新峪煤矿多级供电网络的防越级跳闸技术与应用

2014-10-22 09:34杨贵生

山西煤炭 2014年7期

杨贵生

（山西汾西矿业集团水峪煤业有限责任公司，山西孝义 032300）

新峪矿建于上世纪60年代，随着矿井开采的延伸，井下供电网络越来越复杂，目前的“五采”、“六采”两个主力采区均为多级串联供电方式。由于供电级数多、供电线路短，传统的电流保护难以满足选择性和灵敏性的配合要求，在井下供电系统发生短路故障时，出现越级跳闸现象，造成大面积停电，且不能迅速判明故障位置，延误送电时间，直接影响井下安全生产。

为解决多级供电网络的越级跳闸问题，除加强技术管理、提高设备可靠性外，研究应用有效的继电保护选择性配合技术才是治本之策。

1 多级供电网络出现越级跳闸的原因

矿井电网出现越级跳闸的原因有很多[1-2]，排除其他因素，矿井多级供电网络缺乏有效的保护配合方法是重要原因之一。

传统保护采用阶段式电流保护方法[3]，即通过电流和时限定值的配合实现保护的选择性。通常采用三段式电流保护，即第Ⅰ段为无时限电流速断保护，为满足选择性，其电流定值应按躲过下级母线的最大短路电流整定，时限定值为0 s，因此，它只能保护线路的一部分；第Ⅱ段为时限电流速断保护，它必须保护线路的全长，因此，其电流定值应按下级母线的最小短路电流校验灵敏度，而时限定值一般需要时限级差的配合才能满足可靠的选择性要求；第Ⅲ段为过电流后备保护，需要时限级差配合来满足选择性。

目前新峪矿现有供电结构难以实现上述三段式电流保护的选择性配合要求，原因为：①由于供电级数多，采用Ⅱ段时限电流速断保护所需要的时限级差不能满足与地面变电所主变过电流后备保护的时限配合要求；②从保护的灵敏性要求考虑，一味的通过延长时限来保证故障时的选择性，将增加设备损坏的风险；③井下变电所一般在进线开关配置速断保护，以便快速切除母线故障，但更增加了保护选择性配合的难度；④新峪矿井下采区变电所大多为“T”接串联供电方式，传统保护在技术上无法实现这种供电结构的选择性配合要求。因此，多级串联供电网络保护选择性和灵敏性的矛盾十分突出，这也是继电保护规程不推荐采用多级串联供电方式的原因[4]，但限于煤矿特殊的工作环境，这种供电方式在矿井电网不能完全避免。

基于上述原因，井下多级供电网络在进行继电保护整定时，只能保证灵敏性而牺牲选择性，即只应用Ⅰ段无时限速断和Ⅲ段过电流保护，且无时限速断的保护范围将延伸至下级母线甚至更远，造成保护范围重叠且无配合，这是系统故障时出现越级跳闸的主要原因。

2 智能零时限电流保护技术

为解决保护选择性配合造成的矿井电网越级跳闸问题，开发了基于网络智能识别技术的防越级跳闸系统，并进行了工业试验及具体应用。

2.1 智能零时限电流保护的设计思想

根据上述分析，矿井多级辐射状电网存在保护选择性和灵敏性无法兼顾的矛盾，解决这个矛盾是设计有效的防越级跳闸系统的关键。

随着数字化保护和网络通信技术的发展，继电保护装置不再是孤立计算、独立运行的保护元件，通过保护装置间的网络通信，实现跨元件的互操作是数字化保护技术发展的特征。基于这种技术特征实现网络保护系统，是新型保护配合技术的主要设计思想，将其定义为智能零时限电流保护。

2.2 智能零时限电流保护的系统结构与原理

智能零时限电流保护的系统结构,见图1。保护系统由综合保护装置和通信服务器构成。保护装置以32位DSP为硬件平台，具有光纤通信接口，基于嵌入式实时多任务的软件平台；通信服务器采用FPGA处理技术，全光纤通信方式。

图1 智能零时限电流保护的系统结构

通信系统结构，见图2。保护装置设计有A、B两对光接口，其中一对光口与通信服务器的对应母线的接口板连接，联络开关的两对光接口分别与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所的出线保护装置通信。

图2 保护系统通信系统结构

见图1，当D2点发生短路故障时，该线路的DLD1保护启动，并通过A光接口将故障信息发送给通信服务器，服务器将故障信息转发给进线保护DLD0，告知其故障位置，同理，DL-D0依次将信息向上转发；本级保护DL-D1完成故障处理程序后出口跳闸，而上级保护DL-D0则处于后备状态，并与DLD1保持通信，一旦DL-D1跳闸成功，则DL-D0及后续保护全部释放返回，若DL-D1保护在规定的时间内没能成功跳闸（开关拒动），则处于后备状态的DL-D0保护启动出口跳闸程序，并再次向上级保护发送故障状态信息，防止开关拒动时造成再上级的保护越级跳闸。这是智能零时限电流保护技术的基本工作原理。

2.3 智能零时限电流保护的技术特征

基于网络通信技术的智能零时限电流保护有以下技术特征：

1）采用网络通信方式解决了保护选择性与灵敏性的矛盾。不需要电流定值和时限定值的严格配合即可实现上下级保护的选择性配合。通信技术的应用实现了故障定位，无论短路故障发生在哪一级，均为快速动作的速断保护；

2）实现了逐级快速后备保护。与传统的被动等待的后备保护方式不同，智能零时限电流保护采用主动通信的后备保护方式，减小了后备保护的动作时间（100～150 ms），并且实现开关拒动状态下后备保护不越级；

3）简化了保护的配置，消除了保护死区。供电系统的任意开关均可设置保护功能，无需考虑能否配合。与传统保护方式不同，智能零时限电流保护在消除了保护死区的同时保证了选择性。

3 应用实例

图3为新峪煤矿五采区变电所采用智能零时限电流保护技术的防越级跳闸系统应用实例。在每个变电所安装了一台通信服务器，将高压开关的保护装置通过光缆与通信服务器连接通信，一号中央变电所进线开关的一个保护光接口与地面变电所出线开关的保护装置连接通信，组成了全光纤通信的防越级跳闸系统。

图3 防越级跳闸系统应用实例

该系统五采四段变电所通过五采三段进线开关“T”接供电，这种供电方式的任意一个变电所内发生故障越级跳闸时，均可能造成两个变电所同时停电，实为应用时应避免的供电方式。而采用智能零时限电流保护后，通过在五采三段变电所的2号电所的通信信号综合后与一号中央变电所对应的出线保护接口通信，则可保证任意变电所发生故障时，均能起到防止越级跳闸的效果，体现了智能零时限电流保护技术的应用灵活性。