防越级跳闸保护器在煤矿井下供电系统的应用

董建文

(大同煤矿集团 浙能麻家梁煤业有限责任公司，山西 朔州 036002)

稳定的供电系统是煤矿安全的重要组成部分，安全供电的基础是各种保护装置齐全、可靠、灵敏，满足稳定性、快速性、准确性的要求。虽然各种保护齐全，但是由于煤矿井下环境恶劣，工作空间狭小，存在煤尘、瓦斯、水等物质，越级跳闸事故时有发生。越级跳闸事故轻则越过一级导致一个采区停电，重则越过多级直至地面变电所，导致整个井下供电系统瘫痪。事故的发生严重威胁井下作业人员的安全，必须采取有效的防范措施。

1 防越级跳闸方法

1) 光纤纵差保护防越级跳闸。上下级间采用光纤纵差保护装置，保护范围固定，区外故障时电流速断保护动作，区内故障时可无延时迅速切除。

该保护基于“电路中流入节点电流的总和等于零”原理，原理简单、使用电气量单纯、保护范围明确、动作不延时，能快速、可靠地切除故障。缺点是必须具有专门的光纤通信通道，不能解决开闭锁多出线与多进线间的保护配合问题，多层级差动复杂性和成本也过高。

2) 接点闭锁防越级跳闸。煤矿井下出现短路故障时，同一电源线上各级保护均启动，下级保护在本级启动时通过继电器接点向上级保护发送闭锁信号，闭锁上级保护不动作。

该保护方法逻辑简单，通过逐级闭锁可在一定程度上实现瞬时速断和保护选择性，达到防越级跳闸目的。缺点是井下供电网络级数较多时，继电器接点传输距离变长，闭锁回路接线复杂，传输可靠性低。同时需要敷设大量闭锁信号电缆，投资及维护量大，可靠性差。

3) 集控式防越级跳闸。在每个变电所安装独立的集中式电流保护分站，不同变电所的分站通过光纤连接。分站与变电所内的保护装置建立通信联系，当某条线路出现故障时，各分站收集保护装置检测到的故障信息，根据线路级联关系确定故障级后，对故障级保护装置发出跳闸指令，实现故障有选择性切除。

集控式防越级跳闸由分站集中判别故障并下达跳闸指令，一定程度上可实现瞬时速断和保护选择性，达到防越级跳闸目的。其缺点：a) 一旦分站网络中断或分站出现故障，会使整个区域防越级跳闸保护判别失效，引起越级跳闸。b) 适应性差，后期维护成本高。如分站区域内供电网络发生变化时，需要重新设置分站的线路级联关系模型和防越级跳闸判别逻辑，而分站更新程序不但存在安全隐患，而且受制于分站厂家，增加了维护成本。

2 XRKJ-600分布式防越级跳闸保护器

2.1 工作原理

该系统基于自适应保护原理，对上下级供电系统进行母线编号，区分开关的上下级供电关系。当某一级发生短路时，本级保护动作，同时发送保护闭锁信号至上级保护装置，使上级保护封闭自身保护出口，实现本级开关保护优先动作；下级故障解除，收到解除信号后开放保护出口；下级开关发生拒动时，上级保护超过设置的保护延时后，自动解除闭锁开放保护出口，实现跳闸。根据现场实际运行方式自动调整保护策略，在供电系统由最小运行方式改变为最大运行方式后，无需更改保护定值，不会影响越级跳闸防护效果。

2.2 系统特点

XRKJ-600分布式防越级跳闸保护器采用分布式区域保护，保护装置利用本间隔单元和相邻间隔单元的故障信息(电流越限、故障电流分量方向等)和电网拓扑结构信息(开关状态等)，依据内外部故障的信息特征，就地准确定位故障位置，快速切除故障区域；保护器具有测控、保护、显示、通讯、故障原因追忆的功能，既可保护本间隔电气元件，又可通过信息交互了解自己在整个供电系统中的位置，提供面向整个供电系统的保护，摒弃了只对线不对面的保护方式，提高了系统整体供电的安全性和可靠性。

3 应用实例

3.1 概 况

麻家梁煤矿供电系统由地面变电所、井下中央变电所、东采区1#变电所、东采区3#变电所、西采区1#变电所、西采区2#变电所、东机头大巷变电所及西机头大巷变电所构成。采用XRKJ-600分布式防越级跳闸保护器进行供电保护，根据上下级母线编号构成供电系统图，确定线路开关所属关系，当某条线路检测到保护启动时，通过以太网的IEC 61850 GOOSE通讯传输信息到闭锁其上级线路开关，在其上级开关收到闭锁信号后，自身闭锁保护，同时向自身的上级线路开关发送闭锁保护信号，逐级向上传输，传输时间在10～30 ms；在发送闭锁信号的同时，检测到保护启动的开关准备保护动作，如果这时检测保护信号返回，逐级发送解锁保护信号。电力调度监控系统图见图1. 防越级系统测试模拟系统主接线图见图2.

图1 电力调度监控系统图

图2 防越级系统测试模拟系统主接线图

变电所间隔名称闭锁情况时间备注东采区3#变电所中央变电所地面110kV变电站10#3#水泵02#二回进线10#02#二回进线428下井线至中央变二回进线发短路保护闭锁至东采区3#变02#高开解除至东采区变02#高开短路保护闭锁发短路保护闭锁至中央变10#高开解除至中央变10#高开短路保护闭锁接收东采区3#变电所变08#高开闭锁接收东采区3#变电所变08#高开开放发短路保护闭锁至中央变02#高开解除至中央变02#高开短路保护闭锁接收东采区3#变电所变02#高开闭锁接收东采区3#变电所变02#高开开放发短路保护闭锁至地面变428开关解除至地面变428开关短路保护闭锁接收中央变10#高开闭锁接收中央变10#高开开放接收中央变02#高开闭锁信号(XRKJ-600-T简化装置闭锁接点打开,保护出口被闭锁),164ms后井下故障消失,装置闭锁接点返回,原保护跳闸回路接通2018年12月24日17时43分33秒656毫秒2018年12月24日17时43分33秒818毫秒2018年12月24日17时43分33秒656毫秒2018年12月24日17时43分33秒820毫秒2018年12月24日17时43分17秒656毫秒2018年12月24日17时43分33秒818毫秒2018年12月24日17时43分33秒660毫秒2018年12月24日17时43分33秒825毫秒2018年12月24日17时43分17秒658毫秒2018年12月24日17时43分33秒820毫秒2018年12月24日17时43分33秒664毫秒2018年12月24日17时43分33秒826毫秒2018年12月24日17时43分17秒660毫秒2018年12月24日17时43分33秒820毫秒2018年12月24日17时43分33秒660毫秒2018年12月24日17时43分33秒824毫秒闭锁相对时间162ms闭锁相对时间164ms被闭锁相对时间162ms闭锁相对时间164ms被闭锁相对时间162ms闭锁相对时间162ms被闭锁相对时间162ms被闭锁相对时间164ms

3.2 防越级跳闸试验

XRKJ-600分布式防越级跳闸保护器投入后，进行了越级跳闸试验，试验数据见表1，表2. 由表1，2可知，事故发生后，短路电流达2 000 A，而东采区3#变电所8#高开、3#水泵速断整定值为400 A，东采区3#变电所02#高开进线速断整定值为800 A，中央变10#高开出线速断整定值为800 A，中央变02#高开进线速断整定值为1 800 A，该级联供电线路的速断保护整定值都小于短路动作定值；而东采区3#变电所02#高开、中央变10#高开、中央变02#高开、428开关均未跳闸，此时，系统防越级跳闸功能启动，只有东采区3#变电所10#高开短路保护动作，速断跳闸，本级变电所高压开关柜总控开关及上一级变电所高压开关柜配出开关均没有跳闸。

表2 各级保护动作情况记录表

4 结 语

XRKJ-600防越级跳闸保护器考虑了引起越级跳闸的多种因素，通过保护设备间的信息传输，就地诊断，准确定位、可靠性高、故障切除时间快，实现了全保护区域的越级跳闸防护，能够有效预防煤矿供电系统越级跳闸事故。