寺河矿电网“越级跳闸”继电保护系统的设计与实施

曹晋鹏

摘要：目前寺河矿供电电网普遍存在多级辐射状供电模式，其特点为：一方面由于延伸级数多，电网配合时限不足，以致保护时限无法配合；另一方面由于系统容量增大、供电线路短，不同级别的短路电流接近，以致保护的电流定值无法配合，因此，无奈之际只能牺牲选择性而保证快速性，致使矿井电网的继电保护系统普遍存在“越级跳闸”问题，系统出现短路故障时由于无选择性配合，造成井下供电系统大面积停电，引发停电停风事故，严重影响煤炭安全生产。

关键词：多级辐射 选择性 快速性 越级跳闸

1 概述

1.1 供电系统简介 寺河110kV变电站一回电源引自220kV芹池变电站，另一回电源引自郭北110kV变电站。两回110kV电源线路分列运行。两回电源线路任一回路故障，另一回能担负寺河矿井全部负荷。矿区附近配备有15MW的瓦斯电站升压35kV电压等级同电网相连，目前可发电容量约12000kW。地面和井下主要供电电压为6kV。寺河110kV变电站平均负荷为49000kW，最大负荷为60000kW，向外放射性布置9个35kV变电站（寺河工广、寺河东风井、寺河小东山、寺河三水沟、寺河潘庄、寺河西井区及金鼎刘庄场地、沁秀坪上和岳城）。井下6KV变电所共有21个，东区14个，西区7个。

1.2 技术背景 传统的电流保护技术采用定值与时限配合的原则实现保护选择性，这种配合原则已无法从原理上解决煤矿电网的保护选择性问题；随着矿井供电规模的增大，越来越多的矿井电网采用消弧线圈接地方式，而现场的许多保护装置仍沿用功率方向型漏电保护技术原理，当系统发生接地故障时，则势必造成系统“误动”现象频繁。

針对上述技术难题，笔者采用智能零时限电流保护、光纤差动保护和改进型零序导纳原理的漏电保护技术，从原理上解决了矿井电网的“越级跳闸”问题。智能零时限电流保护技术不需要定值和时限的严格配合，采用网络通信技术自下而上地传递保护故障信息的方法实现保护的选择性；改进型零序导纳原理的漏电保护能自适应矿井电网的中性点接地方式；井下应用的综合保护装置采用高性能的软硬件平台、国际标准的通信协议，提高了保护装置的可靠性和适用性。通过长期的现场试运行证明，能有效地解决矿井电网存在的技术问题，提高煤矿供电系统的运行可靠性。

2 继电保护系统的设计原理

2.1 设计目标 ①采用新型的网络保护技术，解决煤矿井下供电系统继电保护选择性和速动性的矛盾，从根本上解决矿井电网继电保护的“越级跳闸”问题，提高煤矿供电系统可靠性和安全性，为煤矿安全生产提供有力保障。②采用新型的漏电保护技术，解决矿井电网漏电保护的可靠性问题，避免漏电保护动作不可靠造成的系统保护“误动”和“越级跳闸”，提高供电系统可靠性。③构建集成的矿用电站综合自动化系统，系统集成先进的继电保护、监测监控、视频监控、语音通信等多项技术，实时监控矿井电网的运行状态，提高矿井电网的自动化水平、运行效率和经济效益，为矿井电网的安全运行提供决策支持。

2.2 继电保护系统技术简介 ①概述。井下防“越级跳闸”系统采用光纤差动保护和智能零时限电流保护技术实现。MPR303S光纤差动保护装置、MPR304S智能零时限电流保护装置、KHL127矿用保护通信服务器和专用保护通信网络组成井下防“越级跳闸”系统。MPR300S系列矿用保护装置、KJ38-F电力监控分站和电力监控通信网络组成井下电网电力监控系统，与电力监控中心配合实现井下电网电力监控系统。②智能零时限电流保护技术。智能零时限电流保护技术用于防“越级跳闸”系统。智能零时限电流保护采用网络保护技术，通过保护装置间的智能通信，检测故障区域和故障定位，实现上、下级保护的配合。智能零时限电流保护系统由MPR304S智能终端和KHL127矿用通信服务器组成，保护原理如图1所示。

将供电网中的MPR304S保护装置按物理位置（进线、出线和联络开关）划分为多级保护系统，每台MPR304S保护装置有两对光纤接口，其中一对光纤接口通过点到点通信方式与通信服务器对应母线的光纤接口板连接、联络保护装置的两对光纤接口分别与服务器对应母线的接口板连接、进线保护装置的另一对光纤接口与上级变电站的出线保护装置的一对光纤接口相连。

系统中所有保护装置的速断保护均可设置为零时限，保护定值可按保证灵敏度整定，且不需要上、下级保护定值的严格配合。当系统发生短路故障时，相关的保护装置可能同时启动，当达到保护定值时，距离故障点最近的本级保护装置动作，并通过服务器的光纤接口电路进行逻辑判断，同时逐级向上级保护传递保护故障信息，上级保护装置收到保护故障信号后与下级保护装置建立通信，实时检测下级保护的动作情况，等待距离故障点最近的开关跳闸，若跳闸成功则故障信号自动消失，若跳闸不成功则经短延时（保护动作时间+断路器固有动作时间，可整定）由上级保护装置切除故障。③光纤差动保护技术。光纤差动保护技术用于防“越级跳闸”系统，其保护原理如图2所示。在上、下级变电站的进、出线开关成对配置MPR303S光纤差动保护装置，并在保护装置间设置光纤通信信道。当供电线路发生区内故障时（D1、D2、D3），线路差动保护动作，供电线路两侧开关跳闸，切除线路故障；当发生供电线路区外故障时（D4、D5、D6），线路光纤差动保护不动作，而由对应的出线保护装置切除故障（但D6点的母线短路故障只能由G0或G1保护的时限过流后备保护切除），实现防“越级跳闸”功能。

光纤差动保护为供电系统防止“越级跳闸”提供了又一种技术选择。光纤差动保护可与智能零时限电流保护系统配合应用，即各变电站进出线之间采用光纤差动保护实现故障隔离，变电站内部采用智能零时限电流保护，如图3所示。

目前许多在用的矿用保护装置所采用的漏电保护原理仍使用“功率方向型”、少数采用其他漏电保护原理。由于矿井电网的规模越来越大，系统电容电流远大于《煤矿安全规程》规定的允许值，因此，矿井电网大多采用消弧线圈接地方式，用以补偿系统电容电流，在这种状况下，如仍使用功率方向型漏电保护原理的保护装置，则势必造成系统漏电保护“误动”现象频繁发生。

3 系统设计与实施

3.1 防“越级跳闸”系统设计 本方案采用智能零时限电流保护配合光纤差动保护技术实现寺河矿井下东二盘区6KV变电所供电系统的防“越级跳闸”系统，解决井下电网的“越级跳闸”问题。

MPR304S数字式矿用综合保护装置内置智能零时限电流保护和光纤差动保护功能，可通过保护装置的菜单设置保护功能。地面35KV变电所的下井线路更换2台DPR362LF光纤差动保护装置与井下变电所的进线开关保护装置配合实现光差保护。

智能零时限电流保护功能需要MPR304S矿用综合保护装置和KHL127矿用电流保护控制器配合完成，井下每台高压防爆开关需要更换为MPR304S综合保护装置、每个井下变电所需配置1台KHL127控制器。保护通信网络具有通道监视功能，当通信中断时不影响MPR304S保护装置的本身的常规保护功能，并可在保护装置上显示通信中断信息，同时通过监控网络将信道中断信息上传至电力监控中心。

防“越级跳闸”保护系统通信网络和电力监控通信网络使用独立的网络信道，以保证系统具有可靠的通信。

3.2 实施方案 寺河矿井下6KV供电系统东二盘区变电所，共有高压防爆开关10台，需要进行改造更换MPR304S综合保护装置。主要设备配置如下：

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3.3 实例说明 2013年5月28日17：41分该矿准备二队三组动力移变高压侧发生三相短路事故，导致东二变电所8#高开短路跳闸（延时0s），所内10#电源高开显示“逻辑信号动作”故障，但未跳闸，地面35KV站620#柜报“整组起动”故障，一次侧电流动作值为6204.05A，故障动作延时0.1s（过流I段整定值为4500A，延时0.12s），由于未达到短路整定延时，所以地面35KV站620#柜未跳闸。

准备二队三组动力移变高压侧发生三相短路，動作电流较大达到短路速断整定值，动作时间未达到地面变电所620#柜整定延时但达到了井下变电所10#电源开关电流速断保护延时定值，逻辑闭锁压板已投入，8#高开跳闸，故障消除后电流速断保护闭锁解锁时间满足要求，故而将跳闸等级限制在井下变电所分开关电源侧（也可以说成电源开关负荷侧），实现了防越级跳闸的功能。

4 结论

寺河矿井下变电站综合自动化系统融入了智能零时限电流保护、光纤差动电流保护、改进型零序导纳原理的漏电保护所组成的防“越级跳闸”电力自动化监控系统等多项创新技术，所采用的先进技术致力于解决当前矿井电网存在的小电流接地系统漏电保护（接地保护）的可靠性技术难题。

参考文献：

[1]杨正理.电力系统继电保护原理及应用[M].机械工业出版社，2010.

[2]李瑞生.光纤电流差动保护与通道试验技术[M].中国电力出版社，2006.

[3]王芊，金华锋，石铁洪，等.用于差动保护的E1速率通信接口[J].电力系统自动化，2003.