煤礦供電系統基于縱聯差動保護原理的防越級跳閘技術研究

李 雷

（兗州煤業股份有限公司東灘煤礦，山東 濟寧 273500）

0 引 言

安全生產是煤炭開采工作中的首要問題。要想確保礦內工作者的生命和財產安全，必須有一個穩定運行的供電系統，因此有效防護電路十分重要。在煤礦地面變電站到地下中央變電站、采煤工作面以及采礦生產區之間，許多安全生產動力源都采用垂直、多層以及線性的生產動力源。生產過程中，這種類型的煤礦的生產電源線之間的距離較短，如果電源線發生故障，電源線上游的多級開關將同時檢測電流信息。但是，短路保護的反應時間太短，難以實現延時，不能通過延遲設置完成煤礦多級開關跳閘順序。因為電源線的第一次跳閘極有可能會引起系統內某個節點的隨機跳閘發生短路，使得多級開關同時停工，從而導致煤礦大面積停電。這對煤礦生產工作來說，不僅會造成巨大的經濟損失，還存在很大的安全風險。

1 煤礦供電系統的現狀分析

在煤礦生產中，煤礦供電系統生產和供電出現故障是常有的現象。隨著煤礦的發展，各類生產設施、安防設施以及通信設施的齊備使煤礦內的開關種類越來越多，且開關不同其保護元件和線路也不相同，有時還會相互沖突，導致故障頻繁發生。其中，越級跳閘是最頻繁且危險的問題之一，對煤礦生產來說是很大的安全隱患。一般來說，在預防和控制煤礦供電系統過度跳閘問題時，常用的幾種預防和解決方法主要包括防止電氣鎖定方法、變電站集中控制防止跳閘技術方法以及基于整個網絡數據共享的數字化變電站防止超限技術方法[1]。

2 針對電路跳閘的防護方案分析

2.1 電源回路閉鎖防護

在煤礦供電系統跳閘故障的預防控制中，斷路器、隔離開關以及接地刀閘等輔助觸點訪問相關電氣設備工作電源電路的防鎖定跳閘控制方法比較簡單，且其防控的目標都比較清晰。

在預防控制的實際應用中，往往很難達到預期的效果和目的。首先，這主要是因為煤礦開采生產中供電環境比較復雜，所以供電運營容易受到各種強大因素的干擾。因此，在電氣鎖定預防和控制方式下，不能可靠傳遞電纜電氣鎖定信號。在防止煤礦供電系統的作業跳閘錯誤時，可能會出現錯誤跳閘和電氣鎖定控制方法的拒絕，影響煤礦供電系統脫離故障電鎖控制方式的預防效果。其次，由于煤礦供電系統故障預防和控制過程中實現電氣關閉的電纜線路很多，它們之間的連接關系復雜，因此在煤礦電力生產運營中，在同一變電站內利用多條電線和一條進入線來完成電路開關建筑物的電氣關閉，需要邏輯鎖定裝置。但是，在實際供電系統的變電站中，電力線使用的是雙電路電源。不管線路維護或供電線路是否正常工作，它都可以進行兩條線路的切換，使電源分離且并行工作。因此，根據實際供電方式動態調整供電電路，可能需要多個插座和一條導線之間的閂鎖關系，使得邏輯鎖的實際設計更加復雜。隨著連接的電纜電路數量越來越多，工作量也在不斷加大，使得電氣鎖的設置難以兼顧所有問題。最后，如果使用電動鎖方式來防止煤礦供電系統超速跳閘故障，由于電動鎖系統自檢信息不完整，鎖或電纜線路出現故障將無法及時發現并報警，使得電纜線路的故障排除變得更加困難。這種先進的防跳躍技術是實際應用中的重要限制之一。

2.2 分站集中管控技術

采用該技術的供電系統中必須至少安裝一個變電站設備。安裝的變電站必須是該地區所有跳閘開關之間的通信鏈路，以預防和控制閘位越級跳斷的錯誤。只要煤礦生產線的供電系統中任意一條線路發生短路，則預防開關跳斷的元件會將檢測到的所有信息都傳遞給供電系統的變電站。變電站根據預置的供電網絡關系確定最接近故障位置的開關，通過控制命令控制最接近的開關完成跳閘故障控制和預防電源操作。在實際應用中，這種防止跳閘的方法對通信系統的可靠性要求很高。實際應用程序中出現通信故障或問題時，故障點識別容易出錯，因此防止超限跳閘的控制也可能會出錯。此外，這種控制方法在控制方面也存在明顯的局限性，因為實際預防和控制應用中相同級別的開關故障會導致更高級別的開關故障，從而導致新的越級跳閘錯誤。

2.3 結合信息技術的數字化防護

結合信息技術的數字化防護的實現，首要條件是要保持網絡的暢通。因為數據共享是數字化控制的基礎，要求每個故障檢測和防護裝置都裝有光纖數字收發信號器。通信接口通過光纖實現煤礦地下位置保護器和地面變電站保護器到數字化變電站綜合單元結構的電氣信息傳輸。收集到的電路信息導入計算機后，通過系統自動識別故障點并控制跳閘。

這種防跳技術一般用于煤礦供電系統的跳閘故障控制。高開放保護裝置屬于煤礦地下工作環境中使用的特殊本質安全和防爆產品類型，因此用于性能設計和安全檢查時必須嚴格區分繼電器和保護裝置，以確保高開放保護程序的應用性能和質量效果。數字化變電站是以智能傳感器技術和高速通信網絡技術為基礎的新型變電站模型，在實際應用中的主要作用是減少變電站內部的傳統高壓變壓器、電流變壓器、控制電路等二次設備。由于供電系統之間的電纜連接數量很多，將煤礦供電系統的跳閘問題與通過網絡共享的數據的數字化變電站連接起來幾乎沒有意義[2]。3種方案的對比分析如表1所示。

表1 3種方案對比

3 結合縱聯差動防護原理的新型技術設計與應用

上述方案較差的實用性一直制約著煤礦的安全生產。經過不斷研究，專業人員結合縱聯差動電學原理，提出了一種新型的防護技術，將有效改善煤礦電路系統跳閘故障頻發的現象。

3.1 工作原理

根據基爾霍夫定律，可以簡單可靠地確認一個地區的電路內部或外部是否存在障礙，以決定是否拆除電路。目前，該技術比較成熟，已廣泛應用于地面輸配系統。

工作原理如圖1所示，垂直連接發電機兩側型號相同的電流互感器的第二個側面圖標的極性末端。將差動繼電器接入系統，一旦發生異常操作或外部故障，和就會產生逆流，此時KD1的電流為：

3.2 防越級跳閘方案設計

圖1 工作原理圖

該方案的特色之一是在ZKJB-2000這一新型高壓開關綜合保護裝置中加入了32位的DSP芯片，結合三級過流保護和地面光纖縱向電流差動等原理，通過礦井中的供電系統內建立垂直通信網絡來確保高壓電路系統不會發生短路故障，從而規避跳閘帶來的安全風險，保障礦井內的供電安全。發生短路故障時，短路點由最近的開關跳閘，迅速消除（隔離）故障，防止過度跳閘并確保系統電源的可靠性。同時，ZKJB-2000新型高壓開關綜合保護裝置具有嵌入式電源網絡關系自動識別算法。聯系開關（總線耦合器）打開/關閉更改時，出站開關會自動識別父電源開關（輸入線路），并在具有父電源和子電源關系的多個開關之間快速重新配置差動保護算法，以避免在各種電源模式下發生高跳閘。

在每個開關保護器中都加入新型的識別算法來檢測故障，一個交換機出現故障時不會影響其他交換機的縱向差異算法的正常運行。此外，如果交換機通信失敗，ZKJB-2000的新高壓交換機綜合保護裝置將自動切換到普通的三級過流保護功能，而不需要交換機拒絕操作。

首先，在同一變電站內部樹狀分布電纜，通過縱向聯結實現在線通信。在同一變電站中，所有ZKJB-2000交換機綜合保護設備均通過屏蔽雙絞線電纜建立相應的通信網絡，均成樹狀分布，如圖2所示。

圖2 站內新型防護聯機組網方案

其次，不同變電站之間通過光纜傳輸實現通信，通過上下變電站之間的光纖建立縱向差異在線通信，防止信號傳輸過程中的電磁干擾，從而提高信號傳輸性的可靠性。此時，每個子站都需要連接光纜的光學數據接口。當兩個子站之間的距離相對較短（通常在500 m以下）時，信息傳輸能夠保持穩定和質量，并且可以使用直接連接電纜的方法。

最后，在中央變電站安裝、監視以及維護變電站（可選）。如果礦區變電站離中央變電站較遠或者整個系統的電源水平在3以上，建議在中央變電站安裝1個變電站，使其除了具備光纖數據收發和光電轉換功能外，還能夠集中監控垂直的差異網絡中每個交換機的網絡通信狀態是否良好，以方便使用警報記錄等任務參數和遠程維護各個保護程序。

3.3 實際應用分析

以三級供電關系在某礦井內的供電系統應用為例，中央變電站的17號出站開關和2號變電站的1號入站開關構成垂直差動保護關系。當兩個開關之間的電源線短路時，縱向差動保護算法以光纖電流為基礎，兩個開關被識別為內部錯誤并迅速斷開，而另一個開關被識別為外部錯誤。根據當前縱聯差動保護的算法，在同一個變電站，第二個變電站的3號和5號開關和1號電線開關分別構成縱聯差動保護。目前，通過縱聯差動保護算法，將5個交換機識別為內部故障，迅速斷開連接，將另一個交換機識別為不在區域內，則保持不變。

實際應用中，在中央變電站設置監視變電站，實時監控整個防跳網絡的運行狀態。發生網絡故障時及時發出警報，并準確通知管理員故障點的位置，以便于網絡維護和服務。在2號和10號變電站分別設置光纖數據接口，在站內完成電信號向光信號轉換的功能，監測站內數據信號和變電站實時數據是否正常。

4 結 論

通過比對當下使用較多的3種方案發現，在煤礦供電系統內進行防護越級跳閘時，縱聯差動保護方式理論較為成熟，且其內部構造簡單的裝置以及針對性排除故障的工作模式與我國目前的礦內供電系統現狀相契合，符合長遠發展需求。系統及高壓開關柜為了實現自動警報和快速維護，可以安裝網絡監控點等輔助設備，以確保整個方案的實用性。可見，基于縱聯差動保護的調試技術是一種比較成熟簡單的技術方法，設計和應用簡單，針對性強，應用優勢突出。