煤礦供電系統防越級跳閘保護裝置的設計與研究

王 勇

(山西呂梁離石西山晉邦德煤業有限公司，山西 呂梁 033000)

0 引言

煤礦供電系統的穩定與否直接關系到礦井能否實現安全高效生產，而煤礦供電系統各類保護裝置的安全性、準確性、可靠性、快速性是否符合現場使用需求又直接關乎到其穩定性。盡管目前煤礦供電系統的各類保護裝置已十分齊備完整，然而由于煤礦井下條件十分惡劣且復雜多變，加上煤塵、巖塵、瓦斯、水等條件影響，現場作業空間較為狹窄，因此煤礦供電系統的越級跳閘故障經常發生。越級跳閘通常會越過一級造成整個采區發生停電事故，甚至直接越過多級造成地面變電所停電事故，最終使得井下供電系統全部失效。因此，對煤礦供電系統防越級跳閘保護裝置進行設計和研究具有重要意義。

1 防越級跳閘保護技術

目前，煤礦防越級跳閘保護技術有分站集中控制技術、通信級聯閉鎖控制技術、開關保護裝置監控技術、光纖縱差控制技術四種。

1.1 分站集中控制技術

該技術要求供電系統必須具備相應的分站裝置及配套的防越級跳閘開關。當供電系統出現短路時，首先分站的防越級跳閘開關會開始檢查，然后再將相關檢查信息傳遞給分站，分站針對檢查信息進行分析并發出命令，對短路現象附近的防越級跳閘開關進行控制。該控制技術要求分站與防越級跳閘開關之間必須具有極高的關聯性，如果這兩者發生通信問題，將會導致分站分析判斷錯誤，進而影響到防越級跳閘開關有效發揮作用，最終導致煤礦供電系統越級跳閘事故的發生，因此通信信號傳輸的穩定性能否得到保證是分站集中控制技術的關鍵。

1.2 通信級聯閉鎖控制技術

該技術是利用時間極差的縱向設置功能實現對各類開關的控制，再通過通信級聯閉鎖實現對時間極差的縱向設置的控制，從而達到防越級跳閘保護的目的。通信級聯閉鎖控制技術盡管能夠實現防越級跳閘保護，然而對其控制系統進行相應改造的工程量十分龐大，并且該控制技術對實時通信要求相對較高，若開關間通信發生延遲，也將導致越級跳閘事故的發生。

1.3 開關保護裝置監控技術

該技術是將井下各相關電氣設備納入監控系統，并將其各類開關保護裝置與監控系統連接，搜集各類數據，在此基礎上將監控數據與開關設定值進行分析比較，判斷供電系統短路位置及其情況，并通過地面監控系統對短路位置的上級開關進行控制。應用開關保護裝置監控技術時，地面監控系統采集相關數據所需時間通常為45 ms～120 ms，再對采集數據分析判斷并發出相應控制信號，而開關保護裝置啟動所需時間僅為20 ms，所以開關保護裝置監控系統啟動時間較長，地面監控系統還需要安裝特殊保護裝置。

1.4 光纖縱差控制技術

該技術是通過光纖信道將位于各段供電線路兩端的開關保護裝置連接到一起，并且兩端中的一端能夠接收到另一端的電氣量，該電氣量通常為電流、功率的方向，在對該電氣量進行分析對比后，判別該段線路故障位置是其內部或者是外部，并以此為依據發出跳閘與否的信號。絕對的選擇性是光纖縱差控制技術的一大特點，可以使得各級供電線路的保護功能無須在時間上互相配合，實現了全長供電線路的防越級跳閘保護。

2 防越級跳閘保護裝置設計

2.1 防越級跳閘保護裝置總體設計

本設計基于光纖縱差控制技術，利用點對點的光纖通信來進行數據傳輸，使各個開關量和高壓開關的模擬量都集中到集成保護測控裝置中，實現多端供電線路的光纖縱差控制。多端供電線路中的區域可看作是大節點，然后利用基爾霍夫(電路)定律對發生故障的位置進行分析，以保證聯絡線可靠不動作。

首先在地面至井下的供電線路中安裝合并單元，并在變電所進線的高爆開關中安裝智能保護裝置，以達到開關量和模擬量實現數字化的目的。然后再利用點點之間構成的光纖通信系統傳輸到光傳輸接口，并接收光傳輸接口傳輸的相應出口指令，實現開關的合閘和跳閘動作。與此同時，在與智能保護裝置所采集的數據進行整合之后，還可以傳輸到地面集控裝置中，通過地面集控裝置對數據進行邏輯分析運算，再通過光傳輸接口發出控制指令，以實現跳閘保護的功能。

2.2 防越級跳閘保護裝置具體布置

將智能保護裝置布置于晉邦德煤業井下供電線路以及地面10 kV供電線路中，將其所搜集數據統一傳送到集控裝置中，并要求保護裝置配置如下：①負荷線路中必須配置過流速斷保護；②在變電所母線中配置母線差動保護；③在變電所聯絡線中配置差動保護。

基于供電線路防越級跳閘保護裝置數字化改造總體設計，要求其硬件具有以下幾個方面的配置：①將礦用隔爆型光傳輸接口安裝在井下各變電所供配電線路中；②將礦用隔爆型智能保護器安裝在井下各變電所饋線保護以及電源進線保護中；③將地面至井下的供電線路保護器全部換成合并單元，使集控裝置能夠采集到井下高爆電壓和電流等相關數據，并具有邏輯分析運算以及出口端控制的功能。

要求其軟件具有以下幾個方面的配置：①將差動保護功能模塊以及小電流接地選線功能模塊配置到井下各變電所母線中；②將短路保護功能模塊配置到井下各變電所饋線中；③將光纖差動保護功能模塊配置到電源進線端口。

綜合上述配置情況，各個速動保護功能都有明確的目的并包含在全部煤礦供配電線路中，具有保護功能運用靈活的特點，在煤礦供配電線路中任意位置發生故障的情況下，保護裝置均可立即進行保護，并具有保護功能數字化的優點。

3 煤礦防越級跳閘保護實驗

3.1 防越級跳閘保護實驗裝置組成

圖1為煤礦防越級跳閘保護實驗裝置組成示意圖。將高壓出線開關K1安裝在10 kV供電線路開閉所中，將DMP5101型井下智能終端保護測控裝置安裝于該開關柜中，再連接4組礦用智能保護器，并分別將高爆開關K2、K3、K4、K5安裝在這4組礦用智能保護器中，高壓防爆開關末端連接高壓橡套電纜。在K1、K2、K3、K4、K5分別設置3個短路點D1、D2、D3，為安全起見，設置延時15 s的限時速斷過流保護功能于各供配電線路中。

3.2 防越級跳閘保護實驗結果分析

3.2.1 短路點D1兩相短路實驗結果

表1為短路點D1兩相短路實驗結果統計情況。

由表1分析可知：在高爆開關K1所布置的電纜末端發生兩相短路情況下，高爆開關K1和K2的光纖差動保護功能能夠及時且正確發生動作。

3.2.2 短路點D2兩相短路實驗結果

表2為在開關運行正常條件下短路點D2兩相短路實驗結果統計情況。

圖1 煤礦防越級跳閘保護實驗裝置組成示意圖

表1 D1兩相短路實驗結果統計情況

表2 開關正常時D2兩相短路實驗結果統計情況

由表2分析可知：升流器保護在飽和狀態下，高爆開關K3和K4的光纖差動保護功能能夠在60 ms之內正確發生動作，由此可以說明，光纖差動保護功能十分快速可靠，并且飽和程度不會對光纖差動保護功能的動作速度產生影響。

表3為在設定開關K3失靈的條件下短路點D2兩相短路實驗結果統計情況。

表3 開關K3失靈時D2兩相短路實驗結果統計情況

對表3進行分析可知：在設定高爆開關K3發生失靈情況的條件下，該套保護裝置的限時速斷保護功能能夠在215 ms之內及時發出動作，其他上級高爆開關未發生越級跳閘情況，高爆開關K2的后備保護功能能夠及時做出正確的動作。

3.2.3 短路點D3兩相短路實驗結果

表4為在開關運行正常條件下短路點D3兩相短路實驗結果統計情況。

表4 開關正常時D3兩相短路實驗結果統計情況

對表4進行分析可知：升流器保護有30 ms的飽和時間，該套保護裝置的速斷過流保護功能能夠在75 ms之內及時發出動作，高爆開關K5所在電纜末端有兩相短路情況發生時，其他上級高爆開關未發生越級跳閘情況，高爆開關K5的速斷過流保護功能能夠及時做出正確的動作。

表5為在設定開關K5失靈的條件下，短路點D3兩相短路實驗結果統計情況。

對表5進行分析可知：在設定高爆開關K5發生失靈的條件下，該套保護裝置的限時速斷保護功能能夠在210 ms之內及時發出動作，其他上級高爆開關未發生越級跳閘情況，高爆開關K4的后備保護功能能夠及時做出正確的動作。

表5 開關K5失靈時D3兩相短路實驗結果統計情況

4 結論

本文利用光纖縱差控制技術對煤礦供電系統防越級跳閘保護裝置進行設計，通過在晉邦德煤業現場實驗結果表明：該套防越級跳閘保護裝置運行可靠、改造成本低廉，可以滿足現場使用需求，并且能夠實現全站數據化功能，對保證礦井安全高效生產，實現礦井信息化、智能化建設具有重要的實踐意義，并能推廣到其他礦井供電系統的防越級跳閘保護改造中。