智能零时限电流保护在井下防越级跳闸的应用

邢彦伟

(西山煤电股份公司 太原选煤厂,山西 太原 030023)

·技术经验·

智能零时限电流保护在井下防越级跳闸的应用

邢彦伟

(西山煤电股份公司 太原选煤厂,山西 太原 030023)

大型现代化煤矿井上下供电网络的发展存在差异，井下供电系统级数多，设备集中，并且不同厂家的设备灵敏度不同，发生短路时经常出现上级保护越级动作的情况，甚至造成矿井大面积停电事故。为解决这一问题，提出以光纤差动保护技术为基础，通过MPR304S矿用综合保护装置和KHL127型矿用隔爆型电流保护控制器配合智能零时限电流保护技术来实现防越级跳闸的方案。试验表明，该系统能够较好地解决煤矿井下越级跳闸的问题。

井下供电网络；越级跳闸；智能零时限电流保护；光纤通信

随着电力系统的发展，特别是在矿井建设现代化、自动化理念的影响下，近些年煤矿地面电网发展很快，基本实现了变电站综合自动化，但受空间限制和井下环境影响，煤矿井下电网的自动化水平却仍然相对落后。同时井工煤矿供电网络的构建需经过地面、井下、终端设备等多个变电场所，这种供电方式用电设备集中，上下级之间供电线路很短，而且供电级数较多，不同场所短路电流非常接近，定时限速断保护具有一定的危险性，只能作为下级开关速断保护的后备保护，如果各级开关只设置主保护为零时限速断保护，下一级母线处发生短路时的故障电流必然大于上一级速断整定值，造成上下级保护同时达到跳闸条件，从而发生越级跳闸事故[1]. 也就是说，矿井电网发生故障时各级保护装置不能进行选择性跳闸，除非牺牲故障切除的快速性来保证选择性[2]. 但随着煤矿电网供电系统越来越复杂，要想保证系统的稳定性就必须缩短动作时限，因此，现代化大型煤矿必须解决继电保护因无选择性配合或配合不可靠发生的“越级跳闸”[1]. 本文提出一种光纤差动保护和智能零时限电流保护技术相结合的解决方案。

1 系统方案设计

1.1 光纤差动保护技术

光纤差动保护是在电流差动保护的基础上演化来的[3]，其基本原理基于克希霍夫基本电流定律。它不受运行方式变化的影响，能够理想地使得保护实现单元化，同时由于上下级的保护装置之间不存在电联系，系统运行可靠性大大提高[4]. 光纤电流差动保护系统的典型构成见图1. 光纤分相电流差动保护借助于线路光纤通道，实时向对侧传递采样数据，同时接收对侧的采样数据，各侧保护利用本地和对侧电流数据按相进行差动电流计算。根据电流差动保护的制动特性方程进行判别，判为区内故障时动作跳闸，区外故障时保护不动作[4].

图1 光纤差动保护配置原理图

如图1所示，假设M侧为送电端，N侧为受电端，则M侧的电流由母线到线路，N侧的电流由线路到母线，两侧电流大小相同但方向反向，线路两侧的差电流是零；当保护装置发生区内故障时，故障电流都是由母线流向线路，方向相同，线路两侧差电流发生变化，当其满足电流差动保护的动作特性方程时，保护装置发出跳闸令快速将故障相切除[5].

光纤差动保护技术作为解决越级跳闸的方法之一，不与其他保护配合也能确保断电动作灵敏、准确，但煤矿供电存在“T”接线路，会出现高压开关电流互感器(CT)不符合差动保护的问题。同时光差保护具有绝对选择性，无法对母线故障起到保护，仅依靠后备保护在保护装置上存在死区。

1.2 智能零时限电流保护技术

对井下供电系统中的高压防爆开关进行分层、分级，上下级保护装置的信息交换通过光纤进行。上一级变电所的进线保护装置上的1对光纤通信接口连接馈线柜保护装置，另一对接口与服务器对应母线的接口连接(点对点方式)。各级保护装置的整定值不用作出明显的区分，整定时限可设为无延时。

如图2所示，当矿井供电网络发生故障，离故障点最近的保护器动作，同时保护装置向上级发送一个逻辑信号，上级保护装置接收到逻辑信号后进行判断，并对下级保护装置的动作情况进行监测，如果下级保护装置已经动作则上级不动作，如果下级保护装置未动作，则上级开关立即跳闸，确保电网安全，所有信号均为光纤传输，速度快，损失小。

图2 智能零时限电流保护配置原理图

1.3 差动保护和智能零时限电流保护技术相结合

实践表明，光纤差动保护技术为了实现保护配合功能，各级变电所的进线开关只能设置过流后备保护，切除故障时间长，变电所母线产生了保护死区。因此，只采用光纤差动保护技术解决越级跳闸的问题并不十分理想，在此基础上配合智能零时限电流保护技术则效果较好，配置原理见图3. MPR304S型数字式矿用综合保护装置提供了这种方案，该保护装置可实现一侧智能零时限保护功能，一侧差动保护。

图3 智能零时限与光纤差动保护配置原理图

当电网系统中支线上D1点出现短路故障时，开关G1、G2的智能零时限保护装置通过配合，使开关G2动作跳闸，开关G1不动作，由于短路点D1在光差保护范围之外，故光差保护范围内开关不动作；当电网系统中母线上D2点出现短路故障，由于短路点D2处于光差保护范围之外，故光差保护范围内开关不动作，但上级开关G1的智能零时限保护装置检测到故障电流，故开关G1动作；当电网系统中主线路上D3点出现短路故障，由于短路点D3处于光差保护范围之内，故光差保护范围之内开关同时动作。采用智能零时限电流保护系统与光差保护系统相结合的技术方案适用于一般的电网系统，可有效地实现防越级跳闸，从而缩小停电范围。

2 防越级跳闸系统设计

防越级跳闸功能由智能零时限电流保护技术和光纤差动保护技术配合实现，系统由智能零时限电流保护设备、矿用保护控制器和通信网络(光纤)组成。

2.1 综合保护装置

MPR304S型数字式矿用综合保护装置包括信号采集系统、滤波电路模块、信号处理系统(32位)、A/D转换、输出模块、通讯模块等。如图4所示，MPR304S保护装置是将采集到的信息通过变换、滤波、处理、A/D转换后采用FPGA进行处理，处理后输出。该装置设计了两对光纤通讯接口，用于防越级跳闸系统，而且系统所有的信号均采取了隔离处理，保证了设备的电磁兼容性。

图4 MPR304S保护装置结构图

2.2 保护控制器

KHL127型矿用隔爆型电流保护控制器与MPR304S矿用综合保护装置配合实现智能零时限电流保护功能。电流保护控制器能够实时收集、分析各保护的故障信息，并和MPR304S矿用综合保护装置建立双向通信(光纤通讯)相互传输信息，实现故障的定位。

控制器由电源模块、光纤接口模块、显示模块等构成，结构见图5. 电源模块集成了后备电源，停电后能维持不低于2 h的电池供电。光纤接口模块由接口板(4块)组成，每个接口板分别有10对光纤接口，每对光纤接口独立工作，各接口的工作状态由显示模块显示。控制器的通信模块采用光纤传输信息，通过FPGA处理信息，具有极高的通信速率，而且工作稳定、可靠。

图5 保护控制器结构图

3 系统测试

在4台PJG9L-6型矿用隔爆型永磁高压真空配电装置中安设MPR304S综合保护装置，按图6所示线路连接，组成1个小型电网进行测试。为了保证试验结果，4台开关分级，编号分别为01、02、03、04，且开关的电流整定值设置相同，动作时间均设置为0 s.

3.1 正常运行时数据测试

1) 测试内容：保证4台高压防爆开关综合保护装置的分励接点正常投运，模拟试验电流达到整定值时4台开关的跳闸情况，观察第4级开关是否正常动作，并测试上级开关是否出现越级跳闸。

2) 测试方法：将每个高开的电流整定值设为一样，均为160 A，动作时间均设置为0 s，然后用升流器升流。

3) 测试结论：每次试验均为第四级开关动作。测试数据见表1.

3.2 第四级开关拒动测试

1) 测试内容：取消第四级高压防爆开关综合保护装置的分励接点，模拟试验电流达到整定值时本开关拒动后上级开关跳闸情况，观察第三级开关是否正常动作，并测试第一级、第二级开关是否出现越级动作。

2) 测试方法：将每个高开的电流整定值设为一样，均为30 A，动作时间均设置为0 s，零时限开放时间设定也一样，均为100 ms，然后用升流器升流，冲击至保护动作。

图6 模拟试验线路图

次序1234操作时间15：15：1215：18：5015：20：4515：22：02设备编号设备型号动作电流动作时间动作电流动作时间动作电流动作时间动作电流动作时间01PJG9L-6(300/5)02PJG9L-6(200/5)03PJG9L-6(200/5)04PJG9L-6(200/5)161A(A相)162A(C相)27ms160A(A相)162A(C相)33ms159A(A相)161A(C相)29ms160A(A相)161A(C相)27ms

3) 测试结论：每次试验均为上一级(第三级)保护动作，没有出现越级跳闸的情况。测试数据见表2.

表2 测试情况表

4 现场应用

如图7所示，矿井供电系统有进线、分段和出线3种类型，并按照母线将变电站分为不同的区域，每个区域配备1套KHL127型通信服务器，MPR304S综合保护装置有2对光纤通信口，分段开关和进线开关将光纤接入不同区的通信服务器，出线开关将光纤接入本区的通信服务器，综合保护装置接收不同区域的信号，信号的传递按照区域自动划分，实现保护系统独立存在，不受其他干扰。王家岭煤矿供电系统建设过程中应用了智能零时限电流保护技术，系统投运以来，井下未发生过越级跳闸现象。

图7 矿井供电系统区域划分图

王家岭煤矿地面变电站2号高开和井下变电所1号高开、5号高开安设MPR304S综合保护装置，通过光纤传输和KHL127型通信服务器组成网络保护系统，综采工作面煤机、刮板输送机等设备从5号高开取电。将1号、5号高开和地面变电站2号高开动作时限设为0 s，速断保护电流设置成400 A，取消5号高开的跳闸接点(人为造成拒动)，刮板输送机电流故障时，1号高开动作，未造成上级电源的保护动作，动作情况见表3.

表3 保护动作情况表

实践表明，智能零时限电流保护能够较好地阻挡井下越级跳闸，目前，此方案已在山西焦煤集团西曲、新峪、双柳等煤矿广泛应用。

5 结 论

智能零时限电流保护技术既满足煤矿供电网络故障切除的快速性，也保证了继电保护的选择性配合。智能零时限电流保护与光纤差动保护配合组成的防越级跳闸系统，同时可作为母线故障的主保护，消除了保护死区，通过与矿井地面电网保护装置的接口对接，可构建一体化的防越级跳闸系统，是一种比较理想的防越级跳闸的解决方案，适用于大多数的煤矿供电网络。

[1] 吴兆法．关于山西王家岭煤业有限公司采区变电所防越级跳闸系统设计及实施[D].太原:太原理工大学,2015.

[2] 丁静波.辐射型配电网络中智能零时限电流保护的应用[J].工矿自动化,2012(11):67-69.

[3] 靳跃中.东庞矿6 kV总配电所光纤纵差保护改造[J].河北煤炭，2011(1):46-47.

[4] 胡 峰.光纤电流纵差保护在220 kV输电线路应用研究[D].广州：华南理工大学，2012.

[5] 陈昌黎,杨 斌.GPS技术在光纤差动保护调试中的应用[J].湖北电力，2010,34(3):16-17.

Application of Intelligent Current Protection of Zero Time Limit in Override Trip Prevention for Coal Mine

XING Yanwei

The development of the power supply network of large scale modernized coal mine is different. There are many stages in the underground power supply system, and the equipments are concentrated. The sensitivity of the equipment from different manufacturers are different. When the short circuit occurs, the higher level protection leapfrog action occurs frequently, even resulting large scale power failure. To solve the problem, proposes the program based on optical fiber differential protection technology, through the MPR304S mine integrated protection devices and KHL127 mine flameproof current protection controller with intelligent zero time current protection technology to achieve anti leapfrog Tripping. The test results show that the system can solve the problem of coal mine over tripping.

Underground power supply network; Override trip; Intelligent current protection of zero time limit; Fibre communication

2016-08-14

邢彦伟(1975—)，男，山西原平人，2013年毕业于山东交通学院，工程师，主要从事选煤厂机电管理工作

(E-mail)13734008486@163.com

TD611

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1672-0652(2016)09-0031-05