煤矿供电防越级跳闸保护系统的应用研究

谷文才

(平煤股份朝川矿,河南平顶山 467000)

煤矿供电防越级跳闸保护系统的应用研究

谷文才

(平煤股份朝川矿,河南平顶山 467000)

煤矿井下供电目前存在速断过流保护定值无法整定、漏电保护难实现比较等难题,导致漏电、短路等故障发生频繁,严重威胁供电可靠性。尤其广泛存在的“越级跳闸”问题,是影响煤矿井下可靠供电的一重要因素。本文分析了煤矿供电防越级跳闸保护系统原理,并提出了解决应用方案,实现了保护的选择性和快速性,有效地避免了多次越级跳闸的发生,具有较高的使用价值和广阔的应用前景。

越级跳闸 可靠性 无人值守 数字式 快速性

我国煤矿井下电网大多采用短电缆组成级数较多的辐射状的干线式级联网络,实际运行中,由于综采工作面工作条件较差、环境比较恶劣,电缆在回采过程中来回拖拽,容易受损。一旦电缆受损就可能造成电缆绝缘击穿而形成相间短路,引起电网短路故障。由于井下配电回路阻抗较小,通常下级回路发生短路故障时,短路电流比较大,超过上级速断保护装置电流整定值,使上级速断保护装置动作而造成越级跳闸,情况严重的甚至会越过多级。越级跳闸无疑会增大停电范围,严重影响煤矿安全生产,因此,井下越级跳闸的防治工作十分重要。

图2 分布式区域保护正常动作

图3 断路器拒动时的分布式区域保护

表1 防越级跳闸技术对比表

1 常见防越级跳闸保护原理

目前常见的防越级跳闸保护原理主要有以下几种：

(1)电流差动。差动保护是根据“电路中流入节点电流的总和等于零”原理制成的。差动保护把被保护的电气设备看成是一个接点,那么正常时流进被保护设备的电流和流出的电流相等,差动电流等于零。当设备出线故障时,流进被保护设备的电流和流出的电流不相等,差动电流大于零。当差动电流大于差动保护装置的整定值时,保护动作,将被保护设备的各侧断路器跳开,使故障设备断开电源。差动保护原理简单、使用电气量单纯、保护范围明确、动作不需延时。电流差动保护需要专用通道。电流差动保护只适用于少数节点差动,无法解决开闭所多出线与多进线间的保护配合问题,多层级差动复杂性和成本也过高。

(2)系统判别法。系统判别法的实现以电力监控系统为基础。发生短路故障时,流过短路电流的节点上报故障信息,由监控系统对运行方式和拓扑结构进行故障点判别,然后再下发命令使离故障点电源侧最近的开关跳闸。系统判别法依赖于电力监控系统,实现成本较低。但通信实时性难以保证,实现0秒(或小于35ms)速断保护比较困难,难以满足相关继电保护标准和规程要求。

(3)集中式保护。集中式保护采用数字化变电站技术,系统内各综保通过传输接口实时上送采样值。由安装于地面的高性能保护器进行采样变换和故障识别。集中式保护需要高覆盖率的高速、专用传输通道,实现成本很高。

(4)总线通信法。总线通信法采用CAN等工业总线实现相关节点的故障信息交换,故障时动态决定跳闸优先级。总线通信法实施成本低。但总线传输速率受限,存在多节点竞争,工业环境下易受干扰等问题,通信实时性和可靠性缺乏难以保障。

2 分布式区域保护

结合以上分析,在工作实际中采取分布式区域保护。本方案采用分布式区域保护原理。区域保护的基本思想为：使各级保护建立信号联系。当任何一级保护在检测到短路故障时,迅速发出闭锁信号,闭锁其上一级保护,以将故障锁定在最小跳闸范围内。当断路器失灵时,上级保护可快速动作;母线故障可实现快速跳闸。区域保护适用于分支较多的配电网,解决保护时间级差无法配合问题。对于同一变电站或开闭所内,区域保护信号传递可采用硬接线开入开出方式实现,也可采用基于工业以太网的IEC 61850 GOOSE报文交换方式。前者造价低,设计施工均简单。后者性能突出,有利于简化电缆,改造时占用喇叭嘴数量、9芯端子数量少,易于实施。

分布式区域保护与其他防越级跳闸技术对比,具有成本低,可靠性高,可实施性强,易于维护等特点。具体如表1。

2.1 分布式区域保护动作性能分析

分布式区域保护采用突变量作为启动判据,动作灵敏。现以图1为例,对保护动作性能进行分析(如图2)。

假设出线1发生相间短路,记时刻t0=0。进线和出线保护均感知故障电流,突变量启动判据成立,发出区域保护信号,耗时5ms,记t1=5ms。区域保护联络信号传送到对侧耗时约10ms,记t2=15ms。进线保护在速断出口前,收到出线1的故障联络信号,关闭跳闸出口。由于出线1保护没有收到任何联络信号,在t3=35ms时刻速断保护出口,切除故障线路。故障切除后,撤除向进线发送的联络信号。

分布式区域保护还对出现较频繁的6/10kV断路器拒动情况进行了考虑。目前6/10kV真空断路器跳闸时间约50～60ms,考虑可靠切除短路电流等因素,动作于跳闸的保护,在发出跳闸命令110ms后如果故障电流仍未消失,则认为是断路器拒动,保护器主动撤除上送的联络信号。收到联络信号的保护,则启动一个285ms

(160+110+15)的联络信号自动解除计时,作为后备保护。如图3所示。

2.2 分布式区域保护装置

DS-200数字化保护测控装置和DSKJ-600高开综合保护器采用了专利技术的分布式区域保护技术,分别用于井上和井下6/10kV系统,彻底实现防越级跳闸。DS-200数字化保护测控装置采用PowerPC+DSP双处理器架构,具有2路IEC 61850 GOOSE通信接口,2路硬接线闭锁信号输入接口,2路硬接线闭锁信号输出接口。该系列装置通过了国家继电保护及自动化设备质量监督检测中心的IEC 61850规约一致性检测,已广泛应用于智能电网改造和建设工程。DSKJ-600高开综合保护器通过了国家认定的防爆检测机构检验,取得了防爆合格证,可用于具有甲烷或煤尘爆炸危险的矿井。井下保护器采用DSKJ-600高开综合保护装置。该型号装置基于高性能MPC 8313 高性能PowerPC架构开发,采用VxWorks实时操作系统。具有2路IEC 61850 GOOSE通信接口,2路本闭锁信号输入接口,1路本安闭锁信号输出接口。该装置通过了国家安全生产重庆矿用设备检测检验中心的检测,取得了防爆合格证。

[1]李晶,路文梅.供电系统继电保护[M].北京：中国电力出版社,2008．

谷文才,1986年3月出生,2007年参加工作,助理工程师,工作单位平煤股份朝川矿。