防越級跳閘保護器在煤礦井下供電系統的應用

董建文

(大同煤礦集團 浙能麻家梁煤業有限責任公司，山西 朔州 036002)

穩定的供電系統是煤礦安全的重要組成部分，安全供電的基礎是各種保護裝置齊全、可靠、靈敏，滿足穩定性、快速性、準確性的要求。雖然各種保護齊全，但是由于煤礦井下環境惡劣，工作空間狹小，存在煤塵、瓦斯、水等物質，越級跳閘事故時有發生。越級跳閘事故輕則越過一級導致一個采區停電，重則越過多級直至地面變電所，導致整個井下供電系統癱瘓。事故的發生嚴重威脅井下作業人員的安全，必須采取有效的防范措施。

1 防越級跳閘方法

1) 光纖縱差保護防越級跳閘。上下級間采用光纖縱差保護裝置，保護范圍固定，區外故障時電流速斷保護動作，區內故障時可無延時迅速切除。

該保護基于“電路中流入節點電流的總和等于零”原理，原理簡單、使用電氣量單純、保護范圍明確、動作不延時，能快速、可靠地切除故障。缺點是必須具有專門的光纖通信通道，不能解決開閉鎖多出線與多進線間的保護配合問題，多層級差動復雜性和成本也過高。

2) 接點閉鎖防越級跳閘。煤礦井下出現短路故障時，同一電源線上各級保護均啟動，下級保護在本級啟動時通過繼電器接點向上級保護發送閉鎖信號，閉鎖上級保護不動作。

該保護方法邏輯簡單，通過逐級閉鎖可在一定程度上實現瞬時速斷和保護選擇性，達到防越級跳閘目的。缺點是井下供電網絡級數較多時，繼電器接點傳輸距離變長，閉鎖回路接線復雜，傳輸可靠性低。同時需要敷設大量閉鎖信號電纜，投資及維護量大，可靠性差。

3) 集控式防越級跳閘。在每個變電所安裝獨立的集中式電流保護分站，不同變電所的分站通過光纖連接。分站與變電所內的保護裝置建立通信聯系，當某條線路出現故障時，各分站收集保護裝置檢測到的故障信息，根據線路級聯關系確定故障級后，對故障級保護裝置發出跳閘指令，實現故障有選擇性切除。

集控式防越級跳閘由分站集中判別故障并下達跳閘指令，一定程度上可實現瞬時速斷和保護選擇性，達到防越級跳閘目的。其缺點：a) 一旦分站網絡中斷或分站出現故障，會使整個區域防越級跳閘保護判別失效，引起越級跳閘。b) 適應性差，后期維護成本高。如分站區域內供電網絡發生變化時，需要重新設置分站的線路級聯關系模型和防越級跳閘判別邏輯，而分站更新程序不但存在安全隱患，而且受制于分站廠家，增加了維護成本。

2 XRKJ-600分布式防越級跳閘保護器

2.1 工作原理

該系統基于自適應保護原理，對上下級供電系統進行母線編號，區分開關的上下級供電關系。當某一級發生短路時，本級保護動作，同時發送保護閉鎖信號至上級保護裝置，使上級保護封閉自身保護出口，實現本級開關保護優先動作；下級故障解除，收到解除信號后開放保護出口；下級開關發生拒動時，上級保護超過設置的保護延時后，自動解除閉鎖開放保護出口，實現跳閘。根據現場實際運行方式自動調整保護策略，在供電系統由最小運行方式改變為最大運行方式后，無需更改保護定值，不會影響越級跳閘防護效果。

2.2 系統特點

XRKJ-600分布式防越級跳閘保護器采用分布式區域保護，保護裝置利用本間隔單元和相鄰間隔單元的故障信息(電流越限、故障電流分量方向等)和電網拓撲結構信息(開關狀態等)，依據內外部故障的信息特征，就地準確定位故障位置，快速切除故障區域；保護器具有測控、保護、顯示、通訊、故障原因追憶的功能，既可保護本間隔電氣元件，又可通過信息交互了解自己在整個供電系統中的位置，提供面向整個供電系統的保護，摒棄了只對線不對面的保護方式，提高了系統整體供電的安全性和可靠性。

3 應用實例

3.1 概 況

麻家梁煤礦供電系統由地面變電所、井下中央變電所、東采區1#變電所、東采區3#變電所、西采區1#變電所、西采區2#變電所、東機頭大巷變電所及西機頭大巷變電所構成。采用XRKJ-600分布式防越級跳閘保護器進行供電保護，根據上下級母線編號構成供電系統圖，確定線路開關所屬關系，當某條線路檢測到保護啟動時，通過以太網的IEC 61850 GOOSE通訊傳輸信息到閉鎖其上級線路開關，在其上級開關收到閉鎖信號后，自身閉鎖保護，同時向自身的上級線路開關發送閉鎖保護信號，逐級向上傳輸，傳輸時間在10～30 ms；在發送閉鎖信號的同時，檢測到保護啟動的開關準備保護動作，如果這時檢測保護信號返回，逐級發送解鎖保護信號。電力調度監控系統圖見圖1. 防越級系統測試模擬系統主接線圖見圖2.

圖1 電力調度監控系統圖

圖2 防越級系統測試模擬系統主接線圖

變電所間隔名稱閉鎖情況時間備注東采區3#變電所中央變電所地面110kV變電站10#3#水泵02#二回進線10#02#二回進線428下井線至中央變二回進線發短路保護閉鎖至東采區3#變02#高開解除至東采區變02#高開短路保護閉鎖發短路保護閉鎖至中央變10#高開解除至中央變10#高開短路保護閉鎖接收東采區3#變電所變08#高開閉鎖接收東采區3#變電所變08#高開開放發短路保護閉鎖至中央變02#高開解除至中央變02#高開短路保護閉鎖接收東采區3#變電所變02#高開閉鎖接收東采區3#變電所變02#高開開放發短路保護閉鎖至地面變428開關解除至地面變428開關短路保護閉鎖接收中央變10#高開閉鎖接收中央變10#高開開放接收中央變02#高開閉鎖信號(XRKJ-600-T簡化裝置閉鎖接點打開,保護出口被閉鎖),164ms后井下故障消失,裝置閉鎖接點返回,原保護跳閘回路接通2018年12月24日17時43分33秒656毫秒2018年12月24日17時43分33秒818毫秒2018年12月24日17時43分33秒656毫秒2018年12月24日17時43分33秒820毫秒2018年12月24日17時43分17秒656毫秒2018年12月24日17時43分33秒818毫秒2018年12月24日17時43分33秒660毫秒2018年12月24日17時43分33秒825毫秒2018年12月24日17時43分17秒658毫秒2018年12月24日17時43分33秒820毫秒2018年12月24日17時43分33秒664毫秒2018年12月24日17時43分33秒826毫秒2018年12月24日17時43分17秒660毫秒2018年12月24日17時43分33秒820毫秒2018年12月24日17時43分33秒660毫秒2018年12月24日17時43分33秒824毫秒閉鎖相對時間162ms閉鎖相對時間164ms被閉鎖相對時間162ms閉鎖相對時間164ms被閉鎖相對時間162ms閉鎖相對時間162ms被閉鎖相對時間162ms被閉鎖相對時間164ms

3.2 防越級跳閘試驗

XRKJ-600分布式防越級跳閘保護器投入后，進行了越級跳閘試驗，試驗數據見表1，表2. 由表1，2可知，事故發生后，短路電流達2 000 A，而東采區3#變電所8#高開、3#水泵速斷整定值為400 A，東采區3#變電所02#高開進線速斷整定值為800 A，中央變10#高開出線速斷整定值為800 A，中央變02#高開進線速斷整定值為1 800 A，該級聯供電線路的速斷保護整定值都小于短路動作定值；而東采區3#變電所02#高開、中央變10#高開、中央變02#高開、428開關均未跳閘，此時，系統防越級跳閘功能啟動，只有東采區3#變電所10#高開短路保護動作，速斷跳閘，本級變電所高壓開關柜總控開關及上一級變電所高壓開關柜配出開關均沒有跳閘。

表2 各級保護動作情況記錄表

4 結 語

XRKJ-600防越級跳閘保護器考慮了引起越級跳閘的多種因素，通過保護設備間的信息傳輸，就地診斷，準確定位、可靠性高、故障切除時間快，實現了全保護區域的越級跳閘防護，能夠有效預防煤礦供電系統越級跳閘事故。