分布式區(qū)域保護技術(shù)在煤礦供電系統(tǒng)中的應(yīng)用

張美茹

(中煤西安設(shè)計工程有限責任公司，陜西 西安 710054)

0 引言

煤礦供電系統(tǒng)主要采用電纜連接的供電方式，具有供電半徑短、級聯(lián)層數(shù)多，線路的電容電流較大等特點，使得保護定值難以整定，在時限上無法有效配合，經(jīng)常造成越級跳閘現(xiàn)象的發(fā)生，給用戶的安全生產(chǎn)帶來極大的困擾[1-3]。因此，解決越級跳閘問題十分必要。某煤礦的井下供電系統(tǒng)，采用由地面變電站通過多回路10 kV電纜直供井下變電所的供電方式，有別于其它煤礦采用雙回路10 kV線路連接到井下主變電所，然后由主變電所供采區(qū)變電所用電的供電方式。這種井下供電方式采用8路10 kV高壓電纜直接將高壓電能供給礦井各負荷中心，發(fā)生短路故障時，停電范圍相比于傳統(tǒng)級聯(lián)供電方式要小，提高了礦井供電可靠性。此外，相對于其他供電方式，系統(tǒng)電容電流大，發(fā)生單相接地時，造成接地點電流大，電弧難以熄滅，系統(tǒng)出現(xiàn)弧光過電壓，嚴重影響了煤礦的供電安全。

為此，結(jié)合該煤礦近期頻繁發(fā)生大面積停電的情況，深入分析引起越級跳閘的主要原因，并開展防越級跳閘系統(tǒng)的建設(shè)，以期構(gòu)建帶有選擇性漏電保護及防越級跳閘功能的電力安全監(jiān)控系統(tǒng)，進而確保煤礦安全生產(chǎn)、人員安全作業(yè)。

1 供電系統(tǒng)分析

1.1 供電系統(tǒng)現(xiàn)存的問題

通過對該煤礦供電系統(tǒng)的深入調(diào)研，發(fā)現(xiàn)由于煤礦井下環(huán)境惡劣，工作條件差，井下變電所防爆開關(guān)內(nèi)的綜合保護裝置存在著不同程度的元器件老化以及性能降低等問題[4-5]。在生產(chǎn)過程中，系統(tǒng)大量采用變頻器及軟啟動器等設(shè)備，產(chǎn)生的諧振過電壓，使得煤礦供電系統(tǒng)發(fā)生高壓短路故障，造成高壓綜合保護經(jīng)常動作于跳閘[6-7]。高壓綜合保護裝置二次回路接線老化、松動，致使回路異常，也易造成保護拒動、誤動。在檢修過程中，由于安裝工藝或操作水平的限制，使得設(shè)備在過電流的情況下，由于熱和電動力的作用，極易造成設(shè)備操作機構(gòu)變形，形成保護拒動、誤動。高開綜合保護裝置自身原因。國家電網(wǎng)公司規(guī)程規(guī)定，一般性110 kV及以下變電站綜合自動化系統(tǒng)的更換周期為6年，煤炭行業(yè)井下運行環(huán)境更加惡劣，一般性的電力電子產(chǎn)品3～5年就會出現(xiàn)不同程度老化[8]。

1.2 可能造成越級跳閘的原因

礦區(qū)目前的供電系統(tǒng)，需要配合的保護達到五級，按照繼電保護整定規(guī)程的要求，現(xiàn)有的保護配置，無法滿足選擇性。根據(jù)提供的礦井供電系統(tǒng)圖，所標注的系統(tǒng)短路電流沒有體現(xiàn)最大運行和最小運行方式的短路電流數(shù)據(jù)。由此推定，系統(tǒng)保護定值需要核準，礦區(qū)出現(xiàn)的保護越級問題和定值整定不合理有關(guān)[9-12]。通過與技術(shù)人員交流以及近半年來發(fā)生的故障情況看，供電系統(tǒng)的故障與消弧裝置的消弧存在異常的情況相關(guān)。現(xiàn)場調(diào)研發(fā)現(xiàn)10 kV消弧裝置的控制器處于非正常運行狀態(tài)，擬試消弧裝置，無法正常工作，即消弧裝置不能調(diào)節(jié)，不能發(fā)揮正常的作用。10 kV供電系統(tǒng)僅安裝有二次消諧裝置，未見一次消諧裝置。二次消諧的消諧效果不可靠，一般是作為一次消諧的補充。礦區(qū)大量采用電力電子設(shè)備，供電系統(tǒng)諧波水平不詳，可能會對消弧能力及保護可靠動作產(chǎn)生影響。

2 越級跳閘原因分析

2019年4月，該礦發(fā)生數(shù)次開關(guān)跳閘事件，現(xiàn)調(diào)取110 kV變電站故障錄波裝置的數(shù)據(jù)進行分析。

2.1 故障概況

2019年4月14日晚21時55分，由于上倉變1號進線電纜發(fā)生故障，造成該煤礦110 kV變電站10 kV Ⅲ段1012中央變2出線保護過流I段動作，故障錄波如圖1所示。從錄波圖形的時間坐標軸上可以看出，在9 ms左右，10 kV Ⅲ段上的母線電壓Ua、Ub、Uc瞬間降低，電壓方向相同，緊接著三相電壓出現(xiàn)劇烈震蕩，其最高幅值為正常值的1.5倍左右，系統(tǒng)產(chǎn)生過電壓，發(fā)生電壓不平衡現(xiàn)象，與此同時，10 kV Ⅲ段也出現(xiàn)了零序電壓，在35 ms左右，3#主變的低壓側(cè)三相電流也突然增大，其中Ia、Ib的方向相同，Ic的方向相反。在18 ms左右保護開始動作，持續(xù)時間為17 ms。在220 ms左右，斷路器跳閘，此時，零序電壓和電流消失，系統(tǒng)恢復(fù)正常。由此可以判斷出系統(tǒng)發(fā)生了單相接地故障，導(dǎo)致斷路器跳閘，引起停電。

圖1 2019年4月14日晚21時55分錄波圖

2.2 故障原因分析

故障錄波器在當晚22時29分13秒、22時29分27秒、22時29分37秒、22時45分08秒記錄到多次短時間單相接地，如圖2所示。從圖2中可以看出，在10 ms左右，10 kV Ⅲ段母線上的電壓發(fā)生變化，Ua增大、Ub減小、Uc增大，同時檢測到母線出現(xiàn)零序電壓，與此同時，3#主變的低壓側(cè)Ia、Ib、Ic也出現(xiàn)了增大，在420 ms左右，故障消除，電壓和電流都恢復(fù)到正常水平，由此可以判斷出系統(tǒng)發(fā)生了諧振過電壓。從圖3中可以看出，Ua、Uc增大，方向相反，Ub減小，與此同時，產(chǎn)生零序電壓，3#主變的低壓側(cè)Ia、Ib、Ic也出現(xiàn)了增大，在480 ms左右，故障消除，由此得知系統(tǒng)發(fā)生瞬時性單相接地故障。從圖4中可以看出，Ua、Uc增大，方向相反，Ub減小，與此同時，產(chǎn)生零序電壓，3#主變的低壓側(cè)Ia、Ib、Ic也出現(xiàn)了增大，在600 ms左右，保護出z口動作，斷路器跳閘，零序電壓消失，電壓和電流恢復(fù)正常，在2 300 ms左右，故障再次出現(xiàn)，由此可以判斷出系統(tǒng)發(fā)生了間歇性的弧光接地。

圖2 2019年4月14日晚22時29分13秒錄波圖

圖3 2019年4月14日晚22時29分27秒錄波圖

圖4 2019年4月14日晚22時29分37秒錄波圖

3 防越級跳閘系統(tǒng)建設(shè)

防越級跳閘技術(shù)是目前解決煤礦高負荷密度區(qū)域短距離保護越級跳閘問題的有效手段，針對該礦井供電現(xiàn)狀及頻繁發(fā)生單相接地引起的越級跳閘事故，擬采用防越級跳閘技術(shù)。

3.1 防越級跳閘系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

供電監(jiān)控及防越級跳閘系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖5所示，整個供電監(jiān)控及防越級跳閘系統(tǒng)采用分層、分布式光纖環(huán)網(wǎng)結(jié)構(gòu)，分別為管理層、網(wǎng)絡(luò)層、間隔層。井下各變電所中具有防越級跳閘功能的保護組成間隔層，各變電所內(nèi)的電力監(jiān)控分站通過內(nèi)部交換機彼此相連，最后通過通訊管理機將各變電所的四遙信息傳至地面監(jiān)控后臺中心。各變電所之間通過交換機將本級高開保護器發(fā)出的閉鎖信號分別傳至各自的上一級保護，上級保護裝置在接到下級保護裝置發(fā)出的閉鎖信號后將閉鎖保護出口并開始計時，達到延時，故障依然沒有消除則認為下級保護拒動，從而動作于本保護出口跳閘切除故障。站與站之間通過下級變電站進線與上級變電站出線之間傳遞防越級閉鎖信號；站內(nèi)由各條出線與進線之間傳遞防越級閉鎖信號。

圖5 供電監(jiān)控及防越級跳閘系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意

3.2 分布式區(qū)域保護

3.2.1 關(guān)鍵技術(shù)

在地面110 kV變電站8回路下井間隔中加裝防越級跳閘單元模塊，在井下中央變電所和采區(qū)變電所更換具有防越級跳閘功能的微機保護裝置，變電所的各級保護通過本站的電力監(jiān)控分站與彼此建立信息聯(lián)絡(luò)。當這三級變電所中的任意一條供電鏈路的本地保護裝置檢測到短路故障時，立即向該鏈路上的所有保護單元發(fā)送閉鎖信息，保證除本級保護之外其它保護裝置不動作。若本地開關(guān)的斷路器無法正常動作時，該鏈路上的上一層保護可快速動作，盡可能地減少該故障的影響范圍。對于該礦的地面110 kV變電站、井下中央變和采區(qū)變電所，本次項目改造中采用基于工業(yè)以太網(wǎng)進行信息的傳輸，采用IEC 61850通信規(guī)約實現(xiàn)信息的交互。應(yīng)用區(qū)域保護技術(shù)和參數(shù)識別原理將該礦供電系統(tǒng)建設(shè)的更加合理，通過技術(shù)升級和系統(tǒng)規(guī)劃，進一步提高了該礦的動力系統(tǒng)的性能，為下一步實現(xiàn)無人值守變電站打下堅實的基礎(chǔ)。

3.2.2 保護性能

分布式區(qū)域保護采用突變量作為啟動判據(jù)，動作靈敏。現(xiàn)以圖6為例，對保護動作性能進行分析。以該礦的中央變電所一段母線為例，在其進線開關(guān)和各條出線開關(guān)中安裝XRKJ-600智能保護裝置，當t0=0時刻，1#出線發(fā)生相間短路故障，此時，該鏈路上的XRKJ-600都檢測到故障電流，保護動作判據(jù)成立，同時，1#出線的保護裝置向其上一級進線保護發(fā)送閉鎖信號，這一過程耗時5 ms，即為t1時刻。當進線保護裝置收到該閉鎖信號時共需約10 ms時間，即為t2時刻。由于進線保護裝置收到閉鎖信號的時間早于保護速斷出口的時間，因此，進線保護裝置不動作于跳閘。出線保護在沒有收到其它相鄰保護裝置的信號，于是，在延時約20 ms之后，即t3時刻，其速斷保護動作，及時切除故障。當檢測到故障信號消除后，隨即向進線保護發(fā)送解除其閉鎖的信號。另外，對于在短路情況下，保護出口動作而斷路器拒絕執(zhí)行動作的情況也進行深入研究。t0～t3時動作相同，在(35+60+15)ms之后(當前真空斷路器動作跳閘大約需要50～60 ms的時間)，1#出線保護XRKJ-600仍然檢測到故障電流，則判斷該級開關(guān)的斷路器出現(xiàn)拒動現(xiàn)象，此刻，主動向該段母線的進線保護裝置發(fā)送解除閉鎖的信息，當進線保護裝置收到下一級保護的信號后，判斷出線失靈，解除本級閉鎖，經(jīng)過160 ms后，作為下一級保護的后備，出口動作切除故障，如圖7所示。

t0—出線故障；t1—發(fā)出閉鎖信號；t2—進線閉鎖；t3—跳出線(固有延時)；t4—出線失靈，跳進線

t0—出線故障；t1—發(fā)出閉鎖信號；t2—進線閉鎖；t3—跳出線(固有延時)

3.3 基于參數(shù)識別原理的漏電保護

3.3.1 參數(shù)識別原理的優(yōu)點

煤礦供電系統(tǒng)為中性點經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)。為避免系統(tǒng)諧振，消弧線圈一般過補償8%～10%運行，線路發(fā)生單相接地時，接地電流工頻信號微弱且方向難以識別，故難以選線。為此，漏電保護裝置采用先進的參數(shù)識別原理不受消弧線圈和過渡電阻影響，可準確識別單相接地線路，實現(xiàn)選擇性漏電保護；產(chǎn)品不需專用的耦合設(shè)備，不改變系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，安全性高且節(jié)省成本；并且可以利用本線路的信息即可判斷是否接地，具有自舉性；產(chǎn)品具有良好的電磁兼容性能，各項指標均達到國家及行業(yè)要求的最高標準。根據(jù)參數(shù)識別原理，將一個有M條出線的線路等效為集中式參數(shù)模型，在中性點經(jīng)消弧線圈接地的系統(tǒng)中某條線路i發(fā)生單相接地故障時，該系統(tǒng)的零序網(wǎng)絡(luò)如圖8所示。

圖8 中性點經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)單相接地故障零序等效網(wǎng)絡(luò)

3.3.2 參數(shù)識別原理的應(yīng)用

系統(tǒng)正常情況下，中性點電壓為零。若發(fā)生單相接地故障后，系統(tǒng)的中性點電壓升高，即為Uf0。如果線路i發(fā)生了單相接地故障，則其對地的零序電阻、零序電感和母線側(cè)及負荷側(cè)零序電容分別用R0i，L0i，C0i1和C0i2表示。在中性點經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)中，發(fā)生單相接地故障時，可以將母線側(cè)對地電容用C0i1表示，各條線路的負荷側(cè)，用一個對地電容C0i2表示，這樣，該系統(tǒng)的任何一條出線也就構(gòu)成了∏模型結(jié)構(gòu)。由于線路中等效的零序電阻和零序電感對零序電流變化影響較小，對地電容的電氣參量變化尤為顯著，因此，選擇求解模型得到的計算電容參數(shù)值序列為故障判據(jù)，如果該線路對地電容的計算值為負，則判為故障線路，即

(1)

式中，C(k)為計算所得電容參數(shù)序列。若線路對地電容計算值為正，則判為正常線路；當所有線路判為正常線路時，認為母線故障。

3.4 防越級跳閘系統(tǒng)建立應(yīng)注意的問題

所更換的高壓開關(guān)保護裝置及通信裝置必須滿足防爆要求，取得國家相關(guān)部門的認證報告。保護裝置應(yīng)具備良好的電磁干擾能力，在煤礦惡劣的環(huán)境下能夠正常安全穩(wěn)定的工作。保護裝置應(yīng)在系統(tǒng)失壓或電網(wǎng)發(fā)生波動的情況下不發(fā)生誤動作；防越級跳閘系統(tǒng)盡可能采用分層分布式原則進行建設(shè)，便于后期的維護和管理。系統(tǒng)采用光纖環(huán)網(wǎng)進行通信，防越級跳閘系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)建設(shè)時，應(yīng)與其它系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)分開，系統(tǒng)的數(shù)據(jù)和信息實行專網(wǎng)傳輸。

4 結(jié)語

由于煤礦井下環(huán)境比較惡劣，電氣設(shè)備種類繁多，在建設(shè)和維護的過程中，設(shè)備故障時有發(fā)生，為了防止越級跳閘所造成大面積停電，煤礦供電系統(tǒng)選擇建設(shè)防越級跳閘系統(tǒng)。采用了新原理、新技術(shù)、新思想的具備防越級跳閘功能和漏電保護功能的防越級跳閘系統(tǒng)，能夠有效消除各種故障誤動、拒動等問題，提高該煤礦供電系統(tǒng)的整體可靠性和安全運行水平，實現(xiàn)了供電系統(tǒng)的無人值守。