而井下供电系统故障是导致瓦斯灾害的重要因素；而随着煤矿井下供电容量的不断增大，电网电压的不断升高以及供电距离的不断加长，人们对矿井供电系统的可靠性、安全性和连续性的要求越来越高，井下工作环境恶劣、负荷波动大、工况不稳定、瓦斯煤尘积聚、滴水冒顶等事故会使电气设备绝缘强度逐渐降低，同时由于操作人员维护不当或操作错误，输电线路的导线断裂等原因，经常会发生漏电及单相接地故障，矿用隔爆型高低压开关是煤矿井下高低压供电系统终端线路的主保护，它起到了保护高压电缆、变压器和电气设备的作用，是目前井下普遍使用的保护设备，但是各种高压保护装置本身具有一些缺点，由于数据的封闭性，导致“信息孤岛”的形成，因煤矿供电特点，使得下级支路发生短路故障时，末端的短路电流和始端的短路电流在大小上相差无几，导致上级速断保护启动，造成越级跳闸，甚至越过多级跳闸。本文基于智能变电站思想，打破“信息孤岛”，构造“动态逻辑跳闸时间级差”的方法解决越级跳闸问题，实践证明具有很强的实用性和推广性。

2.煤矿供电特点

2.1 短线路较多：有的下井线路仅有100-500米；采区变到配电点仅有50-500米。

2.2 下井线路经过的开关级数多：地面—井下中央变电所—采区变电所—配电点。

2.3 电力系统给定的速断定时限短（0.2～0.5s），井下高压开关一般均装设速断保护。

2.4 井下高压开关一般均装设有低电压保护。

3.越级跳闸原因分析

3.1 保护定值整定方法不合理

速断保护定值按躲过最大负荷电流整定，比按短路电流整定得到的值要小得多，发生短路后沿线保护均启动，跳闸取决于开关的机械特性。

3.2 短线路造成保护定值无法区分

（1）短线路短路电流的变化平缓，始末端短路电流差值小，按躲过线路末端最大短路电流整定，一般保护灵敏度<1。

（2）电力系统规程建议在灵敏度小于1的情况下不适宜装设电流速断保护，但是煤炭规程规定井下必须装设速断保护，不准甩掉不用。

（3）此时一般按同一灵敏系数法整定，造成线路在最小运行方式下有保护范围，然而在最大运行方式下可能发生越级跳闸。

3.3 失压脱扣保护导致越级跳闸

井下高压隔爆开关失压保护为2级，一级是保护装置带的，一般可整定；一级是开关带的失压脱扣线圈，动作值及时间不可整定。馈线距离母线很近的地方发生短路故障时母线电压短时失压，该段母线上其他开关的失压保护误动作导致“越级跳闸”

4.解决越级跳闸保护原理

基于以上越级跳闸原因的分析，开发一种智能微机保护装置，保护装置之间信息共享，具有“保护互锁”功能，利用下级馈出线或设备保护动作信号快速闭锁本线路速断保护功能，实现选择性跳闸，避免越级跳闸。下面就以某矿1条供电级联线路为例（如图1），具体说明防越级跳闸实现过程

如图1所示，考虑极限情况，线路末端（205出线）发生短路，仅靠电流定值无法满足选择性的要求，所有级联线路（201,104,101,6131#）的保护装置均流过短路电流，启动速断保护，装置启动速断保护同时向上一级发出闭锁信号，同时检测下级是否有闭锁信号发出，如果检测到闭锁信号，则闭锁速断保护出口

（闭锁时间一般为150ms）否则经过短暂延时（一般设定30ms）后跳闸，这样各级馈线保护装置无需考虑选择性，只需保证灵敏度即可以避免越级跳闸。

如果通信链路出现故障，下级闭锁信号不能及时可靠传输，此时本级保护装置经短暂延时（一般设定30ms）跳闸，不会导致事故扩大。另外，保护装置

在失电后仍可以正常工作一段时间，以便查询故障信息，分析故障原因，实现故障快速定位.

5.智能微机保护装置整体设计方案

智能保护装置采用双CPU结构，克服传统装置计算速度慢、计算精度低和保护功能不完善的缺点，充分发挥双CPU结构并行工作、分工合作的优点以及DSP运算速度快、擅长数字信号处理的优点，既满足继电保护速动性、选择性、可靠性和信息共享的要求，同时实现高精度实时测量。

装置主CPU采用运算速度快、擅长数字信号处理的DSP芯片TMS320F2812作为主CPU控制模拟量采集和计算、保护判断、开关量输出和输出。从CPU也采用DSP芯片TMS320F2407，负责人机对话、液晶显示、与上位机通信等实时性要求不高的系统任务。装置总体原理框图如图2所示。

（1）中央处理单元：由2片DSP构成双CPU结构，用于实现数据采集、计算、逻辑判断、定时、存储，人机对话、保护信息共享、与上位机通信等功能。

图1 某矿1条供电级联线路

图2 装置总体原理框图

（2）开关量输入、继电器输出单元：开关量输入单元取自相应设备的辅助常开接点，用于识别现场开关的状态。需要输入的开关量有真空断路器的合闸、分闸状态灯；继电器输出单元包括用于控制真空断路器的输出接点和保护发生故障时的报警信号。

（3）交流采样单元：用于采集计算电网A、B、C三相电压，A、C两相电流以及零序电流、电压。

（4）人机对话单元：用于定值输入，操作方式的确定，电网工作参数、工作状态、故障类型的显示等。

6.防越级跳闸保护系统设计

基于数字处理器技术，现场总线技术和工业以太网技术，结合井下的实际情况，矿井供电网防越级跳闸保护系统主要由如下部分组成：

（1）地面主站及备用站：地面主站及备用站设在地面监控调度中心，一般有三台服务器，其中一台作为通讯服务器，负责监控工作主站与井下监控分站之间的数据交换以及与调度室进行数据转发，另外两台监控工作站兼作数据服务器，互为备用，矿调度中心的监控主站与矿领导及相关机电管理部门监测监控终端之间通过现有局域网相连。

（2）井下电力监控分站：电力监控分站与智能保护器之间通过以太网相连，其它子系统、监控分站与地面监控主站之间用光纤相连，构成双环自愈的光纤以太网，该光纤以太网留有多个备用的以太网口，作为其它业务通道，如变电所的视频，音频系统等均可接入该以太网。

（3）智能保护装置：在每个采区变电所或工作面配电点，其矿用隔爆型高压配电装置或低压馈电开关的各种电量或状态量被送智能保护装置，该装置负责数据采集打包、并将数据发送给井下电力监控分站，各分站将数据发到网络，实现各个分站的数据共享，使其在主服务器故障时仍然能够动作，具备了强大的数据吞吐能力和数据处理能力。

7.结束语

该系统不仅具有完善的保护和控制功能，而且利用网络解决了各个保护装置之间由于距离等因素无法数据共享的问题，有效解决了目前煤矿常出现的越级跳闸的现象，保证了煤矿供电系统的安全性、可靠性和经济性，具有显著的社会效益和经济效益。