基于PSCAD礦山電網越級跳閘實驗教學仿真平臺

曹 娜, 史文秀, 于 群

(山東科技大學 電氣與自動化工程學院，山東 青島 266590)

基于PSCAD礦山電網越級跳閘實驗教學仿真平臺

曹 娜, 史文秀, 于 群

(山東科技大學 電氣與自動化工程學院，山東 青島 266590)

結合某煤礦6 kV電網發生的越級跳閘事故，闡述了礦山電網保護配置的缺陷及越級跳閘的原因，利用仿真平臺對事故現象進行還原仿真；然后結合煤礦電網線路較短以及井下電纜發生短路概率高等實際情況，給出防止越級跳閘的措施，基于PSCAD/EMTDC搭建礦山電網越級跳閘仿真試驗平臺,并在該平臺上仿真驗證措施的有效性。該平臺可使理論教學與實驗教學有機結合，學生可在仿真平臺上通過改變線路和保護參數觀察礦山電網越級跳閘的現象，以及采取不同措施防止越級跳閘，既保證了學生對基本理論知識的理解,滿足教學效果，又能為創新型、綜合性實驗的開設提供理想平臺。

礦山電網； 越級跳閘； 實驗仿真平臺

0 引 言

礦山供電系統是整個礦山生產的動力來源，而其繼電保護是礦山電網及負荷安全穩定運行的重要保障，保證在其出現事故時迅速、準確地切除故障元件。

礦山供電系統一般為單側電源輻射狀電網，其階段式電流保護整定原則為[1-2]：從電源端至負荷端動作電流應從大至小逐級遞減，動作時間亦應從長到短逐級遞減；本級電流保護的動作電流必須大于下一級線路首端的最大短路電流。因為礦山供電線路大都采用銅芯電纜且長度一般很短，阻抗較小，所以礦山供電系統保護中存在時限配合效果差和越級跳閘等問題[3]。

很多專家學者對礦山電網越級跳閘的原因及采取措施進行了闡述：文獻[4-7]中分析了井下高壓電網越級跳閘的主要原因是井下線路較短、速斷保護整定方案等，并給出了解決越級跳閘的措施。文獻[8-14]中設計了防越級跳閘成套裝置，并闡述了裝置的組成及功能。其中,文獻[9,13]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防止井下電網的越級跳閘。文獻[10]中利用高速工業以太網，提出了采用差動保護與網絡閉鎖保護相結合的新型保護方法防止越級跳閘。文獻[15-16]中闡述了煤礦防越級跳閘技術的應用。但很少有文獻對礦山電網越級跳閘現象進行形象直觀仿真分析。教學過程中，學生感到越級跳閘內容比較抽象，導致學生對其不夠重視，難以達到應有的教學目的。

本文基于PSCAD/EMTDC搭建礦山電網越級跳閘仿真試驗平臺，對礦山的越級跳閘事故及相應預防措施進行仿真分析，有利于學生更加深入了解越級跳閘的動作原理及預防措施。使越級跳閘及預防措施的理論教學與實驗教學有機結合，能使學生在掌握繼電保護相關課程基本原理及實現方法的基礎上，培養其動手能力及解決問題的能力；能配合創新型、綜合性實驗的開設，加強對學生創新能力的培養。

1 礦山供電網越級跳閘現象仿真分析

1.1 礦山供電網越級跳閘現象

某礦山供電系統如圖1所示，各級保護整定值(一次動作電流)如圖2所示，其繼電保護常規的整定方法[1-2]為：礦山地面變電所6 kV母線處BAK1設兩段式保護，Ⅰ段速斷保護,按保護下井電纜長度的

50%進行整定,Ⅱ段過流保護按躲過最大負荷電流整定，動作時限為0.9 s；井下中央變電所出線處BAK3和采區變電所出線處BAK5、BAK6的Ⅰ段速斷保護按上一級速斷保護整定電流的0.9倍整定，Ⅱ段過流保護按最大負荷電流整定，動作時限0.6 s；井下中央變電所進線處BAK2只設速斷保護，按上一級速斷保護整定電流的0.9倍進行整定；采區變電所變進線處BAK4設兩段式保護，Ⅰ段速斷按上級速斷保護整定電流的0.9倍進行整定，Ⅱ段按上級Ⅱ段定值進行整定。

圖1 礦山典型供電線路示意圖

圖2 某礦山供電線路現行的保護配置

這種保護配置有明顯的缺陷:礦山地面變電所6 kV出線的BAK1瞬時速斷保護是按保護下井電纜的50%進行整定，將遠小于按躲開被保護線路末端最大三相短路電流整定的動作值；同時也導致了以下各級速斷保護定值過小，一旦末端線路出現短路故障，很容易導致所有速斷保護同時動作，保護選擇性差，出現越級跳閘，從而擴大故障影響范圍。

1.2 礦山電網建模及越級跳閘事故仿真

在PSCAD/EMTDC上搭建礦山供電線路現行保護配置的仿真模型如圖3所示。下井電纜保護模塊、采區變電所電纜保護模塊和采區電纜保護模塊為封裝模塊。其中，以1#采區移動變電站為例，其兩段式保護模塊的詳細模型如圖4所示。

圖3 在PSCAD/EMTDC中搭建的某礦供電系統現行保護配置的仿真模型

圖4 兩段式保護模塊模型

通過仿真計算可得線路各短路點短路電流和短路容量如表1所示。下面以最大運行方式下，1#采區移動變電站線路末端發生三相短路為例進行分析。在1#采區移動變電站線路末端d4處發生三相短路時，短路電流為8.51 kA，大于BAK5的I段保護的整定值；同時也大于BAK1、BAK3速斷保護定值，導致所有速斷保護同時動作，使得保護的選擇性差，出現越級跳閘，而擴大停電故障的影響范圍。

表1 線路各短路點三相短路電流

2 防止越級跳閘措施仿真分析

2.1 防止越級跳閘措施

考慮到礦山供電線路較短以及井下電纜發生短路故障概率高等特點，采取以下措施防止越級跳閘：

(1) 針對下井電纜長度較短，在地面變電所6 kV母線至井下中央變電所間裝設電抗器，增加地面6 kV母線和中央變電所母線處短路電流之差，有利于速斷保護動作電流的區分，減小停電范圍。

(2) 考慮到地面6 kV出線開關的重要性，下井電纜和井下中央變電所出現的保護均設置為3段式保護；且它們的I段瞬時速斷保護動作電流均按躲過本線路末端最大三相短路電流來整定。

(3) 雖在地面6 kV至井下中央變電所之間增設電抗器，中央變電所之后多級保護之間動作電流的差距仍不能保證系統縱向的選擇性，為解決這個問題，改變傳統的II段時限與相鄰線路I段時限配合的整定原則，在各出線處，II段時限按與相鄰線路出線處II時限配合的原則進行整定。整定原則：按同一靈敏度系數法整定，在最小運行方式下線路末端發生兩相短路時有足夠的靈敏度。

(4) 一般定時限過流保護均按能躲過正常最大工作電流整定，但考慮礦山供電系統沒有自啟動現象的特殊性，故按躲過被保護線路的尖峰電流來整定。

(5) 采區變電所出線保護保持原有兩段式保護不變，但對其I段的動作電流按保護線路全長整定，應躲過定時限過流保護的動作電流。

(6) 時限配合優化。采區變電所出線BAK5、BAK6的II段延時改為為0.2 s，有利于快速切除故障，并能在時限上更好的與上級保護配合。中央變出線開關BAK3設置瞬時速斷、限時速斷和定時過流3段式保護。在地面6 kV出線開關上設置3段式電流保護，定時過流時限與變壓器過流保護配合，整定為0.9 s；本級限時速斷整定為0.6 s。從采區變電所出線BAK5、BAK6直到地面變電所6 kV出線的BAK1，II段保護時限按階梯時限整定，級差為0.2 s。

通過計算，礦山供電線路的保護整定結果(一次動作電流)如圖5所示。

圖5 優化后的礦山供電線路保護整定結果

2.2 礦山電網建模及防越級跳閘措施仿真分析

通過仿真計算可得加入電抗器后線路各短路點短路電流如表2所示。在PSCAD/EMTDC上搭建優化后的礦山供電線路保護配置如圖6所示。下井電纜保護模塊、采區變電所電纜保護模塊和采區電纜保護模塊為封裝模塊。其中，以下井電纜為例，其3段式保護模塊的詳細模型如圖7所示。

表2 加入電抗器后各短路點三相短路電流

圖6 在PSCAD/EMTDC中某礦供電系統優化后保護配置模型

圖7 3段式保護模塊模型

下面以最大運行方式下，1#采區移動變電站線路末端發生三相短路為例進行分析。在1#采區移動變電站線路末端d4處發生三相短路時，短路電流為4.532 kA，大于BAK5的I段保護的整定值；同時也大于BAK1、BAK3速斷保護定值，導致所有速斷保護同時動作，使得保護的選擇性差，出現越級跳閘，而擴大停電故障的影響范圍。

利用前述的優化措施，通過計算可得各級保護的定值和動作時限結果如表3所示。

線路防越級跳閘是通過限時速斷的階梯時限與動作電流整定優化來實現的。

表3 線路保護定值

下面以最大運行方式下，1#采區移動變電站末端發生三相短路為例進行分析。由于在下井電纜處加入了限流電抗器，拉大了動作電流的差距，在1#采煤機線路末端d4處發生三相短路時，短路電流為4.532 kA，由圖5中保護整定值可以看出，BAK5段不動作，由于BAK1、BAK3的I段瞬時速斷定值都大于短路電流，不會使開關的瞬時速斷動作，不發生越級跳閘，保證了保護的選擇性。

對于II段的限時速斷保護，雖然各級動作電流整定值差距較小，動作電流不易拉開差距，但是由于引入

了階梯延時，共設置了0.6、0.4、0.2 s的3級階梯延時，僅靠時限的差距就可以保證限時速斷保護的選擇性。

對于III段定時過流保護，動作電流差距較大，對保證選擇性起到一定作用；同樣也采用階梯延時，共設置了0.9、0.6 s的兩級階梯延時，保證限時速斷保護的選擇性。

以上各種保護，除瞬時速斷的最小保護區有時為全長的20%外，其余所有的保護其范圍均為全長，動作靈敏度均不小于1.5，故系統靈敏性完全有保證。

3 結 語

本文基于 PSCAD/EMTDC搭建的礦山供電線路越級跳閘仿真實驗平臺，可對礦山電網越級跳閘事故以及防止措施進行仿真分析。在教學過程中，把理論教學與實驗教學有機結合，學生可在仿真平臺上通過改變線路和保護參數觀察礦山供電網絡越級跳閘的現象，采取不同措施防止越級跳閘，更能深刻體會礦山供電系統繼電保護的重要性。

實踐證明，該仿真實驗平臺效果明顯，并具有一定通用性和擴展性。

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An Experimental Simulation Platform of Mine Network Leapfrog Tripping Based on PSCAD/EMTDC

CAONa,SHIWenxiu,YUQun

(College of Electrical Engineering and Automation, Shandong University of Science and Technology, Qingdao 266590， Shandong, China)

According to the teaching need of mine power supply, an experimental simulation platform of mine network leapfrog tripping is built in this paper based on PSCAD/EMTDC. Firstly, the defects of the protection configuration of mine power network and the reasons of leapfrog tripping are explained with leapfrog tripping accident occurred in a coal mine 6kV network, and the simulation platform is used to restore the accident phenomena. Then according to actual situation of the coal mine, for example, the line of coal mine power grid is much shorter and the short-circuit probability of the underground cable is high, etc. measures are given to prevent tripping and the effectiveness is verified in the simulation platform. Theoretical teaching can be combined with experimental teaching through the platform. Students can observe the tripping phenomena of mine power network and take different measures to prevent tripping by changing the line and protection parameters on the simulation platform. So this method can help students understand the basic theory to ensure teaching effect, and also become a necessary platform for comprehensive and innovating experiments. The practice proves its practicability.

mine power networks; leapfrog tripping; experimental simulation platform

2016-07-10

山東省應用基礎型特色名校工程項目

曹 娜(1971-)，女，山東泰安人，博士，副教授，主要研究方向:電力系統及其自動化。E-mail:caona_2006@163.com

TM 773

A

1006-7167(2017)03-0100-05