南山煤礦井下高壓供電系統防越級跳閘實驗及應用

摘 要：煤礦安全可靠的供電系統對礦井的安全和生產起著至關重要的作用。南山煤礦通過對北京天能繼保電力科技有限公司開發的井下高壓供電防越級跳閘系統的實驗及應用，提升了煤礦井下供電系統的可靠性，有效減少事故的范圍，對供電系統故障的快速判斷和定位，為分析和處理事故提供直觀的數據，提高了事故的恢復速度。

關鍵詞：供電系統；防越級跳閘；電力保護自動化；監測監控

1 概述

南山煤礦于1983年被鑒定為煤與瓦斯突出礦井。現有2個綜采隊，8個開拓隊，5個掘進隊。入井電源電纜9條，井下4個中央變電所，14個采區變電所，高壓防爆開關207臺，井下高壓供電級數最多達6級，最遠供電距離3.5千米，這種拓撲結構導致過流保護整定困難，也不能通過增加多個時間級差來保證保護的選擇性，因而在發生短路故障時極易出現越級跳閘的情況。

針對上述問題，提出有效的解決方案，構建井上、井下供配電一體化監控系統，提高煤礦供電系統的供電可靠性，為煤礦安全生產提供有力保證。

2 總體方案

2.1 線路選擇

試驗線路選擇南山煤礦的高檔區235工作面動力電源。

整個系統分四級，安裝防爆高開6臺，鋪設光纜3300米，在北翼中央變電所、北五區變電所和高檔區235變電列車三個地點安裝三臺電源箱和三臺交換機。北翼中央變電所為最高級（1、2級），北五區變電所為3級，變壓器為末低級（4級）。

2.2 系統構成

系統主要由三個部分構成，分別為后臺監控系統、防爆高壓開關保護裝置、光纖以太網交換機。其中，防爆高壓開關保護裝置安裝在防爆開關內部替代原有的保護器，光纖以太網交換機安裝在各個井下變電所內，后臺監控系統布置在機電科調度室。

系統結構如圖2。

2.3 主要功能

（1）完成井上井下供電全系統的一體化管理，實現所有線路的實時測量和信號監視，通過監控完成所有開關設備的遠程調度控制。

（2）完成井上井下供電全系統的電能計量及遠程統計管理，自動形成電量報表。

（3）完成全系統的防越級跳閘功能，通過保護控制器和通訊網絡實現全系統故障綜合分析，準確的故障隔離，解決現有系統的越級跳閘問題。

（4）系統故障錄波功能，能記錄故障瞬間、跳閘瞬間的電流電壓波形，便于分析故障類型和故障性質。

（5）電能質量分析功能，電壓偏差與電壓合格率、頻率偏差與頻率合格率、電壓不平衡、各條線路的諧波電壓、諧波電流、諧波功率等進行綜合分析。

2.4 方案原理及關鍵技術

本方案主要基于IEC61850的GOOSE通信技術，利用其高速對等通信技術，采取下級閉鎖上級的逐級閉鎖模式，實現保護的縱向選擇性。利用下級變電站保護動作或饋出線保護動作信號快速閉鎖本線路保護的速斷保護功能，從而實現選擇性。考慮極限情況線路末端短路僅靠電流定值無法滿足選擇性，所有流過故障電流的保護裝置均能啟動速斷保護，本保護裝置速斷啟動同時向上一級發出閉鎖信號，同時檢測下一級是否有閉鎖信息發出，如果檢測到閉鎖信息則閉鎖速斷出口，否則經過一個短延時后跳閘，延時時間一般與GOOSE閉鎖信息可靠傳輸時間進行配合，實際應用中在4級及以下出線延時時間不大于50ms即可保證信息傳輸的可靠性。

GOOSE技術特點如下：

（1）GOOSE是IEC61850定義的一種通信機制，用于快速傳輸變電站事件；諸如命令、告警、指示、信息。

（2）高優先級，傳輸速度快，理論傳輸時間<4ms。

（3）統一的FA數據接口，實現不同廠家FA功能的互操作。

（4）高效可靠的重發機制，保證數據的安全性。

（5）P2P的對等通信方式，實現設備間互操作

如圖3所示，考慮極限情況線路末端短路僅靠電流定值無法滿足選擇性，所有流過故障電流的保護裝置均能啟動速斷保護，本保護裝置速斷啟動同時向上一級發出閉鎖信號，同時檢測下一級是否有閉鎖信息發出，如果檢測到閉鎖信息則閉鎖速斷出口，否則經過一個短延時后跳閘，延時時間一般與GOOSE閉鎖信息可靠傳輸時間進行配合，實際應用中在4級及以下出線延時時間大于40ms即可保證信息傳輸的可靠性。

3 實驗方法

3.1 實驗目的

模擬防止越級跳閘的功能實驗，檢驗裝置是否符合設計標準。

3.2 過流故障實驗

3.2.1 試驗步驟

（1）故障點設在500KVA變壓器，首先把關系到試驗的2000KV

A變壓器、1000KVA變壓器、500KVA變壓器所帶的負荷停止運行。

（2）手動分500KVA變壓器高爆開關后，拉出高爆開關手車，拆掉500KVA變壓器高爆開關負荷線并在其高爆開關內用短接線短接A、B兩相。

（3）北翼1#、北翼2#、北五區高爆開關保持在合閘位置。在地面通過后臺計算機把北翼1#、北翼2#、北五區、500VKA變壓器的高爆開關保護過流一段定值全部設置成實驗定值。

（4）通過后臺遙控500VKA變壓器高爆開關。

（5）觀察實驗結果。

3.2.2 過流故障實驗結果（表1）

500KVA變壓器高爆開關動作事件后臺監控系統截圖（圖4）：

GOOSE閉鎖事件后臺監控系統截圖（圖5）：

4 應用前景及效益分析

該系統可在地面調度中心站對高防開關進行合、分閘操作，對報警、保護信號進行復歸減少停送電時間，實時顯示高防開關的運行狀態；并能及時顯示高防開關跳閘故障類型、時間，并存儲各種故障信息和越限報警信息； 系統具有故障錄波功能和事故追憶功能，能將故障時的有關參數記錄下來，為事故分析提供依據。對系統可在主站對保護單元的整定值進行調整，系統管理維護方便。該系統的應用將解決井下供電不安全隱患，解決井下變電所人員問題，對供電設備進行全程監控，最重要的是系統具有良好的監測，監控作用，對解決以往井下供電不安全隱患問題起到重要防范作用。并且完善了井下安全供電管理，滿足井下對用電質量和用電可靠性的要求，該系統監控和保障作用顯著，有力地促進了煤礦的安全生產。廣泛推廣應用該系統對保證煤礦井下供電系統的安全性和可靠性以及提高煤礦的經濟效益有著重大的現實意義。

作者簡介：馬志國（1977，11-），男，2010年畢業于遼寧工程技術大學機械工程及自動化專業，工程師，現在龍煤鶴崗礦業有限責任公司南山煤礦機電科從事機電技術管理工作。