防越級跳閘保護技術的研究與實際應用

包 喆，尹貽輝，王永新

（1.西和縣中寶礦業有限公司，甘肅 隴南 742500；2.山東黃金礦業（萊州）有限公司三山島金礦，山東 萊州 261400）

1 越級跳閘原因研究

越級跳閘現象是礦山供電系統的常見故障，當供電系統發生短路故障時引發了正常工作電路的不正常斷電，導致正常工作線路無故停電[2]。越級跳閘現象存在停電范圍不可控、影響范圍廣、恢復供電檢查工作繁瑣的特點，并且越級跳閘現象造成設備急停，嚴重影響安全生產。越級跳閘現象的原因主要包括以下幾個方面：

1.1 繼電保護延時誤差

礦山供電線路較短（3Km～5Km），供電保護系統多采用逐段延時跳閘繼電保護方式。由于逐段延時跳閘方式存在級數多、延時累積時間長的特點，易造成供電系統的延遲時間比短路保護設定的時間長，延時跳閘手段的線路開關動作時間大于延時時間，造成饋電饋線開關不能及時動作的情況下，母線開關提前發生動作，造成越級跳閘現象的發生[3]。

1.2 開關電源誤動作

井下的作業環境和工作條件較為惡劣，導致井下變電所的開關綜合保護裝置不同程度的老化，當電流保護裝置出現老化或性能降低等問題后，極易發生誤動作越級跳閘故障。

井下防爆開關采用主回路供電方式，主回路供電在短路、失壓、相序不平衡、諧波等問題狀態下，其控制電源和保護電源同時處于故障狀態，保護裝置和控制系統無法正常供電，導致開關電源的拒動或誤動，造成越級跳閘。

1.3 失壓保護方式不當

礦山井下高低壓開關控制柜安設的失壓脫扣裝置，具有避免線路帶負載供電的功能。失壓脫扣裝置能夠實現：供電電壓＞65%的額定電壓時，自動吸合供電；供電電壓＜35%的額定電壓時，自動斷開吸合，停止供電。但是當供電電壓介于35%～65%時，失壓脫扣裝置處于不可靠工作階段，失壓脫扣裝置處于速斷工作狀態，常常導致過流延時保護裝置的失效，從而引發越級跳閘現象。

1.4 斷路器保護問題

供電系統發生故障時，斷路器的動作電流與故障電流相匹配，才能夠實現斷路器的及時動作。斷路器的動作電流過高，則會導致本級斷路器在發生故障時達不到動作電流而拒動，從而引發上級的斷路器的跳閘，引發越級跳閘現象；斷路器的選擇應合理可靠，須依據上下級電流的大小來確定動作電流，并匹配合理的斷路器。

斷路器的跳閘保護動作需要一定的反應時間，多級保護中斷路器相應時間不同，上級斷路器的動作時間比下級斷路器動作時間短，就極易發生上級斷路器的提前動作，造成越級跳閘故障[4]。斷路器的選擇須考慮合理的動作時間，原則下級斷路器的動作響應時間要短于上級。如果下級熔斷器的動作時間為t，則上級斷路器動作時間為t+t1，其中t1為動作延時時間，一般取值范圍為0.3～0.5s，礦山供電系統通常取0.5s。

斷路器的自身保護裝置也存在一些不確定因素，比如線路接觸不良、商品型號功能不統一等問題，導致供電保護系統失靈，引發越級跳閘事故發生。

2 越級跳閘的解決方案研究

2.1 電氣閉鎖方案

防止斷路器出現越級跳閘的簡單方法是閉鎖上下級斷路器，通過斷路器的逐級閉鎖能夠有效避免越級跳閘現象。但是斷路器閉鎖線路復雜，保護器級別較多時該線路尤為復雜，采取無線式信號傳輸閉鎖方式可靠性差、信號傳輸滯后[5]。鑒于礦山井下作業環境較差、干擾因素較多，無法確保閉鎖信號的及時傳輸，并且閉鎖裝置的線路復雜、故障維修難度大[6]。因此，電氣閉鎖方案從理論上具備防止越級跳閘的功能，但是該方案的實際操作難度大、維護費用高、實用性差，在實際生產中較少應用。

2.2 分站集中控制方案

為實現集中式保護站與分站的信息的有效傳遞，安設傳感器采集各個分站的保護電流信息，并將采集的信息通過光纖傳輸到集中式電流保護站。線路發生故障，保護站通過分析各分站的電流信息，判斷出故障線路的控制開關，發出精準的跳閘保護指令，實現線路跳閘保護，有效避免越級跳閘現象[7]。但分站集中控制方案存在一定的缺陷，其中主要包括運營成本較高、運行過程復雜、要進行定期維護消耗大量精力、跳閘系統對斷路器適應效果較差；并且一旦斷路器損壞未能及時跳閘，該供電系統的其他斷路器也不會動作，則會導致極為嚴重的供電事故。因此該方案的應用風險較大，該防越級跳閘方案未得到推廣。

2.3 光纖電流差動保護方案

光纖差動保護裝置是在電流差動保護的基礎上演化而來的，通過電流互感器實現對差動電流的實時保護，并通過光纖信號實現電流幅值和相位數據的有效傳輸，基本保護原理也是基于克希霍夫基本電流定律，其工作原理圖如圖1所示。光纖差動保護裝置系統具有動作精準、靈敏度高等優勢，該系統的應用相對廣泛，但是存在不能多級差動保護和多線差動保護的劣勢。

圖1 光纖電流差動保護防越級跳閘原理圖

3 礦井防越級跳閘系統的建設

3.1 礦井供電情況簡介

該礦35kV變電站擔負著全礦地面井下的所有供電，35kV變電站兩回路進線分別引自兩座110KV變電站。運行方式：158運行，母聯100運行。158進線保護：四方CSC-163A，159進線保護：南瑞RCS-943，母聯保護：四方CSC-122M，10KV保護：四方CSC-280系列。

3.2 ZBT-11C防越級跳閘系統的應用

ZBT-11C保護器是常見的供電系統越級跳閘保護器。該保護器中的某一級出現過載或短路情況時，不會經過上下級的供電器母線，而是只有本級保護器發生動作，并將閉鎖信號及時上傳至上級保護器，避免發生越級跳閘事故；當本級保護器出現故障不能及時動作時，上級保護器延時0.5s后，自動動作完成系統的保護功能；當短路等問題消除后，及時向上級保護器發出解除閉鎖信號，上級保護則會自行解除閉鎖，保障上下級電路正常運行[8]。該保護器會在使用過程中根據實際情況選擇適合的保護措施，更好地減少越級跳閘事故的發生[9]。該保護裝置的最大優點是對區域保護效果穩定可靠，通過運用電路開關能準確提供供電故障的具體位置，接收故障信號迅速反應隔離故障范圍，最大程度保護整個供電系統的安全穩定。

該礦電力系統分布情況如圖2所示，ZBT-11C防越級跳閘系統配置SCADA服務器、工業光纖以太網以及運行工況監測站，地表1座變電所和井下兩座變電所分別設置集控中心負責各級數據的收集與匯總，通過以太網進行信息的傳輸。電力系統中防越級跳閘系統分為智能保護模塊，變電所監控分站和地面監控等方面組成，不同的機構在各自功能范圍內保障電力系統的正常運行[10]。智能保護是根據電力系統數據及時調整數據，以智能化方式為基礎保護電力系統的正常運行，利用通訊監控分站對井下電力系統進行正常監控，并及時上傳整理監控信息。試驗發送指令“1#變電所控制的設備發生故障”，則該故障信息通過光纖以太網數據傳輸至SCADA服務器，時間間隔大約60ms，此時的動作反饋信息是“1#變電所保護器動作，地面變電所和3#變電所的保護器均處于閉鎖工作狀態”，有效避免了越級跳閘現象。

圖2 電力系統分布圖

4 結語

通過對礦井供電防越級跳閘系統的建設和完善，礦井供電系統的安全可靠性能顯著改善。應用結果表明，ZBT-11C系統綜合運用了電路開關以及電網的拓撲信息，能實現供電故障的精準定位，有助于快速消除故障；充分考慮了保護器的抗干擾能力，對外引出端采取了雙重防護，具備遠程漏電檢測功能，系統安全可靠；基于檢測異頻信號、特殊信號，實現漏電保護及時動作，系統靈敏度高；內置級聯差動保護模塊，實現變電所級聯差動保護，徹底杜絕了越級跳閘現象。