煤礦供電防越級跳閘保護系統應用

梁 超/貴州盤江精煤股份有限公司火燒鋪礦

煤礦供電防越級跳閘保護系統應用

梁 超/貴州盤江精煤股份有限公司火燒鋪礦

與目前煤礦供電網絡常用的三種防越級跳閘技術方式相比，基于縱聯差動保護的防越級跳閘技術，是一種相對成熟且操作簡單的技術方式。特點在于，這項技術可根據不同煤礦的生產規模、生產能力、生產水平，做出適當調整。在發生煤礦供電網故障時，第一時間排除故障，保障了煤礦供電系統的安全性、穩定性，為企業安全生產、有序管理提供了有力的保障，具有顯著的經濟效益和社會效益。

煤礦；供電；防越級跳閘；保護應用

1. 導言

本文了分析了煤礦井下供電廣泛存在的“越級跳閘”問題和防越級跳閘保護系統；介紹防越級跳閘保護系統主要構成部分及其所具有的獨特優勢，并結合某煤礦井下供電系統的實際情況進行了該煤礦供電防越級跳閘保護系統的方案設計，能夠有效地避免越級跳閘的發生。

2. 原因分析

礦井電網存在“越級跳閘”的原因煤礦井下巷道狹窄，空氣潮濕，在此環境下使用的電器設備、供電電纜和電纜接頭容易發生漏電和短路事故。目前，我國煤炭企業電網多為多級輻射狀的供電模式，其特點為供電線路短，延伸級數多，不同級別的短路電流很接近，一旦線路某處短路，短路電流可達數千安到上萬安，短路點上面的各級開關都滿足電流速斷保護跳閘條件，當上級開關跳閘靈敏度高時上級開關跳閘，造成越級跳閘，甚至會直接造成地面變電站開關越級跳閘，特別是35 k V系統，造成全礦井停電的惡性事故，甚至會出現主扇停風事故。傳統的三段式過電流保護無法兼顧保護動作快速性和選擇性的要求，當井下供電系統發生故障時，普遍存在“越級跳閘”現象，造成恢復供電時間延長，直接影響井下的安全生產。在煤礦供電電網中，造成越級跳閘的主要原因主要有以下幾種:1)短路保護難以整定。井下供電線路短、多級變電所級聯導致拓撲結構復雜，短線路零秒的速斷保護無保護區，在線路末端發生短路故障時，其上級開關及上幾級開關感受的短路電流幾乎差不多，各級開關的零秒速斷保護無選擇性跳閘而造成越級跳閘;井下供電系統沒有時間級差，過流保護整定困難，在發生短路故障時，極易出現越級跳閘的情況。同時，井下防爆開關的拒動現象也時有發生，也極易造成越級跳閘現象的發生。目前的系統以短路保護為主保護，系統圖上每個藍色小方塊代表一個短路保護。當采區變電所任何一條負荷線出現故障時，都有可能導致上一級變電所開關跳閘，即“越級跳閘”，導致停電范圍擴大。2)傳統意義上的光纖縱差保護不能解決所有問題。將傳統的光纖縱差保護作為聯絡線的主保護，能夠可靠解決部分“越級跳閘”問題，但對于三端線路及多端線路卻不能解決。因為現有的光纖縱差模型全部是根據兩端線路配置的，如果需要對多端線路進行光纖縱差處理，則存在技術上的難點而無法實現。

3. 煤礦供電防越級跳閘保護系統的應用實現

3.1 數字式光纖差動保護原理

本文所采用的數字式光纖差動自動保護系統的保護原理可以從瞬時采樣值的電流差動保護和故障分量電流差動保護兩大原理進行分析。瞬時采樣值的電流差動保護原理主要作用是判斷有無發 生區內故障，是指按照一定判斷依據而構成的差動保護，其自動方 程式可以表示成|i 表示線路兩端電流采用的瞬時值，K 為制動系數、I 為整定值。當瞬時采用值電流差動保護采用判據窗＞9時，制動保護效果最佳。

3.2 差動保護運行存在問題及對策

該系統下差動保護運行過程中可能存在的問題有CT 飽和、CT 斷線、同步化處理和誤碼校驗、弱饋問題及電容電流問題。當系統出 現故障時，短路電流會有一定幅值的非周期分量，這會導致電流互 感器鐵芯的磁密度值快速飽和，這種情況下，勵磁的阻抗能力會減 弱，勵磁電流增加，導致二次電流的波形畸變。具體表現在以下幾 點：（1）發生嚴重故障后，CT 有一個線性傳變區，在該區內能把一次 電流準確的傳送到二次側，并在該區存在的時間會隨著故障的嚴重 程度減少。（2）對因故障電流中非周期分量引起的CT 飽和，勵磁電 流和二次電流會出現正負半波波形不對稱的問題，且差流波形會有 嚴重的偏移問題。（3）因穩態短路電流引起的CT 飽和，勵磁電流和 二次電流的波形呈奇對稱。可見，當CT 飽和時，會使得在電流差動 保護區內的保護延遲，而區外的保護誤動。對此，該系統可以采用 CT 飽和識別技術來避免光纖差動保護誤動問題的出現。 CT 斷線上，與CT 飽和相比，CT 斷線雖然不會導致光纖差動保 護誤動問題，但是如果發生在區外故障時，會出現誤動問題。對此， 可以使用較為成熟的CT 斷線依據來檢測CT 是否出現斷線 問題上，如果在此情況下發生線路內部故障，就會使得弱饋側的故障電流流入量減小，很可能會導致電流差動保護的拒動。對此，可以 在啟動文件中設置一個低壓輔助啟動元件，一旦電壓比該氣動元件 定值低，就可啟動，此時非弱饋側的保護就會收到啟動信號，進而驅 動電流差動的保護出口，達到切除故障的目的。

3.3 小電流接地選線功能

基于數字式光纖差動技術設置的煤礦供電防越級跳閘保護系統，其小電流接地選線方法可以采用消弧線圈并聯中值電阻選線法。該方法又可分為主動式選線和被動式選線，主動式選線主要是 通過改變系統的運行方式或結構，根據系統的該變量進行選線，有 消弧線圈并聯中值電阻法、注入法和殘留增量法。不過，后兩者方法 在理論研究上的缺陷，使得其在實際應用價值不高，主要是采用消 弧線圈并聯中值電阻法。消弧線圈并聯中值電阻法是指發生單相接 地時，在消弧線圈的兩端能快速并聯一個中值電阻，增加故障線路 的零序電流，以正確選線。該方法的工作原理是：在系統處于正常狀 態下，利用該方法打開可控開關，中值電阻不會投入系統，中性點的 消弧線圈會對補償系統的容性電流進行跟蹤，但受感性電流和容性 電流基本相等影響，其方向相反；當有單相電弧性接地故障出現時， 受消弧線圈的補償作用影響，故障點的電流會快速減少，使得電弧 熄滅，故障消失；當出現永久性接地故障時，消弧線圈就會立即跟蹤 補償，系統穩定后，閉合可控開關讓中值電阻投入的時間縮短，促使 非故障線路和故障線路的零序電流相區別，方便選線。

4.結論

目前煤礦井下供電系統線路保護普遍面臨著速斷過流保護定值無法整定、失壓保護零時延、漏電保護無法實現比較、保護器功能不全及通訊能力差等多個難題，導致煤礦井下供電出現欠壓、漏電、過流、短路等故障，嚴重威脅井下供電其可靠性。尤其是廣泛存在的“越級跳閘”，它是影響煤礦井下安全供電的一個重要因素，對井下供電系統安全及可靠運行造成嚴重的威脅。

[1]盧喜山, 張祖濤, 李衛濤. 煤礦供電系統基于縱聯差動保護原理的防越級跳閘技術研究[J]. 煤礦機械, 2011, 32(4):71-73.

[2]毛衛清. 煤礦供電系統防越級跳閘技術應用探討[J]. 煤炭工程, 2013, 45(6):15-17.