煤礦供電防越級跳閘保護系統的應用研究

谷文才

(平煤股份朝川礦,河南平頂山 467000)

煤礦供電防越級跳閘保護系統的應用研究

谷文才

(平煤股份朝川礦,河南平頂山 467000)

煤礦井下供電目前存在速斷過流保護定值無法整定、漏電保護難實現比較等難題,導致漏電、短路等故障發生頻繁,嚴重威脅供電可靠性。尤其廣泛存在的“越級跳閘”問題,是影響煤礦井下可靠供電的一重要因素。本文分析了煤礦供電防越級跳閘保護系統原理,并提出了解決應用方案,實現了保護的選擇性和快速性,有效地避免了多次越級跳閘的發生,具有較高的使用價值和廣闊的應用前景。

越級跳閘 可靠性 無人值守 數字式 快速性

我國煤礦井下電網大多采用短電纜組成級數較多的輻射狀的干線式級聯網絡,實際運行中,由于綜采工作面工作條件較差、環境比較惡劣,電纜在回采過程中來回拖拽,容易受損。一旦電纜受損就可能造成電纜絕緣擊穿而形成相間短路,引起電網短路故障。由于井下配電回路阻抗較小,通常下級回路發生短路故障時,短路電流比較大,超過上級速斷保護裝置電流整定值,使上級速斷保護裝置動作而造成越級跳閘,情況嚴重的甚至會越過多級。越級跳閘無疑會增大停電范圍,嚴重影響煤礦安全生產,因此,井下越級跳閘的防治工作十分重要。

圖2 分布式區域保護正常動作

圖3 斷路器拒動時的分布式區域保護

表1 防越級跳閘技術對比表

1 常見防越級跳閘保護原理

目前常見的防越級跳閘保護原理主要有以下幾種：

(1)電流差動。差動保護是根據“電路中流入節點電流的總和等于零”原理制成的。差動保護把被保護的電氣設備看成是一個接點,那么正常時流進被保護設備的電流和流出的電流相等,差動電流等于零。當設備出線故障時,流進被保護設備的電流和流出的電流不相等,差動電流大于零。當差動電流大于差動保護裝置的整定值時,保護動作,將被保護設備的各側斷路器跳開,使故障設備斷開電源。差動保護原理簡單、使用電氣量單純、保護范圍明確、動作不需延時。電流差動保護需要專用通道。電流差動保護只適用于少數節點差動,無法解決開閉所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)系統判別法。系統判別法的實現以電力監控系統為基礎。發生短路故障時,流過短路電流的節點上報故障信息,由監控系統對運行方式和拓撲結構進行故障點判別,然后再下發命令使離故障點電源側最近的開關跳閘。系統判別法依賴于電力監控系統,實現成本較低。但通信實時性難以保證,實現0秒(或小于35ms)速斷保護比較困難,難以滿足相關繼電保護標準和規程要求。

(3)集中式保護。集中式保護采用數字化變電站技術,系統內各綜保通過傳輸接口實時上送采樣值。由安裝于地面的高性能保護器進行采樣變換和故障識別。集中式保護需要高覆蓋率的高速、專用傳輸通道,實現成本很高。

(4)總線通信法。總線通信法采用CAN等工業總線實現相關節點的故障信息交換,故障時動態決定跳閘優先級。總線通信法實施成本低。但總線傳輸速率受限,存在多節點競爭,工業環境下易受干擾等問題,通信實時性和可靠性缺乏難以保障。

2 分布式區域保護

結合以上分析,在工作實際中采取分布式區域保護。本方案采用分布式區域保護原理。區域保護的基本思想為：使各級保護建立信號聯系。當任何一級保護在檢測到短路故障時,迅速發出閉鎖信號,閉鎖其上一級保護,以將故障鎖定在最小跳閘范圍內。當斷路器失靈時,上級保護可快速動作;母線故障可實現快速跳閘。區域保護適用于分支較多的配電網,解決保護時間級差無法配合問題。對于同一變電站或開閉所內,區域保護信號傳遞可采用硬接線開入開出方式實現,也可采用基于工業以太網的IEC 61850 GOOSE報文交換方式。前者造價低,設計施工均簡單。后者性能突出,有利于簡化電纜,改造時占用喇叭嘴數量、9芯端子數量少,易于實施。

分布式區域保護與其他防越級跳閘技術對比,具有成本低,可靠性高,可實施性強,易于維護等特點。具體如表1。

2.1 分布式區域保護動作性能分析

分布式區域保護采用突變量作為啟動判據,動作靈敏。現以圖1為例,對保護動作性能進行分析(如圖2)。

假設出線1發生相間短路,記時刻t0=0。進線和出線保護均感知故障電流,突變量啟動判據成立,發出區域保護信號,耗時5ms,記t1=5ms。區域保護聯絡信號傳送到對側耗時約10ms,記t2=15ms。進線保護在速斷出口前,收到出線1的故障聯絡信號,關閉跳閘出口。由于出線1保護沒有收到任何聯絡信號,在t3=35ms時刻速斷保護出口,切除故障線路。故障切除后,撤除向進線發送的聯絡信號。

分布式區域保護還對出現較頻繁的6/10kV斷路器拒動情況進行了考慮。目前6/10kV真空斷路器跳閘時間約50～60ms,考慮可靠切除短路電流等因素,動作于跳閘的保護,在發出跳閘命令110ms后如果故障電流仍未消失,則認為是斷路器拒動,保護器主動撤除上送的聯絡信號。收到聯絡信號的保護,則啟動一個285ms

(160+110+15)的聯絡信號自動解除計時,作為后備保護。如圖3所示。

2.2 分布式區域保護裝置

DS-200數字化保護測控裝置和DSKJ-600高開綜合保護器采用了專利技術的分布式區域保護技術,分別用于井上和井下6/10kV系統,徹底實現防越級跳閘。DS-200數字化保護測控裝置采用PowerPC+DSP雙處理器架構,具有2路IEC 61850 GOOSE通信接口,2路硬接線閉鎖信號輸入接口,2路硬接線閉鎖信號輸出接口。該系列裝置通過了國家繼電保護及自動化設備質量監督檢測中心的IEC 61850規約一致性檢測,已廣泛應用于智能電網改造和建設工程。DSKJ-600高開綜合保護器通過了國家認定的防爆檢測機構檢驗,取得了防爆合格證,可用于具有甲烷或煤塵爆炸危險的礦井。井下保護器采用DSKJ-600高開綜合保護裝置。該型號裝置基于高性能MPC 8313 高性能PowerPC架構開發,采用VxWorks實時操作系統。具有2路IEC 61850 GOOSE通信接口,2路本閉鎖信號輸入接口,1路本安閉鎖信號輸出接口。該裝置通過了國家安全生產重慶礦用設備檢測檢驗中心的檢測,取得了防爆合格證。

[1]李晶,路文梅.供電系統繼電保護[M].北京：中國電力出版社,2008．

谷文才,1986年3月出生,2007年參加工作,助理工程師,工作單位平煤股份朝川礦。