现场开关中防越级跳闸保护装置的应用分析

＊任俊卿

（晋能控股煤业集团晋华宫矿 山西 037016）

引言

决定井下煤矿的安全性能的首要因素就是井下煤矿是否具备安全的电网，不断开采煤矿的过程中，采煤的井下巷道以及工作面都在持续延伸和扩展，所以需要更加复杂的电网系统去加强生产保障，但是一直上升的变电所每一级所需的数量，大大增加了计算和整定继电保护的准确性，以往传统的过流保护和速断保护根本达不到预期标准，经常会出现误操作或者越级跳闸的情况，其供电系统的升级必须加强彻底性，其相关功能首先需要增加保护跳闸的防越级功能。

1.分析出现电网在井下越级跳闸的几个因素

井下煤矿一般都是潮湿的空气以及狭窄的巷道，许多设备必须同时带电工作，但是供电线路的上下级相对较短，加之井下复杂的供电走向，线路保护过程无法顺利整定出定值电流，尤其是采区多级变电所的晋华宫矿的级联现象，线路末端得到差别不大且相似数值的短路电流，使选择性大大降低，无法轻易改变上下级不同大小的整定值。而且，必须设置较快的保护动作，才能很好的应对短路或者漏电的供电线路，只有第一时间断开故障，才能帮助整定配合不同线路保护时提升相关的时间。所以井下出现故障的线路很大机率都会发生越级跳闸，从而发生大片停电，这对矿井生产安全造成了极大的影响。

2.设置跳闸防越级的相关保护方案

以往越级跳闸的情况出现在井下线路时，选择以前的速断保护方案不能达到选择性目的，所以在安全生产煤矿的过程中，不断的在攻克井下防止出现越级跳闸的供电线路问题。因此越来越多的人开始研究这个热点问题，制定了不同的方案实现煤矿企业设备自动化的安全供电目标，最终形成了以下几种方案：双口通讯法和延时速断电流法还有保护地面通讯法和保护光纤纵差法以及闭锁速断电流法：

（1）双口通讯法的工作过程和保护地面通讯法差不多，优点是高效传输和快速判断加装了通讯接口RS485保护器以及电流故障信号传输的CAN专业口，挨个串联保护器每一级的CAN口，在故障发生后可以实现线路开关附近故障点向上一级依次传输故障信息，传达到保护器后可以立即做出逻辑判断，得到本机的跳闸确切情况。其自主判断发生于保护器的上下级互相通讯，无需地面主机进行监控操作，大大加强了处理故障的效率。

（2）保护光纤纵差法必须敷设保护器光纤通讯达到所谓的纵差保护。这一方案的优点是具备可靠的灵敏动作，以及较高的准确性，能够有效的降低越级跳闸现象。缺点是只能保护单一线路光纤的敷设开关上下级，比较局限。

（3）保护地面通讯方案是增加电网的全套智能系统，达到利用地面主机即可监控读取不同的电流信号在开关保护器相关动态，地面主机根据相应的结果做出指令，帮助短路的故障完成跳闸开关。缺点是不具备可靠性，因为每一个环节和传输时间不同，所以有较慢的跳闸延迟，会影响供电系统。

（4）闭锁电流速断方案是选择指定的保护器和安设闭锁短路的模块，加速对应开关的跳闸时间，并加强无需跳闸的闭锁开关。缺点是必须连接闭锁线并安装控制闭锁短路设备。

（5）延时电流速断方案是利用保护开关上下级产生的时间加强选择性。缺点是只适用较少级数的供电系统，较长动作的保护时间无法达到迅速动作规定的电力继电保护系统。

3.分析应用现场的保护跳闸防越级装置

变电所的晋华宫矿采用了技术研究改进的馈电低压开关加装的自动测控微电脑装置，其型号是WZD-757。选择跳闸防越级的双口通讯方案，投入使用两年多内一直平稳运行，发生短路或漏电等故障后，会有动作准确的开关保护，没有发生越级跳闸现象，大大加强了安全的井下供电环境。

(1)防越级跳闸自动测控微电脑装置的WZD-757型设置参数

①图1是防越级跳闸的相关功能设置显示图

图1 防越级设置

②图2是设置的通讯防越级功能图

图2 防越级通讯功能设置

③短路动作所需计算的保护时间

启动跳闸防越级功能后，采用下面公式计算保护时间：

Ts=（n-m）×T+Td

分析上式中，延时设定越级时间为T，单位是ms；实际保护短路的动作时间是Ts，单位为ms；设置动作保护时间是Td，单位为ms；供电当前显示的等级为m，单位是级；等级供电的负载侧开关显示的相关短路问题为n，单位为级。

(2)自动测控微电脑装置WZD-757型的跳闸防越级相关原理

图3是自动测控微电脑装置WZD-757型的跳闸防越级相关系统。

图3 防越级跳闸系统

每一级的保护器开关利用CAN专用口进项相互连接，使用了专用的CAN口后，极大的提升了短路信号的传输动作，出现短路的线路，其短路电流的检测需要利用开关上、下级的相互完成，与此同时速断跳闸也同步启动；通讯CAN口的短路信号上传必须在开关跳闸发生前，得到准确的跳闸开关需要比较接收到的CAN信号，才能正确传输跳闸指令，此过程需要相应的时间来完成，所以要加大延时的速断保护器，达到足够的时间去下发指令以及信号通讯，设置开关所对应的延时时间要匹配相应的电网层级。设置20ms为规定的短路保护时长，以及100ms的统一越级延时。

图3显示的开关保护器4″，5″是层级最低的，所以更改为8级的总数等级，因此7级本机等级实际是开关2″，3″，6级的本机等级实际是开关1″。

当短路故障出现在1处时，短路电流会通过对应的开关，1″2″4″，速断跳闸依次对应启动，短路信号的传输利用CAN口完成相应的保护，1″，2″通过保护可以接收电流短路数值是经过下级传送而来，此时4″保护收到失败，所以出现负荷侧短路的是保护4″，故障1接着断开线路跳闸，经计算，保护跳闸1″，2″，4″的计算时间公式如下：

计算跳闸保护1″时间是：

计算跳闸保护2″时间是：

计算跳闸保护4″时间是：

当短路发生于故障2时，对应的1″2″开关会产生短路电流，对应的速断跳闸会依次启动，短路信号的传输经过CAN口实现保护，1″保护可以顺利接收电流的短路数值也是来自下级保护，对应的2″保护接收失败，所以负荷侧短路发生于2″保护，必须对故障2切除线路并跳闸，计算对应的跳闸保护1″2″的时间公式如下：

计算跳闸保护1″时间是：

计算跳闸保护2″时间是：

跳闸防越级保护器WZD-757型的主要原理为：短路故障发生后，开关保护器的上级接收相关故障信息主要利用CAN口，保护器针对相应的故障信息做出逻辑判断，找到准确的跳闸故障点，控制对应的上级开关实现跳闸时间为小于20ms；而保护其他未发生故障的点要利用100ms自动延时的开关级差，从而实现可靠灵敏的后备保护故障点的目的。

4.结语

继电保护在矿井电网能否达到选择性以及可靠性的保护动作和越级跳闸目标，是多年来实现安全运行井下电网系统的首要难题。经过不断的试验改进，最终确定了自动测控微电脑装置WZD-757型去达到变电所的改造，经验证，此方法比较灵活且成本低，能够完美处理越级跳闸的供电系统难题，从投入使用到现在一直平稳运行，均未发生越级跳闸的现象，具有可靠准确的开关动作。此项技术设计的原理简单易懂，改造过程相对易行方便，可以大力推广于井下电网，其应用前景较好。