中煤平朔井工一煤矿防越级跳闸系统应用探讨

孙健，张志强（中煤平朔集团井工一矿，山西 朔州 036006）



中煤平朔井工一煤矿防越级跳闸系统应用探讨

孙健，张志强
（中煤平朔集团井工一矿，山西 朔州 036006）

目前井工煤矿的防越级跳闸方案较多，每种方案都有自己的技术特点，对这些方案的原理进行分析对比后，根据煤矿自身的实际条件选择合适的防越级跳闸方案很有必要。

职能定位；速断保护；状态监测

0 引言

井工煤矿井下工作环境恶劣，单相接地（漏电）故障无选择性跳闸成为煤矿供电的普遍现象，严重威胁供电安全，矿井高压电网85%以上的故障均为单相接地（漏电）故障或接地（漏电）故障引发的短路故障、过电压故障。依靠传统的过流继电保护很难解决越级跳电问题，因此针对矿井短路越级与漏电无选择性跳闸关键技术进行研究，真正解决煤矿供电难题，提高煤矿供电可靠性具有重要意义。

1 防越级跳闸方案比较

目前解决越级跳闸方法主要包括以下几种：空节点闭锁方法、通讯闭锁方法、光纤纵差方法、集成保护方法以及智能定位法。（如表1所示）

1.1 空节点闭锁法

空节点闭锁法是利用下级保护的速断跳闸空节点利用电缆（或光缆）接入上级保护，上级保护跳闸前检测是否有下级闭锁信号避免误动作。这种方法是理论上最简单最直接的方案，但也是效果最不好、问题最多的方法。其主要不足：需要增加额外的电缆、光缆和闭锁辅助分站、由于是弱信号极易受干扰造成误闭锁、由于某种原因闭锁信号电缆断开不能预警造成漏闭锁、信号动作和接收消抖造成延时很长等等。目前，行业新的设计中已经没有厂家采用此方案，采用此方案的均是一些老产品。

1.2 通讯闭锁法

通讯闭锁法就是利用通讯的方式把下级保护速断信号传递给上级，上级跳闸前监测此信号，与节点闭锁法的唯一区别是信号传输采用了通讯的方式。基于通讯的快速性要求一般有两种方法即现场总线法和光缆通讯法，而且此通讯通道一般独立于日常的电力监控，即在原来的电力监控基础上增加现场总线或光缆传输通道实现防越级跳闸信号的传递。此方法的不足：必须增加独立设备和通讯通道、只能实现单纯的短路故障防越级、防越级闭锁信号采用私有协议不能与其它厂家兼容等。

1.3 光纤纵差法

光纤纵差法即利用KCL原理，将地面的线路光纤纵差移到井下的联络线路，不再采用速断保护，进而避免越级跳闸。此方法的缺点：需要在变电所间建设独立的光缆传输通道、光纤纵差保护装置原理复杂并且维护复杂、变电所母线故障不能实现防越级跳闸、只能实现线路短路故障防越级。这种方法一度流行也有一定代表性，但也饱受诟病。

1.4 集成保护法

这种方法也源于智能变电站的技术，把全矿井所有高爆的信号通过光缆传递到地面保护主机，由此集中的保护主机完成故障判断识别故障区域进而避免越级跳闸。这种方法理论上很好，与常规配网自动化的故障隔离技术也有一定相似性，但问题在于施工极其复杂需要敷设大量光缆从井下变电所到地面、地面的集中型保护装置维护极其复杂、供电系统有变动时集中保护需要修改算法而这只能依靠厂家完成等等。所以此种方法只有极少数厂家采用，推广难度极大。

1.5 智能定位法

即KJ698的方法，它是基于智能配网的快速FA技术，复用电力监控的以太网通道、利用IEC61850的GOOSE通讯技术使全矿井保护器建立横向通讯，使保护、故障诊断等不再仅仅基于本保护器的电流电压信息，其动作依据更多，更好的利用了大数据技术，而不需要增加其它任何附加成本，且可靠性有极大的保障，未来又具有扩展性，可以与其它厂家设备互操作，是个透明系统。其所有的保护器均为以太网通讯。

另外，如果不更换地面保护而且使故障不越级到地面变电所的方法：确保地面保护定值足够大不覆盖到井下变电所的出线（单靠定值较难，可以采用光纤差动设备）、速断保护增加延时200~300 ms，确保井下开关能切断故障时为其留有足够时间。这是个理论问题，无论何种防越级方案均不可避免，而且此延时时间为最短方案，再缩短将对开关设备提出更高的要求。

2 防越级跳闸系统

平朔井工一矿结合矿井供电运行状况采用了智能定位法防越级跳闸系统，利用IEC61850的GOOSE通信技术，当故障发生后，采取下级闭锁上级的闭锁模式，实现保护的纵向选择性。

如图1所示，各个保护器按照供电走向划分为不同的层级，当故障发生时，保护装置启动的同时向上级装置发出闭锁信号，同时检测下级是否有闭锁信息发出；装置检测到下级装置的闭锁信息则闭锁保护出口，否则经过短延时后跳闸。如果上级装置经过一定时间后仍然检测到故障存在，则后备保护动作。

表1 四种保护方式的优缺点对比

图1 故障保护分段示意图

保护装置的速断保护及过流保护定值保持原系统定值不变，或者在不影响正常工作的情况下将保护定值进行优化。当故障发生时，所有检测到故障的装置通过以太网络以GOOSE报文的方式发送保护闭锁报文。接收闭锁报文确认时间不大于50 ms。保护装置在保护启动的前提下，如果收到任何低层级装置的保护闭锁信号，将进入保护闭锁状态，总的保护延时闭锁时间不大于50 ms（从保护启动算起）。故 障处理流程图如图2。

3 通信系统

该系统通信方案采用光纤以太网通信方式，每个变电所配置一台光纤以太网交换机，通过光纤所有交换机连接，通信结构图如图3。

各个变电所的光纤以太网交换机的电源取自变压器的低压侧，可选127 V电源等级。

4 电力监控

煤矿电力监控系统在实现提高供电可靠性的同时，在实现“四遥”电力监控的基础上，结合煤矿井下供电系统的实际情况增加一定的实用化功能，使该系统更完整的反应煤矿井下供电系统的运行状况，简化管理，优化运行。

4.1 保护功能

矿用保护智能测控装置，能完整实现对井下电缆、变压器等设备的保护功能，保护类型包括电流保护、电压保护、漏电保护等。

图2 故障处理流程图

图3 通信结构图

4.2 “四遥”功能

井下供电系统各高压供电点运行模拟量、状态量实时上传；地面集中监控中心远程操作分合隔爆开关及保护装置的定值修改。

4.3 二次设备的状态监测与管理功能

二次设备完善的自检、交叉互检、网络探测等实现了自动化系统的实时在线监测。

4.4 强大的故障录波功能

系统各保护设备均支持强大的故障录波功能，录波数据可以上传到监控中心，辅助运行人员快速判断故障类型和故障位置。

4.5 在线仿真

系统支持运行中或系统变更后的在线仿真功能，能模拟系统各个点故障，检查系统中各保护设备的动作行为，进而检查系统参数配置的合理性。

4.6 面向系统的智能故障、告警

每次故障或告警，系统均能自动生成故障记录，故障记录包括故障时流过故障电流的各保护设备的动作情况、故障跳开支路的动作时间、电流大小及录波波形等。该功能可以使运行人员对每次故障及保护系统的反应情况进行综合的了解，进而解决潜在的整定或运行问题。

防越级跳闸系统能减少煤矿供电系统的越级跳电次数，提高供电系统的安全性，但每一种系统在原理和应用上都存在一定的缺陷，如何把系统的功能最优化发挥，扬长避短才是我们用户应该长期坚守的原则。

[1] 张文超.煤矿供电防越级跳闸保护系统的应用研究[硕士学位论文].辽宁：辽宁工程技术大学，2010.

[2] 罗娟，贠保记，雷富坤.防止煤矿供电越级跳闸新方法的研究[J]西安科技大学学报，2014,01(34):62~66.

[3] 吴文瑕，陈柏峰，高燕.井下电网越级跳闸的研究及解决建议[J].工矿自动化，2008,08(06):136~138.

[4] 张根现，马星河，张传书，刘冲，邹有明.井下高压电网防越级跳闸系统研究[J].煤矿机电，2009,02:56~58.

[5] 卢喜山，张祖涛，李卫涛.煤矿供电系统基于纵联差动保护原理的防越级跳闸技术研究[J].煤矿机械，2011,04(32):71~73.

[6] 史丽萍，赵万云，蒋朝明，曹雪祥，吴晨.煤矿井下防越级跳闸方案[J].煤矿安全，2012,08(43):115~117.

[7] 尹成迅，潘献全.煤矿供电系统越级跳闸研究[J].煤炭科学技术，2011,06(39):66~69.

[8] 孟惠霞，胡满红.煤矿井下短路越级跳闸的故障分析[J].煤矿机械，2009,02(30):223~224.

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