西銘礦防越級跳閘系統設計探討

趙 進

(山西焦煤集團 機電部，山西 太原 030024)

1 現狀及存在問題

1.1 礦井供配電系統概述

西銘礦位于山西省太原市境內的西北部，井田面積 42.17 km2，礦井核定生產能力為360萬t/年. 西銘礦地面建設有劉巴足、磺廠、玉門3座35 kV變電站；自磺廠35 kV變電站6 kV母線段帶冀家溝開閉所，冀家溝開閉所共入井2趟線路為井下西十開閉所供電；自磺廠35 kV變電站6 kV母線段帶304變電所、三號整流室供電，入井4趟電纜；自劉巴足35 kV變電站6 kV母線段入井4趟線路為井下西部擴區變電所和南六變電所供電。井下共建設變電所12座，分別是：西部擴區變電所、北七變電所、西十1#變電所、西十開閉所、西十二變電所、一號整流室、二號整流室、三號整流室、四號整流室、五號整流室、304變電所、南六變電所。

1.2 礦井供配電系統綜合自動化系統裝置

地面35 kV變電站目前安裝的是北京清大繼保電力技術有限公司TH系列數字式保護測控裝置。井下安裝3種繼電保護裝置，分別是：上海山源電子電氣科技發展有限公司的ZBT-11型高開綜合保護器、天水長城成套開關電器制造有限公司的ZLZB-5 A綜合保護裝置和中國八達電氣有限公司的ZNCK-4礦用微機綜合保護裝置。

1.3 供電系統運行現狀及存在問題

目前，地面3座35 kV變電站均采用雙回路供電，分列運行方式；井下12座變電所中11座已實現地面遠程電力監控，剩余南六變電所正在安裝。井下各變電所之間采用縱向、多層級、垂直、短線路級聯供電模式，系統復雜，供電距離遠,各級線路速斷過流保護通過增加時間級差方式確定的定值難以有效配合；同時煤礦井下環境惡劣，工作面電纜在采掘過程中來回拖拽，不時發生短路故障，甚至越級跳閘，造成停電范圍擴大，安全管理難度加大，傳統的基于過流保護原理的微機保護無法解決此問題。為此，有必要積極探索、建設防越級跳閘系統。

2 防越級跳閘原理及方案對比

為解決礦井電網存在的越級跳閘問題，對當今主流的技術路徑進行對比，歸結為兩種技術理論，即基于光纖電流差動保護技術和基于數字化變電站技術保護[1-3]. 通過對比不同技術原理，尋求最優解決方案。

2.1 防越級跳閘原理對比

2.1.1 光纖電流差動保護原理

輸電線路兩側電流取樣信號通過編碼變成碼流形式后轉換成光電信號，經光纖送至對側保護裝置，本側保護裝置收到對側傳來的光信號先解調為電信號，與本側保護的電流信號構成差動保護。

2.1.2 基于數字化變電站技術的防越級跳閘原理

數字化變電站是指變電站內一次電氣設備和二次電子裝置均實現數字化通信，并具有全站統一的數據模型和數據通信平臺，在此平臺的基礎上實現智能裝置之間的互操作性。目前它是由電子式互感器、智能化一次設備、網絡化二次設備在IEC 61850通信規范基礎上分層構建，能夠實現智能設備間信息共享和互操作的現代化變電站。防越級跳閘系統主要是配置變電站進出線主保護為差動保護，且配置各變電站母線實現母線差動，以此實現各級供配電網絡準確聯動。

2.2 防越級跳閘方案對比

2.2.1 光纖電流差動方案

光纖電流差動模式具有光纖通道傳輸容量大、速率高、傳輸損耗小等優點[4-6]. 但CT飽和、CT斷線、同步化處理及誤碼校驗以及弱饋等問題都有可能引起保護的延時動作或誤動作。

2.2.2 數字化變電站方案

數字化變電站模式則具有基于智能電網架構、第三代數字化變電站結構、全礦保護信息共享、可解決短路防越級、漏電無選擇性問題、功能升級軟件化、電磁兼容性強、抗干擾能力強等優點，是今后煤礦電網發展的主流趨勢。

從技術方面來說，數字化變電站可以減少自動化設備數量，簡化二次接線，提高系統的可靠性，減少設備的檢修次數和檢修時間，提高設備的使用效率；方便設備的維護和更新，減少投運時間，提高工作效率。從經濟方面來說，可以減少占地面積，從而減少建設投資：減少變電站壽命周期內的總體成本，包括初期建設成本和運行維護成本；實現信息在運行系統和其它支持系統之間的共享，減少重復建設和投資等。

2.3 綜合比較結果

針對西銘礦電網存在越級跳閘問題且線路多，若采用基于光纖電流差動保護的防越級跳閘方案，每條線路單獨鋪設光纜，設置光纖電流差動保護，投資成本大，而且不便于對越級跳閘線路的集中管理。因此，優選基于數字化變電站技術的防越級跳閘方案，實現線路數字信息共享、集中保護。

3 防越級跳閘方案實施

3.1 防越級跳閘系統構成

數字化變電站[4-5]是由智能化一次設備、網絡化二次設備在IEC61850標準體系基礎上分3層構建，即站控層、間隔層、過程層，兩級網絡，能夠實現智能設備間信息數字化共享和互操作，可實現網絡化二次功能、程序化操作、狀態檢修、電網故障分析隔離等功能。具有底層互感器及斷路器數據共享、網絡化二次功能(微機保護、故障錄波、小電流接地選線、電能質量分析、順序控制)、兼容、開放等特點。傳統變電站與數字化變電站結構示意圖見圖1.

圖1 傳統變電站和數字化變電站結構圖

3.2 防越級跳閘系統構建思路

西銘礦基于DHW6000數字化變電站系統對地面變電站、井下變電所進行改造，構建井上下供配電系統防越級跳閘系統[6-7]，以實現各級配合科學合理，故障判定準確可靠。具體改造思路為：構建劉巴足35 kV變電站—西部擴區變電所—北七變電所；劉巴足35 kV變電站—南六變電所；磺廠35 kV變電站—冀家溝開閉所—西十開閉所—西十二變電所，具體實施辦法如下：

1) 地面劉巴足35 kV變電站、磺廠35 kV變電站和冀家溝開閉所內分別安裝1臺礦用電力測控分站一體機(包括電力監控和防越級系統)，通過光纖環網系統實現監控中心對變電所遠程監控與操作功能，還可實現第三方設備的接入以及數據傳輸、控制功能。

2) 地面變電站入井電纜高壓開關柜分別加裝1臺防越級綜合保護裝置，不得影響原高開柜的保護功能，利用分布式智能速斷原理，實現地面變電所與井下變電所之間的防越級跳閘功能。

3) 微機保護之間通過分布式網絡保護技術，采用“區域智能組網，信息共享，相對判據，智能選漏”新方法，徹底解決選漏難題，實現精確選漏，漏電保護零誤跳，在發生高壓線纜接地時，能夠抑制單相接地過電壓、工頻諧波對接地信號的影響、消除接地電弧等。當某一供電分支發生接地故障時，報警并自動切斷電源，避免越級跳閘情況的發生；同時具有遠程高低壓漏電試驗功能。

4) 在井下西部擴區變電所、北七變電所、西十1#變電所、西十開閉所、西十二變電所、304變電所、南六變電所內分別安裝2臺礦用電力監控和防越級跳閘系統一體機的分站，通過光纖環網系統實現地面變電所與井下變電所之間的防越級跳閘功能。

5) 井下西部擴區變電所、北七變電所、西十1#變電所、西十開閉所、西十二變電所、304變電所、南六變電所內進線及聯絡線高爆開關保護器均進行升級改造，更換后的綜合保護裝置必須具有防越級跳閘、精準漏電保護、電能計量功能；將高壓設備運行數據遠程傳送到地面監控中心，實現地面監控中心對變電所高壓設備的遠程遙測、遙信、遙控、遙調、遙視等功能；實現地面變電所與井下變電所之間的防越級跳閘功能。

4 結 語

通過對西銘礦井上下供配電系統現狀及存在問題進行分析，可以看出在現有各級繼電保護基礎上增加防越級跳閘功能是非常必要的。通過對比目前主流的防越級跳閘系統技術路徑，確定選取基于數字化變電站技術的防越級跳閘系統實施方案。通過對地面變電站、井下變電所進行改造，構建井上下供配電系統防越級跳閘系統，以實現各級配合科學合理，故障判定準確可靠。