區域保護技術在防越級跳閘系統中的應用

王曉磊，魏 紅

(1.山西省同煤集團機電管理處， 山西 大同市 037003；2.山西省同煤集團馬脊梁礦， 山西 大同市 037027)

煤礦安全生產技術一直受到廣泛的關注，與煤礦瓦斯治理技術的發展相比，井下安全供電技術已明顯滯后，供電故障造成的瓦斯超限事故對礦井安全構成了嚴重威脅，輕則生產中斷，重則發生人員傷亡事故。

煤礦供電系統普遍存在級聯層次深、供電半徑短、電纜線路多、定值配合難等特點，這就直接誘發了越級跳閘故障。這種情況下首末端故障電流難以區分保護范圍，短路保護配合延時無法整定，導致保護沒有選擇性。系統末端產生的短路電流，可造成上下多級開關保護同時動作，使故障范圍擴大，造成不必要的停電[1]。停電范圍的擴大又導致故障排查工作量加大，使故障停電時間延長，嚴重威脅礦井安全。因此，研究煤礦供電的防越級跳閘系統迫在眉睫。對此，本文提出采用區域保護技術，并基于此開發出區域保護裝置，解決僅依據故障電流無法區分保護范圍、上下級時限配合等難題，從而消除越級跳閘現象。

1 區域保護原理

區域保護的原理是讓各級保護之間通過信號傳輸進行聯系[2]。無論系統中哪一級保護發生短路時，都會立即向上一級發送信號，將其閉鎖；如果斷路器發生故障時，上級保護立即做出反應，從而使母線達到快速跳閘的目的。這樣就可以把短路故障最終確定在較小的區域內。

傳統的“點保護”之間是靠短路電流和時間級差配合，僅根據自身信息對發生的故障進行判斷，而“區域保護”之間是靠通訊配合，根據區域內所有相關信息對故障進行綜合判斷[3]，更適用于供電半徑短、電纜線路多的煤礦供電系統。

當某一出線產生短路電流時，故障線路和其相應進線的繼電保護電流元件啟動，出線保護發出閉鎖信號，進線保護收到信號后將跳閘出口關閉，出線保護發出跳閘信號，斷路器斷開，出線開關跳閘[4]；隨后，出線保護識別到故障電流消失，將閉鎖信號撤回，進線保護的跳閘功能隨即恢復，實現故障排除；如果出線開關不動作，故障電流仍然存在，出線保護延時100 ms確認斷路器不起作用后撤除閉鎖信號，進線保護出口恢復，斷路器跳開，達到失靈保護的目的；如果母線發生短路，出線沒有故障電流，進線斷路器跳開，實現故障排除[5]。

以1#、2#開閉所聯絡線為例，說明區域保護工作原理(見圖1)。

系統正常運作期間，各級開關均閉合，限時過流保護時間整定為100 ms，假設t=0時，出線側發生短路故障；t=20 ms時，CB4開關保護識別出短路電流，隨即發出信號將上級開關CB3閉鎖，通訊延時和程序延時總和不超過80 ms，同樣，CB3閉鎖CB2，CB2閉鎖CB1；t=100 ms時，未閉鎖的CB4出口斷開，開關動作時間不超過100 ms；t=200 ms時， CB4開關處于跳閘狀態，短路電流消失，隨即發出信號將上級開關CB3閉鎖解除，同樣，CB3將CB2閉鎖解除，CB2將CB1閉鎖解除。

2 區域保護裝置

區域保護裝置如圖2所示，DSP插件的作用是采集和處理本地開入信號，通過光網絡進行信號交換，依據收到的信號指令來決定本機的輸出動作，是該裝置的重要組成部分。

圖1 區域保護工作原理

圖2 區域保護裝置

DSP插件上包括14路開關量輸入回路，2路脈沖量輸入回路和通訊接口。開關量輸入為220 V或110 V或24 V直流電，端子n215為開入公共端，與開入電源的負端相連，其中端子n201～n205安裝有兩級光隔，能夠直接使得繼電器動作，端子n206～n214安裝有一級光隔，與DSP總線相連。端子n218為脈沖量公共端，2路脈沖量可以采集有功和無功功率。

3 區域保護通信裝置

變電站之間的區域保護信號傳遞是通過區域保護通信裝置來實現的，通信裝置原理如圖3所示。區域保護通信裝置的2路開入在邏輯上是相或關系，也就是說無論哪個開入發出閉鎖信號都是有效的；另外，該裝置的2路開出在數據校驗和地址匹配無誤的情況下，只要收到閉鎖信號，就可以將其傳送到遠端目標裝置的出口。

本裝置最多可以容納16個設備串聯在同一組網上，通過單環光纖網絡進行信息交換，并且能夠在不影響通訊性能的前提下設置多個上級，組網如圖4所示。4臺設備A、B、C、D可以分別設置本機地址和目標地址，構成網絡上的上下級關系，例如： A的目標地址設置為 B的本機地址，而 B的目標地址設置為 C的本機地址， C的目標地址設置為 D的本機地址， D的目標地址與 A、B、 C、 D的本機地址都不同。這樣就可以實現A向B發送閉鎖信號，B向C發送閉鎖信號，C向D發送閉鎖信號，D為網絡的最高級設備，A為網絡的最低級設備。

圖3 區域保護通信裝置

圖4 區域保護通訊模塊組網

4 結 語

煤礦供電系統短路一般發生在末端，安裝區域保護裝置后，能夠有效消除越級跳閘現象，停電時間由每次2 h縮短至每次5 min。按年產量200萬t中等規模礦井計算，平均每年因故障停電8次，產量減少3653 t。按每噸500元計算，則每年可為企業減少183萬元的經濟損失。在實際應用中，區域保護技術能夠準確識別故障段，消除長期困擾煤礦的越級跳閘問題，大幅提高了煤礦供電可靠性，具有良好的經濟和社會效益。

參考文獻：

[1]喬記陽.基于CAN總線的煤礦井下防越級跳閘系統的研究[D].焦作：河南理工大學,2010.

[2]王相君.煤礦電網分布式區域保護的應用[J].同煤科技,2014(3):22-24.

[3]劉華峰.基于區域保護技術的井下防越級跳閘方案[J].能源與節能,2015(10):157-158.

[4]王長春.500 kV主變壓器繼電保護若干問題研究[D].北京：華北電力大學,2009.

[5]西安供電局.一種開閉所分布式站域保護方法：中國專利，2010102225622[P].2010-11-24.