分布式高開綜保裝置在礦井中的應(yīng)用

魏少華

（同煤集團(tuán)忻州窯礦，山西 大同 037000）

井工煤礦特別是現(xiàn)代化煤礦， 機(jī)械化程度高，采掘機(jī)運(yùn)通、監(jiān)測(cè)監(jiān)控、礦井排水等相關(guān)系統(tǒng)都離不開電力。 穩(wěn)定的供電系統(tǒng)對(duì)礦井生產(chǎn)和安全至關(guān)重要[1-2]。 但由于礦井電力系統(tǒng)具有復(fù)雜性和關(guān)聯(lián)性，井下作業(yè)環(huán)境惡劣，機(jī)械電氣設(shè)備負(fù)載大，容易導(dǎo)致故障，所以，井下各級(jí)電力系統(tǒng)都設(shè)有斷路器保護(hù)功能。 即便如此，由于各級(jí)短路保護(hù)裝置參數(shù)和保護(hù)方式不同，以及系統(tǒng)存在故障等原因，仍有可能導(dǎo)致越級(jí)跳閘現(xiàn)象的發(fā)生；跳過一級(jí)甚至多級(jí)導(dǎo)致礦井大面積停電，對(duì)礦井生產(chǎn)和安全造成重大影響[3-4]。 為解決這個(gè)問題，本文討論越級(jí)跳閘的防范方法，提出安裝防越級(jí)跳閘保護(hù)器的方法，并在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行了試驗(yàn)。

1 越級(jí)跳閘原因

越級(jí)跳閘是指在電力系統(tǒng)出現(xiàn)短路及漏電故障時(shí)，本級(jí)系統(tǒng)優(yōu)先斷路器因故沒有動(dòng)作，越過一級(jí)甚至幾級(jí)由其他斷路器動(dòng)作來切除故障的現(xiàn)象。越級(jí)跳閘導(dǎo)致沒有故障的區(qū)域由于上級(jí)電力系統(tǒng)短路保護(hù)而出現(xiàn)斷電， 對(duì)正常生產(chǎn)和安全產(chǎn)生影響。 越級(jí)跳閘的原有主要有一下幾個(gè)方面：

1.1 開關(guān)故障

同級(jí)保護(hù)開關(guān)拒跳，例如由于電氣開關(guān)回路故障、接地異常、機(jī)械故障等導(dǎo)致開關(guān)拒跳；保護(hù)拒動(dòng)，由于交、直流回路故障或漏電保護(hù)器內(nèi)部故障導(dǎo)致保護(hù)拒動(dòng)。

1.2 保護(hù)整定不當(dāng)

一般而言上級(jí)斷路器的保護(hù)整定值或整定時(shí)間要高（大）于下級(jí)斷路器，否則會(huì)造成保護(hù)動(dòng)作不正常。

1.3 熔斷器故障

熔斷器與被保護(hù)電路或設(shè)備不匹配會(huì)導(dǎo)致下級(jí)電力系統(tǒng)保護(hù)失效；上級(jí)電力系統(tǒng)熔斷器熔體使用時(shí)間過久導(dǎo)致熔體氧化以及熔體安裝時(shí)受損導(dǎo)致截面過小，均會(huì)導(dǎo)致運(yùn)行過程中發(fā)生誤斷。

2 常規(guī)防越級(jí)跳閘措施

2.1 分站集中控制式

分站集中控制方式可以避免越級(jí)跳閘事件的發(fā)生。 使用這種方法必須保證系統(tǒng)內(nèi)有適宜的分站設(shè)計(jì)，并且與防越級(jí)跳閘開關(guān)相匹配，其控制過程為：當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)短路故障時(shí)，防越級(jí)開關(guān)首先對(duì)故障進(jìn)行檢測(cè)，并將檢測(cè)結(jié)果發(fā)送給分站，由分站進(jìn)行判斷并給出指令，本級(jí)斷路器響應(yīng)，實(shí)現(xiàn)防越級(jí)跳閘。

2.2 通信級(jí)聯(lián)閉鎖

通信級(jí)聯(lián)閉鎖防越級(jí)跳閘技術(shù)是通過縱向設(shè)置時(shí)間極差的方式來對(duì)各級(jí)開關(guān)進(jìn)行控制的防越級(jí)跳閘方法。 該方法利用通信線路將各級(jí)開關(guān)級(jí)聯(lián)，設(shè)置通信等待時(shí)間和閉鎖時(shí)間。 當(dāng)系統(tǒng)中出現(xiàn)短路時(shí)，保護(hù)開關(guān)對(duì)短路電流進(jìn)行檢測(cè)并將信號(hào)向上下級(jí)傳輸，在等待時(shí)間內(nèi)不斷電同時(shí)向上級(jí)開關(guān)發(fā)送閉鎖信號(hào)，則在等待時(shí)間內(nèi)只有發(fā)生故障一級(jí)的開關(guān)沒有收到閉鎖信號(hào)（其下一級(jí)開關(guān)沒有發(fā)送閉鎖信號(hào)）， 這樣就可以確定短路故障發(fā)生在哪個(gè)層級(jí)，并選擇立即斷電，實(shí)現(xiàn)防止越級(jí)跳閘。

2.3 基于保護(hù)器的網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測(cè)

網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測(cè)就是通過監(jiān)測(cè)設(shè)備對(duì)地面電力系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，通過網(wǎng)絡(luò)將所有開關(guān)保護(hù)器相連，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，利用開關(guān)定值比較的方法判斷短路故障的位置；然后監(jiān)測(cè)設(shè)備向故障位置的上一級(jí)開關(guān)發(fā)送斷電指令，防止越級(jí)跳閘。

2.4 縱聯(lián)差動(dòng)保護(hù)

縱聯(lián)差動(dòng)保護(hù)是將每個(gè)電力系統(tǒng)兩端的保護(hù)開關(guān)利用信道進(jìn)行連接，對(duì)接收到的電氣量進(jìn)行比較以判斷故障是發(fā)生在系統(tǒng)內(nèi)還是系統(tǒng)外，如果發(fā)生在系統(tǒng)內(nèi)，則進(jìn)行上一級(jí)開關(guān)斷電，若發(fā)生在系統(tǒng)外則進(jìn)行閉鎖保護(hù)，防止越級(jí)跳閘。

2.5 存在問題

以上四種措施均需要對(duì)原有系統(tǒng)通過站內(nèi)或站間進(jìn)行光纖（電纜）輻射、連接或增加分站等方式進(jìn)行改造，受制于礦井惡劣的生產(chǎn)環(huán)境，導(dǎo)致改造工作困難、成本上升等；個(gè)別措施仍然存在保護(hù)死區(qū)問題，如縱聯(lián)差動(dòng)保護(hù)方案，母線故障仍然會(huì)導(dǎo)致越級(jí)跳閘。 因此基于設(shè)備運(yùn)行維護(hù)復(fù)雜性、系統(tǒng)穩(wěn)定性、與原系統(tǒng)的契合度等方面進(jìn)行考慮，以上方案均存在一定的弊端。

3 分布式高開綜合保護(hù)器

3.1 設(shè)備概況

分布式高開綜合保護(hù)器是在礦井供電系統(tǒng)長期研究的基礎(chǔ)上，為了解決供電系統(tǒng)越級(jí)跳閘而研發(fā)的智能綜合網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。 該裝置集成了電力保護(hù)、測(cè)量、控制和監(jiān)測(cè)等功能，具有配置靈活、功能齊全和抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)， 與防爆高壓開關(guān)配合，廣泛應(yīng)用于礦井供電系統(tǒng)的安全保護(hù)。

3.2 運(yùn)行原理

分布式高開綜合保護(hù)器是利用自適應(yīng)保護(hù)原理設(shè)計(jì)的。 其通過對(duì)各級(jí)系統(tǒng)的母線進(jìn)行編號(hào)，通過不同的編號(hào)可以判斷開關(guān)之間的上下級(jí)關(guān)系。 當(dāng)系統(tǒng)中出現(xiàn)短路故障時(shí)，本級(jí)開關(guān)進(jìn)行保護(hù)，并向上一級(jí)開關(guān)發(fā)送閉鎖信號(hào)， 以此確定保護(hù)優(yōu)先級(jí)，防止越級(jí)保護(hù)；當(dāng)本級(jí)短路故障解除后，上級(jí)閉鎖打開，系統(tǒng)恢復(fù)原始設(shè)置；若本級(jí)開關(guān)拒動(dòng)，則在等待一段時(shí)間后上一級(jí)開關(guān)提出保護(hù)并向更上一級(jí)開關(guān)發(fā)送閉鎖信號(hào)，確保出現(xiàn)短路故障時(shí)進(jìn)行有效的斷電。 該保護(hù)器不需要調(diào)整保護(hù)定值，可以準(zhǔn)確防止越級(jí)跳閘。

3.3 系統(tǒng)特點(diǎn)

該保護(hù)器采用分布式形式，即由多個(gè)處理機(jī)通過通信線路互聯(lián)構(gòu)成松散耦合系統(tǒng)[5]，實(shí)現(xiàn)區(qū)域保護(hù)。 該方法基于電網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，對(duì)故障信息進(jìn)行收集和分析，利用故障特性的不同，對(duì)各級(jí)系統(tǒng)故障進(jìn)行判斷，從而準(zhǔn)確確定故障位置，有效防止越級(jí)跳閘，同時(shí)能夠?qū)收锨闆r進(jìn)行控制，確保各級(jí)系統(tǒng)有效保護(hù)。 利用該保護(hù)器可以準(zhǔn)確確定故障發(fā)生層級(jí)， 既可以對(duì)本級(jí)系統(tǒng)的機(jī)電設(shè)備進(jìn)行保護(hù)，同時(shí)又可以對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行保護(hù)，提高供電系統(tǒng)的安全性。

4 應(yīng)用情況

4.1 應(yīng)用概況

白溝煤礦的供電系統(tǒng)包括： 地面35 kV 變電站、井下中央變電所、東翼采區(qū)變電所、西翼采區(qū)變電所和一水平大巷變電所。 電力系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測(cè)結(jié)構(gòu)見圖1。 防越級(jí)系統(tǒng)接線見圖2。

圖1 電力系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測(cè)結(jié)構(gòu)

圖2 防越級(jí)系統(tǒng)接線

表1 系統(tǒng)運(yùn)行試驗(yàn)記錄

4.2 試驗(yàn)分析

采用分布式高壓開關(guān)綜合保護(hù)器后，開展短路試驗(yàn)（見表1、表2），在短路狀態(tài)下系統(tǒng)電流超過2 100 A，而東變6#高壓開關(guān)和7#鉆機(jī)短路整定值為600 A，東變3#高壓開關(guān)進(jìn)線短路整定值為1 000 A，中變8#高壓開關(guān)短路整定值為1 000 A，中變4#高壓開關(guān)短路整定值為2 000 A， 由此可知其短路整定值均小于短路電流；但是在分布式高壓開關(guān)綜合保護(hù)器的作用下，東變3#、中變8#和中變4#高壓開關(guān)均未出現(xiàn)跳閘情況，僅東變7#鉆機(jī)的上級(jí)高壓出現(xiàn)短路跳閘情況，該級(jí)總控開關(guān)和所有上級(jí)高壓開關(guān)均未出現(xiàn)跳閘情況。

表2 各級(jí)高開動(dòng)作情況

5 結(jié)語

通過對(duì)越級(jí)跳閘因素進(jìn)行分析，礦井應(yīng)用分布式高壓開關(guān)綜合保護(hù)器后，通過保護(hù)器對(duì)異常電流進(jìn)行監(jiān)測(cè)，利用故障特性的不同，準(zhǔn)確判斷故障發(fā)生位置，并逐級(jí)向上級(jí)開關(guān)發(fā)送閉鎖信號(hào)，避免了越級(jí)跳閘現(xiàn)象；同時(shí)在故障解除后逐級(jí)解除上級(jí)開關(guān)閉鎖，在故障級(jí)開關(guān)拒動(dòng)情況下可控制上一級(jí)開關(guān)跳閘，確保了各級(jí)系統(tǒng)的有效保護(hù)，提高礦井電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性。