寺河礦電網“越級跳閘”繼電保護系統的設計與實施

曹晉鵬

摘要：目前寺河礦供電電網普遍存在多級輻射狀供電模式，其特點為：一方面由于延伸級數多，電網配合時限不足，以致保護時限無法配合；另一方面由于系統容量增大、供電線路短，不同級別的短路電流接近，以致保護的電流定值無法配合，因此，無奈之際只能犧牲選擇性而保證快速性，致使礦井電網的繼電保護系統普遍存在“越級跳閘”問題，系統出現短路故障時由于無選擇性配合，造成井下供電系統大面積停電，引發停電停風事故，嚴重影響煤炭安全生產。

關鍵詞：多級輻射 選擇性 快速性 越級跳閘

1 概述

1.1 供電系統簡介 寺河110kV變電站一回電源引自220kV芹池變電站，另一回電源引自郭北110kV變電站。兩回110kV電源線路分列運行。兩回電源線路任一回路故障，另一回能擔負寺河礦井全部負荷。礦區附近配備有15MW的瓦斯電站升壓35kV電壓等級同電網相連，目前可發電容量約12000kW。地面和井下主要供電電壓為6kV。寺河110kV變電站平均負荷為49000kW，最大負荷為60000kW，向外放射性布置9個35kV變電站（寺河工廣、寺河東風井、寺河小東山、寺河三水溝、寺河潘莊、寺河西井區及金鼎劉莊場地、沁秀坪上和岳城）。井下6KV變電所共有21個，東區14個，西區7個。

1.2 技術背景 傳統的電流保護技術采用定值與時限配合的原則實現保護選擇性，這種配合原則已無法從原理上解決煤礦電網的保護選擇性問題；隨著礦井供電規模的增大，越來越多的礦井電網采用消弧線圈接地方式，而現場的許多保護裝置仍沿用功率方向型漏電保護技術原理，當系統發生接地故障時，則勢必造成系統“誤動”現象頻繁。

針對上述技術難題，筆者采用智能零時限電流保護、光纖差動保護和改進型零序導納原理的漏電保護技術，從原理上解決了礦井電網的“越級跳閘”問題。智能零時限電流保護技術不需要定值和時限的嚴格配合，采用網絡通信技術自下而上地傳遞保護故障信息的方法實現保護的選擇性；改進型零序導納原理的漏電保護能自適應礦井電網的中性點接地方式；井下應用的綜合保護裝置采用高性能的軟硬件平臺、國際標準的通信協議，提高了保護裝置的可靠性和適用性。通過長期的現場試運行證明，能有效地解決礦井電網存在的技術問題，提高煤礦供電系統的運行可靠性。

2 繼電保護系統的設計原理

2.1 設計目標 ①采用新型的網絡保護技術，解決煤礦井下供電系統繼電保護選擇性和速動性的矛盾，從根本上解決礦井電網繼電保護的“越級跳閘”問題，提高煤礦供電系統可靠性和安全性，為煤礦安全生產提供有力保障。②采用新型的漏電保護技術，解決礦井電網漏電保護的可靠性問題，避免漏電保護動作不可靠造成的系統保護“誤動”和“越級跳閘”，提高供電系統可靠性。③構建集成的礦用電站綜合自動化系統，系統集成先進的繼電保護、監測監控、視頻監控、語音通信等多項技術，實時監控礦井電網的運行狀態，提高礦井電網的自動化水平、運行效率和經濟效益，為礦井電網的安全運行提供決策支持。

2.2 繼電保護系統技術簡介 ①概述。井下防“越級跳閘”系統采用光纖差動保護和智能零時限電流保護技術實現。MPR303S光纖差動保護裝置、MPR304S智能零時限電流保護裝置、KHL127礦用保護通信服務器和專用保護通信網絡組成井下防“越級跳閘”系統。MPR300S系列礦用保護裝置、KJ38-F電力監控分站和電力監控通信網絡組成井下電網電力監控系統，與電力監控中心配合實現井下電網電力監控系統。②智能零時限電流保護技術。智能零時限電流保護技術用于防“越級跳閘”系統。智能零時限電流保護采用網絡保護技術，通過保護裝置間的智能通信，檢測故障區域和故障定位，實現上、下級保護的配合。智能零時限電流保護系統由MPR304S智能終端和KHL127礦用通信服務器組成，保護原理如圖1所示。

將供電網中的MPR304S保護裝置按物理位置（進線、出線和聯絡開關）劃分為多級保護系統，每臺MPR304S保護裝置有兩對光纖接口，其中一對光纖接口通過點到點通信方式與通信服務器對應母線的光纖接口板連接、聯絡保護裝置的兩對光纖接口分別與服務器對應母線的接口板連接、進線保護裝置的另一對光纖接口與上級變電站的出線保護裝置的一對光纖接口相連。

系統中所有保護裝置的速斷保護均可設置為零時限，保護定值可按保證靈敏度整定，且不需要上、下級保護定值的嚴格配合。當系統發生短路故障時，相關的保護裝置可能同時啟動，當達到保護定值時，距離故障點最近的本級保護裝置動作，并通過服務器的光纖接口電路進行邏輯判斷，同時逐級向上級保護傳遞保護故障信息，上級保護裝置收到保護故障信號后與下級保護裝置建立通信，實時檢測下級保護的動作情況，等待距離故障點最近的開關跳閘，若跳閘成功則故障信號自動消失，若跳閘不成功則經短延時（保護動作時間+斷路器固有動作時間，可整定）由上級保護裝置切除故障。③光纖差動保護技術。光纖差動保護技術用于防“越級跳閘”系統，其保護原理如圖2所示。在上、下級變電站的進、出線開關成對配置MPR303S光纖差動保護裝置，并在保護裝置間設置光纖通信信道。當供電線路發生區內故障時（D1、D2、D3），線路差動保護動作，供電線路兩側開關跳閘，切除線路故障；當發生供電線路區外故障時（D4、D5、D6），線路光纖差動保護不動作，而由對應的出線保護裝置切除故障（但D6點的母線短路故障只能由G0或G1保護的時限過流后備保護切除），實現防“越級跳閘”功能。

光纖差動保護為供電系統防止“越級跳閘”提供了又一種技術選擇。光纖差動保護可與智能零時限電流保護系統配合應用，即各變電站進出線之間采用光纖差動保護實現故障隔離，變電站內部采用智能零時限電流保護，如圖3所示。

目前許多在用的礦用保護裝置所采用的漏電保護原理仍使用“功率方向型”、少數采用其他漏電保護原理。由于礦井電網的規模越來越大，系統電容電流遠大于《煤礦安全規程》規定的允許值，因此，礦井電網大多采用消弧線圈接地方式，用以補償系統電容電流，在這種狀況下，如仍使用功率方向型漏電保護原理的保護裝置，則勢必造成系統漏電保護“誤動”現象頻繁發生。

3 系統設計與實施

3.1 防“越級跳閘”系統設計 本方案采用智能零時限電流保護配合光纖差動保護技術實現寺河礦井下東二盤區6KV變電所供電系統的防“越級跳閘”系統，解決井下電網的“越級跳閘”問題。

MPR304S數字式礦用綜合保護裝置內置智能零時限電流保護和光纖差動保護功能，可通過保護裝置的菜單設置保護功能。地面35KV變電所的下井線路更換2臺DPR362LF光纖差動保護裝置與井下變電所的進線開關保護裝置配合實現光差保護。

智能零時限電流保護功能需要MPR304S礦用綜合保護裝置和KHL127礦用電流保護控制器配合完成，井下每臺高壓防爆開關需要更換為MPR304S綜合保護裝置、每個井下變電所需配置1臺KHL127控制器。保護通信網絡具有通道監視功能，當通信中斷時不影響MPR304S保護裝置的本身的常規保護功能，并可在保護裝置上顯示通信中斷信息，同時通過監控網絡將信道中斷信息上傳至電力監控中心。

防“越級跳閘”保護系統通信網絡和電力監控通信網絡使用獨立的網絡信道，以保證系統具有可靠的通信。

3.2 實施方案 寺河礦井下6KV供電系統東二盤區變電所，共有高壓防爆開關10臺，需要進行改造更換MPR304S綜合保護裝置。主要設備配置如下：

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3.3 實例說明 2013年5月28日17：41分該礦準備二隊三組動力移變高壓側發生三相短路事故，導致東二變電所8#高開短路跳閘（延時0s），所內10#電源高開顯示“邏輯信號動作”故障，但未跳閘，地面35KV站620#柜報“整組起動”故障，一次側電流動作值為6204.05A，故障動作延時0.1s（過流I段整定值為4500A，延時0.12s），由于未達到短路整定延時，所以地面35KV站620#柜未跳閘。

準備二隊三組動力移變高壓側發生三相短路，動作電流較大達到短路速斷整定值，動作時間未達到地面變電所620#柜整定延時但達到了井下變電所10#電源開關電流速斷保護延時定值，邏輯閉鎖壓板已投入，8#高開跳閘，故障消除后電流速斷保護閉鎖解鎖時間滿足要求，故而將跳閘等級限制在井下變電所分開關電源側（也可以說成電源開關負荷側），實現了防越級跳閘的功能。

4 結論

寺河礦井下變電站綜合自動化系統融入了智能零時限電流保護、光纖差動電流保護、改進型零序導納原理的漏電保護所組成的防“越級跳閘”電力自動化監控系統等多項創新技術，所采用的先進技術致力于解決當前礦井電網存在的小電流接地系統漏電保護（接地保護）的可靠性技術難題。

參考文獻：

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