南山煤矿井下高压供电系统防越级跳闸实验及应用

摘 要：煤矿安全可靠的供电系统对矿井的安全和生产起着至关重要的作用。南山煤矿通过对北京天能继保电力科技有限公司开发的井下高压供电防越级跳闸系统的实验及应用，提升了煤矿井下供电系统的可靠性，有效减少事故的范围，对供电系统故障的快速判断和定位，为分析和处理事故提供直观的数据，提高了事故的恢复速度。

关键词：供电系统；防越级跳闸；电力保护自动化；监测监控

1 概述

南山煤矿于1983年被鉴定为煤与瓦斯突出矿井。现有2个综采队，8个开拓队，5个掘进队。入井电源电缆9条，井下4个中央变电所，14个采区变电所，高压防爆开关207台，井下高压供电级数最多达6级，最远供电距离3.5千米，这种拓扑结构导致过流保护整定困难，也不能通过增加多个时间级差来保证保护的选择性，因而在发生短路故障时极易出现越级跳闸的情况。

针对上述问题，提出有效的解决方案，构建井上、井下供配电一体化监控系统，提高煤矿供电系统的供电可靠性，为煤矿安全生产提供有力保证。

2 总体方案

2.1 线路选择

试验线路选择南山煤矿的高档区235工作面动力电源。

整个系统分四级，安装防爆高开6台，铺设光缆3300米，在北翼中央变电所、北五区变电所和高档区235变电列车三个地点安装三台电源箱和三台交换机。北翼中央变电所为最高级（1、2级），北五区变电所为3级，变压器为末低级（4级）。

2.2 系统构成

系統主要由三个部分构成，分别为后台监控系统、防爆高压开关保护装置、光纤以太网交换机。其中，防爆高压开关保护装置安装在防爆开关内部替代原有的保护器，光纤以太网交换机安装在各个井下变电所内，后台监控系统布置在机电科调度室。

系统结构如图2。

2.3 主要功能

（1）完成井上井下供电全系统的一体化管理，实现所有线路的实时测量和信号监视，通过监控完成所有开关设备的远程调度控制。

（2）完成井上井下供电全系统的电能计量及远程统计管理，自动形成电量报表。

（3）完成全系统的防越级跳闸功能，通过保护控制器和通讯网络实现全系统故障综合分析，准确的故障隔离，解决现有系统的越级跳闸问题。

（4）系统故障录波功能，能记录故障瞬间、跳闸瞬间的电流电压波形，便于分析故障类型和故障性质。

（5）电能质量分析功能，电压偏差与电压合格率、频率偏差与频率合格率、电压不平衡、各条线路的谐波电压、谐波电流、谐波功率等进行综合分析。

2.4 方案原理及关键技术

本方案主要基于IEC61850的GOOSE通信技术，利用其高速对等通信技术，采取下级闭锁上级的逐级闭锁模式，实现保护的纵向选择性。利用下级变电站保护动作或馈出线保护动作信号快速闭锁本线路保护的速断保护功能，从而实现选择性。考虑极限情况线路末端短路仅靠电流定值无法满足选择性，所有流过故障电流的保护装置均能启动速断保护，本保护装置速断启动同时向上一级发出闭锁信号，同时检测下一级是否有闭锁信息发出，如果检测到闭锁信息则闭锁速断出口，否则经过一个短延时后跳闸，延时时间一般与GOOSE闭锁信息可靠传输时间进行配合，实际应用中在4级及以下出线延时时间不大于50ms即可保证信息传输的可靠性。

GOOSE技术特点如下：

（1）GOOSE是IEC61850定义的一种通信机制，用于快速传输变电站事件；诸如命令、告警、指示、信息。

（2）高优先级，传输速度快，理论传输时间<4ms。

（3）统一的FA数据接口，实现不同厂家FA功能的互操作。

（4）高效可靠的重发机制，保证数据的安全性。

（5）P2P的对等通信方式，实现设备间互操作

如图3所示，考虑极限情况线路末端短路仅靠电流定值无法满足选择性，所有流过故障电流的保护装置均能启动速断保护，本保护装置速断启动同时向上一级发出闭锁信号，同时检测下一级是否有闭锁信息发出，如果检测到闭锁信息则闭锁速断出口，否则经过一个短延时后跳闸，延时时间一般与GOOSE闭锁信息可靠传输时间进行配合，实际应用中在4级及以下出线延时时间大于40ms即可保证信息传输的可靠性。

3 实验方法

3.1 实验目的

模拟防止越级跳闸的功能实验，检验装置是否符合设计标准。

3.2 过流故障实验

3.2.1 试验步骤

（1）故障点设在500KVA变压器，首先把关系到试验的2000KV

A变压器、1000KVA变压器、500KVA变压器所带的负荷停止运行。

（2）手动分500KVA变压器高爆开关后，拉出高爆开关手车，拆掉500KVA变压器高爆开关负荷线并在其高爆开关内用短接线短接A、B两相。

（3）北翼1#、北翼2#、北五区高爆开关保持在合闸位置。在地面通过后台计算机把北翼1#、北翼2#、北五区、500VKA变压器的高爆开关保护过流一段定值全部设置成实验定值。

（4）通过后台遥控500VKA变压器高爆开关。

（5）观察实验结果。

3.2.2 过流故障实验结果（表1）

500KVA变压器高爆开关动作事件后台监控系统截图（图4）：

GOOSE闭锁事件后台监控系统截图（图5）：

4 应用前景及效益分析

该系统可在地面调度中心站对高防开关进行合、分闸操作，对报警、保护信号进行复归减少停送电时间，实时显示高防开关的运行状态；并能及时显示高防开关跳闸故障类型、时间，并存储各种故障信息和越限报警信息； 系统具有故障录波功能和事故追忆功能，能将故障时的有关参数记录下来，为事故分析提供依据。对系统可在主站对保护单元的整定值进行调整，系统管理维护方便。该系统的应用将解决井下供电不安全隐患，解决井下变电所人员问题，对供电设备进行全程监控，最重要的是系统具有良好的监测，监控作用，对解决以往井下供电不安全隐患问题起到重要防范作用。并且完善了井下安全供电管理，满足井下对用电质量和用电可靠性的要求，该系统监控和保障作用显著，有力地促进了煤矿的安全生产。广泛推广应用该系统对保证煤矿井下供电系统的安全性和可靠性以及提高煤矿的经济效益有着重大的现实意义。

作者简介：马志国（1977，11-），男，2010年毕业于辽宁工程技术大学机械工程及自动化专业，工程师，现在龙煤鹤岗矿业有限责任公司南山煤矿机电科从事机电技术管理工作。