新峪煤礦多級供電網絡的防越級跳閘技術與應用

2014-10-22 09:34:24楊貴生

山西煤炭 2014年7期

楊貴生

（山西汾西礦業集團水峪煤業有限責任公司，山西孝義 032300）

新峪礦建于上世紀60年代，隨著礦井開采的延伸，井下供電網絡越來越復雜，目前的“五采”、“六采”兩個主力采區均為多級串聯供電方式。由于供電級數多、供電線路短，傳統的電流保護難以滿足選擇性和靈敏性的配合要求，在井下供電系統發生短路故障時，出現越級跳閘現象，造成大面積停電，且不能迅速判明故障位置，延誤送電時間，直接影響井下安全生產。

為解決多級供電網絡的越級跳閘問題，除加強技術管理、提高設備可靠性外，研究應用有效的繼電保護選擇性配合技術才是治本之策。

1 多級供電網絡出現越級跳閘的原因

礦井電網出現越級跳閘的原因有很多[1-2]，排除其他因素，礦井多級供電網絡缺乏有效的保護配合方法是重要原因之一。

傳統保護采用階段式電流保護方法[3]，即通過電流和時限定值的配合實現保護的選擇性。通常采用三段式電流保護，即第Ⅰ段為無時限電流速斷保護，為滿足選擇性，其電流定值應按躲過下級母線的最大短路電流整定，時限定值為0 s，因此，它只能保護線路的一部分；第Ⅱ段為時限電流速斷保護，它必須保護線路的全長，因此，其電流定值應按下級母線的最小短路電流校驗靈敏度，而時限定值一般需要時限級差的配合才能滿足可靠的選擇性要求；第Ⅲ段為過電流后備保護，需要時限級差配合來滿足選擇性。

目前新峪礦現有供電結構難以實現上述三段式電流保護的選擇性配合要求，原因為：①由于供電級數多，采用Ⅱ段時限電流速斷保護所需要的時限級差不能滿足與地面變電所主變過電流后備保護的時限配合要求；②從保護的靈敏性要求考慮，一味的通過延長時限來保證故障時的選擇性，將增加設備損壞的風險；③井下變電所一般在進線開關配置速斷保護，以便快速切除母線故障，但更增加了保護選擇性配合的難度；④新峪礦井下采區變電所大多為“T”接串聯供電方式，傳統保護在技術上無法實現這種供電結構的選擇性配合要求。因此，多級串聯供電網絡保護選擇性和靈敏性的矛盾十分突出，這也是繼電保護規程不推薦采用多級串聯供電方式的原因[4]，但限于煤礦特殊的工作環境，這種供電方式在礦井電網不能完全避免。

基于上述原因，井下多級供電網絡在進行繼電保護整定時，只能保證靈敏性而犧牲選擇性，即只應用Ⅰ段無時限速斷和Ⅲ段過電流保護，且無時限速斷的保護范圍將延伸至下級母線甚至更遠，造成保護范圍重疊且無配合，這是系統故障時出現越級跳閘的主要原因。

2 智能零時限電流保護技術

為解決保護選擇性配合造成的礦井電網越級跳閘問題，開發了基于網絡智能識別技術的防越級跳閘系統，并進行了工業試驗及具體應用。

2.1 智能零時限電流保護的設計思想

根據上述分析，礦井多級輻射狀電網存在保護選擇性和靈敏性無法兼顧的矛盾，解決這個矛盾是設計有效的防越級跳閘系統的關鍵。

隨著數字化保護和網絡通信技術的發展，繼電保護裝置不再是孤立計算、獨立運行的保護元件，通過保護裝置間的網絡通信，實現跨元件的互操作是數字化保護技術發展的特征。基于這種技術特征實現網絡保護系統，是新型保護配合技術的主要設計思想，將其定義為智能零時限電流保護。

2.2 智能零時限電流保護的系統結構與原理

智能零時限電流保護的系統結構,見圖1。保護系統由綜合保護裝置和通信服務器構成。保護裝置以32位DSP為硬件平臺，具有光纖通信接口，基于嵌入式實時多任務的軟件平臺；通信服務器采用FPGA處理技術，全光纖通信方式。

圖1 智能零時限電流保護的系統結構

通信系統結構，見圖2。保護裝置設計有A、B兩對光接口，其中一對光口與通信服務器的對應母線的接口板連接，聯絡開關的兩對光接口分別與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所的出線保護裝置通信。

圖2 保護系統通信系統結構

見圖1，當D2點發生短路故障時，該線路的DLD1保護啟動，并通過A光接口將故障信息發送給通信服務器，服務器將故障信息轉發給進線保護DLD0，告知其故障位置，同理，DL-D0依次將信息向上轉發；本級保護DL-D1完成故障處理程序后出口跳閘，而上級保護DL-D0則處于后備狀態，并與DLD1保持通信，一旦DL-D1跳閘成功，則DL-D0及后續保護全部釋放返回，若DL-D1保護在規定的時間內沒能成功跳閘（開關拒動），則處于后備狀態的DL-D0保護啟動出口跳閘程序，并再次向上級保護發送故障狀態信息，防止開關拒動時造成再上級的保護越級跳閘。這是智能零時限電流保護技術的基本工作原理。

2.3 智能零時限電流保護的技術特征

基于網絡通信技術的智能零時限電流保護有以下技術特征：

1）采用網絡通信方式解決了保護選擇性與靈敏性的矛盾。不需要電流定值和時限定值的嚴格配合即可實現上下級保護的選擇性配合。通信技術的應用實現了故障定位，無論短路故障發生在哪一級，均為快速動作的速斷保護；

2）實現了逐級快速后備保護。與傳統的被動等待的后備保護方式不同，智能零時限電流保護采用主動通信的后備保護方式，減小了后備保護的動作時間（100～150 ms），并且實現開關拒動狀態下后備保護不越級；

3）簡化了保護的配置，消除了保護死區。供電系統的任意開關均可設置保護功能，無需考慮能否配合。與傳統保護方式不同，智能零時限電流保護在消除了保護死區的同時保證了選擇性。

3 應用實例

圖3為新峪煤礦五采區變電所采用智能零時限電流保護技術的防越級跳閘系統應用實例。在每個變電所安裝了一臺通信服務器，將高壓開關的保護裝置通過光纜與通信服務器連接通信，一號中央變電所進線開關的一個保護光接口與地面變電所出線開關的保護裝置連接通信，組成了全光纖通信的防越級跳閘系統。

圖3 防越級跳閘系統應用實例

該系統五采四段變電所通過五采三段進線開關“T”接供電，這種供電方式的任意一個變電所內發生故障越級跳閘時，均可能造成兩個變電所同時停電，實為應用時應避免的供電方式。而采用智能零時限電流保護后，通過在五采三段變電所的2號電所的通信信號綜合后與一號中央變電所對應的出線保護接口通信，則可保證任意變電所發生故障時，均能起到防止越級跳閘的效果，體現了智能零時限電流保護技術的應用靈活性。