煤礦分布式防越級跳閘供電系統設計

付云端

(晉能控股煤業集團 胡底煤業，山西 沁水 048200)

0 引言

煤礦供配電系統是維持整個煤礦開采作業安全高效運行的關鍵基礎，因此確保其可靠運作至關重要。由于井下高壓供電系統及變電所電壓等級均為6 kV/10 kV，中性點運行方式差異較大，極易發生短路故障[1-4]。同時礦井供電系統的供電線路大多數較短，其線路阻抗小，短路電流較大，造成上、下級變電所短路保護無法通過時間級差進行配合。當下級回路發生短路時，其上、下級速斷保護同時啟動，造成上、下級保護同時動作或上級搶先動作，從而引起越級跳閘事故的發生[5，6]。越級跳閘不僅會嚴重威脅礦井供電、通風及其他重要安全系統的正常運轉，且供電恢復流程十分繁瑣，嚴重影響礦井開采工作的安全性及效率，因此需要通過對防越級安全系統的設計實現礦井供電系統網絡智能防越級跳閘，提高煤礦供電可靠性。

本文在胡底煤礦35 kV及以下供電及電力監控系統的基礎上對分布式防越級跳閘保護系統進行了設計，通過對地面配電室、井下中央變電所、井下盤區變電所等關鍵位置的高開綜保器等硬件進行升級，并對系統的通訊系統進行重新架構，建立了分布式防越級保護專用信息傳輸通道，實現煤礦供電系統短路區域的高精度迅速診斷及故障切除，進而實現智能防越級跳閘。

1 系統總體方案設計

1.1 防越級跳閘系統建設方案

本文的防越級系統是在胡底煤礦原供電及監控系統的基礎上進行設計的，主要對系統各部分的高開綜合保護器等硬件進行升級改造，同時通過防越級控制器及RS485/CAN總線通訊搭建防越級保護專用通訊網絡，從而實現各變電所間的防越級跳閘功能。具體建設方案如下。

1.1.1 地面35 kV站10 kV配電室

胡底煤礦地面變電所目前具備6臺入井高壓開關柜，不具備電力測控分站及防越級控制器，需在10 kV配電室安裝1臺礦用電力測控分站。為保持變電站監控系統的完整性，入井線路的6臺開關柜各并接1臺防越級高開綜合保護器。防越級高開綜合保護器通過RS485或CAN總線與電力測控分站進行通訊，搭建光纖防越級跳閘專用通訊網絡，實現保護器數據的遠距離傳輸[7]。

1.1.2 井下中央變電所

井下中央變電所配備有2臺礦用電力測控分站及2臺進線高爆開關綜保器，并未設置礦用網絡交換機，數據交互性較差，不具備防越級跳閘功能。因此需將2臺高爆開關綜保器升級為防越級高開綜保器，并通過RS485總線與電力測控分站實現通訊。同時裝配1臺本質安全型網絡交換機，防越級高開綜保器經CAN總線接入至交換機中，從而搭建防越級光纖網絡專用通道。

1.1.3 井下盤區變電所

井下盤區變電所硬件配置有1臺礦用電力測控分站及6臺高爆開關綜保器，未安裝礦用網絡交換機。改造方案為將6臺高爆開關綜保器升級為具備防越級跳閘功能的綜合保護器，通過RS485總線與電力測控分站實現通訊。同時配置1臺本質安全型網絡交換機，并將防越級高開綜保器經CAN總線接入至交換機，搭建光纖網絡專用通道，實現變電所間的防越級跳閘功能。

1.1.4 井下10#橫川變電所

井下10#橫川變電所的硬件配置與改造方案與井下盤區變電所相同，需要將所有高開綜保器更換為具備防越級保護的高性能高開綜保裝置，同時安裝本質安全型網絡交換機。

1.2 防越級跳閘系統架構

根據上述建設方案，本文對適用于胡底煤礦供電系統的防越級跳閘安全系統進行架構，系統整體結構如圖1所示。

圖1 防越級跳閘安全系統總體架構

從圖1可以看出，本系統主要由防越級高開綜保器、本質安全型網絡交換機和井下通訊光纜網絡構成。各變電所的防越級高開綜保器通過內部防越級專用總線連接至各網絡交換機，各交換機再通過光纜互聯，最終架構起獨立的防越級通訊光纖網絡。通過該獨立高速通訊環網系統可完成數據的實時交互，從而迅速確定故障位置，高精度切除相應短路區間處開關，從而達到防越級保護的目的。

1.3 防越級跳閘保護系統動作分析

系統所有進線及聯絡開關均設置防越級保護、母差保護、零時延后備保護及過流保護，終端線路開關配有短路保護及過載保護[8]。本文以終端線及聯絡線故障為例對系統動作行為進行分析，如圖2所示。

圖2 防越級跳閘保護系統動作行為分析

1.3.1 終端線發生故障

當終端線a2處出現短路故障時，開關QF1、QF2、QF3、QF4、QF6均可感應到短路電流，此時開關QF1、QF2以及QF3、QF4通過防越級系統進行短路狀態交互，判定為區外短路，對防越級保護進行閉鎖，QF4則開啟延時后備保護，QF6的速斷保護立即動作，對短路點進行切除。若QF6此時拒動，則短路仍未被切除，此時QF4的延時后備保護立即執行并消除短路點；若QF4也拒動，或系統通訊失去響應，則系統主保護全部被閉鎖，此時由帶時間級差的過流后備保護動作對短路點進行切除。

1.3.2 聯絡線發生故障

當聯絡線a3處發生短路時，QF1、QF2、QF3、QF4、QF5均感應到短路電流存在，此時QF1、QF2、QF3、QF4、QF5通過防越級系統進行短路狀態交互，確定短路出現在a3位置，此時QF1、QF2、QF3、QF4對防越級保護進行閉鎖，并由QF4啟動延時后備保護，QF5的防越級保護執行切除短路點任務。若此時QF5拒動，則立即執行QF4的延時后備保護消除短路點；若QF4也拒動，或系統通訊失去響應，則系統主保護全部被閉鎖，此時由帶時間級差的過流后備保護動作對短路點進行切除。

2 硬件方案設計

該防越級跳閘保護系統在原供電系統的基礎上通過設置網絡交換機搭建防越級專用通訊通道，將防越級高開綜保器連接至電力測控分站，在實現防越級跳閘功能的同時還可實現煤礦各變電所當地集中監控及地面監控中心遠程“五遙”功能。因此本系統硬件升級方案主要為礦用本安型網絡交換機及具有防越級跳閘功能的高開關綜保器的選型設計。

本文選用KJJ156型煤礦本質安全型網絡交換機架構防越級專用通訊通道，其額定工作電壓為DC 12 V，傳輸方式為TCP/IP以太網光信號傳輸，傳輸速率為100 Mb/s～1 000 Mb/s自適應，傳輸距離≥40 km。通訊接口傳輸方式為全雙工CAN2.0B協議，數據傳輸速率為500 kb/s，最大級聯保護器數量可達64臺，滿足本系統的通訊需求。

本文對原煤礦供電系統中的高低壓開關綜保器進行改造，將其升級為具有防越級保護作用的智能綜保器。本系統選用ZBT-11C型防越級礦用智能高開綜合保護器對井下高爆開關進行保護，ZBT-11C保護器除具備開關本體常規保護監控功能外，還可通過系統級聯與靈活組網形成實時防越級跳閘網絡。其內部采用32位高速CPU及通訊協議處理器，采用32點采樣及通道幅值相位自動校準，使保護具有更高測量精度。在通訊方面，ZBT-11C具備RS485、CAN、以太網等通訊接口，聯網更加靈活方便，具備主保護、后備保護、帶時限過載保護等多達16種保護功能，是實現本系統防越級跳閘功能的重要設備。

3 軟件方案設計

分布式防越級跳閘保護系統主要功能包括綜合保護、開關量監測、電度計量、遠近控制及數據管理等，軟件具體功能如圖3所示。

圖3 分布式防越級跳閘保護系統軟件功能圖

防越級跳閘保護系統的動作機制不同于普通速斷保護，當系統檢測到故障電流時系統開啟防越級主保護并判斷是否接收到來自下級的閉鎖信號，在接收到閉鎖信號的情況下系統將通過延時對速斷保護進行閉鎖，延時結束若故障依然存在，則立即執行保護動作，實現防越級跳閘保護，系統主程序如圖4所示。

圖4 分布式防越級系統主程序流程圖

4 結束語

本文為適應胡底煤礦供電系統防越級保護需求，在原供電及監控系統的基礎上通過對防越級高開綜保器及防越級控制器的選型設計了一套分布式防越級跳閘保護系統，系統采用CAN總線及光纖形式對防越級專業通訊網絡通道進行架構，采用短路故障自主定位及開關故障信息自主交換協商的形式精確迅速切除短路點，達到了系統防越級保護的目的。