光纖差動保護在防越級跳閘中的應用研究

賈云勝

（霍州煤電集團悅昌項目部，山西 霍州 031400）

煤礦供電系統穩定是保證礦井正常生產的重要條件之一，受地下開采條件影響，礦井采用三級供電系統，由地面變電所延伸至中央變電所后再延伸至各個采區變電所，礦井特殊的工作環境決定其垂直多層級的供電模式[1-2]。這種供電模式下的配電網結構單一、相互之間影響程度高、輸送距離短極容易發生越級跳閘事件[3]。例如：在配電網的某段電路一處發生短路故障并且母線開關檢測到故障的發生，而由于礦井地面變電所設置的電路短路保護時間定值小，母線開關可能先于井下饋線開關動作，發生越級跳閘事故，導致井下大范圍停電，從而影響礦井的正常生產，因此，研究礦井防越級跳閘技術對礦井的安全生產具有重要意義。

1 越級跳閘原因分析

越級跳閘現象是當供電系統出現短路故障時，非故障電路開關跳閘導致正常電路斷電，停電范圍擴大的現象。導致礦井供電系統出現越級跳閘現象主要因素包括以下5種：

（1）繼電保護原因。井下供電線路多屬于1～3km的短線路供電，由于短線路供電中的各個線路之間的電流相差小，線路的電流值不可以當做區分供電線路正常區與非正常區的標準，因此，與常規保護相比，井下供電系統采用逐段延時跳閘的手段對過流進行保護更為合適。該手段由于保護級數多、延遲較長，極容易造成整個供電系統的延遲時間比短路保護規定時間長，線路開關動作時間大于時間級差，饋線開關不能及時動作。因此，在過流故障產生，系統母線開關在同一時間進行保護跳閘措施時，發生越級跳閘現象。

（2）開關電源原因。大部分礦井井下使用的防爆開關電源是開關主回路，而沒有裝備專用電源，因此，在主回路發生諧波、失壓、三相不平衡、短路等情況時，起保護與控制作用的電源同樣處于故障狀態，不能正常進行供電，從而引發開關拒動或者誤動，造成越級跳閘現象。

（3）失壓保護方式的原因。礦井使用的高低壓開關柜均安裝有失壓脫扣器，以避免線路帶負載供電。失壓脫扣器在供電電壓值為額定電壓的65%以上時能夠吸合，在其值為額定電壓的35%以下時，能夠可靠斷開，然而，當其值處于35%～65%之間的時段為不可靠工作段，失壓脫扣器迅速執行機械速斷動作。造成設置的過流延時保護作用失效，從而產生越級跳閘現象。

（4）線路電壓波動的原因，在礦井供電系統中，大型設備的啟動、接地、外界因素的干擾等均可以造成線路電壓瞬間波動，當其波動后的電壓值處于額定值的65%以下時，失壓脫扣器動作致使開關失壓保護跳閘。

（5）電氣干擾的原因，由于礦井井下潮濕，環境差，且軟啟動和變頻設備使用情況多，因此，配電網中的浪涌現象和諧波現象均會對線路造成一定的干擾，導致越級跳閘現象的出現。

2 越級跳閘的解決方案應用對比分析

2.1 電氣閉鎖方案

由于井下供電環境差，且干擾因素較多，因此不能保證需要閉鎖信號遠距離穩定傳輸，從而造成拒動或者誤跳的結果。由于電氣閉鎖電纜接線方式的設計一般按照1條進線與多條出線的方式，但礦井供電是雙回路供電，在檢修或正常運行中，兩條進線會出現分列、并列的方式，所以，需要根據實際的供電方式對線路間的閉鎖關系進行動態變更。因此，受限于復雜的線路布置，造成施工困難，且最后在閉鎖裝置發生故障后，維修相對困難，因此，電氣閉鎖方案在應用過程中缺乏實用性。

2.2 分站集中控制方案

分站集中控制方案需要建立分站，通過分站與控制區域內的帶防越級跳閘功能的開關建立起牢靠的通信。當控制區域某處線路出現短路，開關會將監測到的故障信號傳送至分站，而后，根據預先設置的供電網絡拓撲，分站能自動識別出距故障地點最近的開關，最后，分站發出跳閘信號，目標開關自動跳閘。基于上述分析可知：分站控制方案對分站與開關之間的通訊要求比較高，一旦系統的通訊出現故障，就會發生錯誤識別，從而造成開關誤動，因此，該種防越級跳閘方式在礦井實際應用中沒有得到推廣。

2.3 數字化變電站方案

數字化變電站方案是將井下高開與地面變電站保護器之間的電氣信息利用光纖通訊介質傳送至綜合單元，綜合單元利用所傳送信息中的故障信息判斷出現故障的地點，并實現開關跳閘。由于井下高開保護器屬于本安型防爆設備，且國家有關部門規定，高壓開關保護器為開關內部器件，在沒有檢測的情況下禁止更換，因此，做到井下高開與地面變電站保護器之間統一具有難度。

2.4 光纖電流差動保護方案

光纖電流差動保護是近幾年供電線路保護中發展最為快速的保護方式。該保護方式中兩端信號利用光纖介質實現傳輸，對供電線路內外部電流依據基爾霍夫電流定律進行可靠有效判斷，對篩選故障線路起決定作用。由于該保護技術具有可靠、準確的優點，因此，在礦井防越級跳閘保護中得到廣泛應用。

3 光纖電流差動保護技術工程應用

3.1 光纖電流差動保護設計

霍州煤電集團悅昌項目部針對因線路短路問題導致的礦井高壓線路越級跳閘的情況，高開綜保裝置選擇ZKJB-2000新型綜保裝置，并利用光纖電流差動保護、三段式過流保護及32位DSP芯片等技術，對礦井上級、下級配電范疇內的多臺高壓開關保護器建立起縱向通訊網絡，能在短路故障發生后迅速識別出故障區域，而后對故障附近處開關迅速完成跳閘動作，從而防止越級跳閘情況的發生，保證供電系統的穩定、高效。除此之外，ZKJB-2000新型高開綜保裝置內部設置有自動識別算法，當聯絡開發狀態發生改變的時候，出線開關會及時對上級傳送的開關狀態進行診斷，同時自動建立差動保護算法，從而大大提高防越級跳閘保護系統在不同供電模式中的適應性。

3.2 工程應用

光纖電路差動保護裝置的防越級跳閘功能的實現是建立在通訊的基礎上，裝置設計以CAN2.0為通信接口，開關通訊以獨立電纜為介質實現，站站之間以光電轉換后的光纜實現通訊聯絡，提高了系統的抗干擾能力及可靠性。由于該系統中開關間的電纜連接施工比較方便，且對高開防爆設計不需重新整合，因此，保護設計較為簡單。所有高開保護器中均設有故障自動識別算法，從而保證發生獨立開關故障時不會對大面積開關設備產生嚴重影響。

（1）同一個變電站內開關間信號傳輸的聯機方式采用縱差式，ZKJB-2000新型綜保裝置縱差式聯機通信的實現采用屏蔽雙絞電纜，聯機方案設計如圖1所示。

圖1 同站內縱差保護聯機方案

（2）不同變電所站間的上下層之間的通信采用光纖縱差聯機方案，該方案的抗干擾功能強，且傳輸性能可靠，方案的實施需要在變電所之間的所有站內安裝1部光纖數據接口以保證信息傳輸的可靠（如圖2所示）。

圖2 站站之間縱差保護聯機方案

（3）將具有監測及維護作用的分站安裝在中央變電所內，此分站具有監測網絡中所有開關的網絡通訊情況、光電轉換、光纖數據接收、發出的功能，同時具有遠程維護保護器運行參數、對報警進行記錄、查詢的作用。

4 結語

（1）通過對比各種防越級跳閘的解決方案，可知光纖電流差動保護方案具有可靠、準確的優點，且該保護易于操作，設計簡單，適合在煤礦工作環境中應用。

（2）ZKJB-2000新型高開綜保裝置能在短路故障發生后迅速識別出故障區域，而后對故障附近處開關迅速完成跳閘動作，從而防止越級跳閘情況的發生，保證供電系統的穩定。