西铭矿防越级跳闸系统设计探讨

赵 进

(山西焦煤集团 机电部，山西 太原 030024)

1 现状及存在问题

1.1 矿井供配电系统概述

西铭矿位于山西省太原市境内的西北部，井田面积 42.17 km2，矿井核定生产能力为360万t/年. 西铭矿地面建设有刘巴足、磺厂、玉门3座35 kV变电站；自磺厂35 kV变电站6 kV母线段带冀家沟开闭所，冀家沟开闭所共入井2趟线路为井下西十开闭所供电；自磺厂35 kV变电站6 kV母线段带304变电所、三号整流室供电，入井4趟电缆；自刘巴足35 kV变电站6 kV母线段入井4趟线路为井下西部扩区变电所和南六变电所供电。井下共建设变电所12座，分别是：西部扩区变电所、北七变电所、西十1#变电所、西十开闭所、西十二变电所、一号整流室、二号整流室、三号整流室、四号整流室、五号整流室、304变电所、南六变电所。

1.2 矿井供配电系统综合自动化系统装置

地面35 kV变电站目前安装的是北京清大继保电力技术有限公司TH系列数字式保护测控装置。井下安装3种继电保护装置，分别是：上海山源电子电气科技发展有限公司的ZBT-11型高开综合保护器、天水长城成套开关电器制造有限公司的ZLZB-5 A综合保护装置和中国八达电气有限公司的ZNCK-4矿用微机综合保护装置。

1.3 供电系统运行现状及存在问题

目前，地面3座35 kV变电站均采用双回路供电，分列运行方式；井下12座变电所中11座已实现地面远程电力监控，剩余南六变电所正在安装。井下各变电所之间采用纵向、多层级、垂直、短线路级联供电模式，系统复杂，供电距离远,各级线路速断过流保护通过增加时间级差方式确定的定值难以有效配合；同时煤矿井下环境恶劣，工作面电缆在采掘过程中来回拖拽，不时发生短路故障，甚至越级跳闸，造成停电范围扩大，安全管理难度加大，传统的基于过流保护原理的微机保护无法解决此问题。为此，有必要积极探索、建设防越级跳闸系统。

2 防越级跳闸原理及方案对比

为解决矿井电网存在的越级跳闸问题，对当今主流的技术路径进行对比，归结为两种技术理论，即基于光纤电流差动保护技术和基于数字化变电站技术保护[1-3]. 通过对比不同技术原理，寻求最优解决方案。

2.1 防越级跳闸原理对比

2.1.1 光纤电流差动保护原理

输电线路两侧电流取样信号通过编码变成码流形式后转换成光电信号，经光纤送至对侧保护装置，本侧保护装置收到对侧传来的光信号先解调为电信号，与本侧保护的电流信号构成差动保护。

2.1.2 基于数字化变电站技术的防越级跳闸原理

数字化变电站是指变电站内一次电气设备和二次电子装置均实现数字化通信，并具有全站统一的数据模型和数据通信平台，在此平台的基础上实现智能装置之间的互操作性。目前它是由电子式互感器、智能化一次设备、网络化二次设备在IEC 61850通信规范基础上分层构建，能够实现智能设备间信息共享和互操作的现代化变电站。防越级跳闸系统主要是配置变电站进出线主保护为差动保护，且配置各变电站母线实现母线差动，以此实现各级供配电网络准确联动。

2.2 防越级跳闸方案对比

2.2.1 光纤电流差动方案

光纤电流差动模式具有光纤通道传输容量大、速率高、传输损耗小等优点[4-6]. 但CT饱和、CT断线、同步化处理及误码校验以及弱馈等问题都有可能引起保护的延时动作或误动作。

2.2.2 数字化变电站方案

数字化变电站模式则具有基于智能电网架构、第三代数字化变电站结构、全矿保护信息共享、可解决短路防越级、漏电无选择性问题、功能升级软件化、电磁兼容性强、抗干扰能力强等优点，是今后煤矿电网发展的主流趋势。

从技术方面来说，数字化变电站可以减少自动化设备数量，简化二次接线，提高系统的可靠性，减少设备的检修次数和检修时间，提高设备的使用效率；方便设备的维护和更新，减少投运时间，提高工作效率。从经济方面来说，可以减少占地面积，从而减少建设投资：减少变电站寿命周期内的总体成本，包括初期建设成本和运行维护成本；实现信息在运行系统和其它支持系统之间的共享，减少重复建设和投资等。

2.3 综合比较结果

针对西铭矿电网存在越级跳闸问题且线路多，若采用基于光纤电流差动保护的防越级跳闸方案，每条线路单独铺设光缆，设置光纤电流差动保护，投资成本大，而且不便于对越级跳闸线路的集中管理。因此，优选基于数字化变电站技术的防越级跳闸方案，实现线路数字信息共享、集中保护。

3 防越级跳闸方案实施

3.1 防越级跳闸系统构成

数字化变电站[4-5]是由智能化一次设备、网络化二次设备在IEC61850标准体系基础上分3层构建，即站控层、间隔层、过程层，两级网络，能够实现智能设备间信息数字化共享和互操作，可实现网络化二次功能、程序化操作、状态检修、电网故障分析隔离等功能。具有底层互感器及断路器数据共享、网络化二次功能(微机保护、故障录波、小电流接地选线、电能质量分析、顺序控制)、兼容、开放等特点。传统变电站与数字化变电站结构示意图见图1.

图1 传统变电站和数字化变电站结构图

3.2 防越级跳闸系统构建思路

西铭矿基于DHW6000数字化变电站系统对地面变电站、井下变电所进行改造，构建井上下供配电系统防越级跳闸系统[6-7]，以实现各级配合科学合理，故障判定准确可靠。具体改造思路为：构建刘巴足35 kV变电站—西部扩区变电所—北七变电所；刘巴足35 kV变电站—南六变电所；磺厂35 kV变电站—冀家沟开闭所—西十开闭所—西十二变电所，具体实施办法如下：

1) 地面刘巴足35 kV变电站、磺厂35 kV变电站和冀家沟开闭所内分别安装1台矿用电力测控分站一体机(包括电力监控和防越级系统)，通过光纤环网系统实现监控中心对变电所远程监控与操作功能，还可实现第三方设备的接入以及数据传输、控制功能。

2) 地面变电站入井电缆高压开关柜分别加装1台防越级综合保护装置，不得影响原高开柜的保护功能，利用分布式智能速断原理，实现地面变电所与井下变电所之间的防越级跳闸功能。

3) 微机保护之间通过分布式网络保护技术，采用“区域智能组网，信息共享，相对判据，智能选漏”新方法，彻底解决选漏难题，实现精确选漏，漏电保护零误跳，在发生高压线缆接地时，能够抑制单相接地过电压、工频谐波对接地信号的影响、消除接地电弧等。当某一供电分支发生接地故障时，报警并自动切断电源，避免越级跳闸情况的发生；同时具有远程高低压漏电试验功能。

4) 在井下西部扩区变电所、北七变电所、西十1#变电所、西十开闭所、西十二变电所、304变电所、南六变电所内分别安装2台矿用电力监控和防越级跳闸系统一体机的分站，通过光纤环网系统实现地面变电所与井下变电所之间的防越级跳闸功能。

5) 井下西部扩区变电所、北七变电所、西十1#变电所、西十开闭所、西十二变电所、304变电所、南六变电所内进线及联络线高爆开关保护器均进行升级改造，更换后的综合保护装置必须具有防越级跳闸、精准漏电保护、电能计量功能；将高压设备运行数据远程传送到地面监控中心，实现地面监控中心对变电所高压设备的远程遥测、遥信、遥控、遥调、遥视等功能；实现地面变电所与井下变电所之间的防越级跳闸功能。

4 结 语

通过对西铭矿井上下供配电系统现状及存在问题进行分析，可以看出在现有各级继电保护基础上增加防越级跳闸功能是非常必要的。通过对比目前主流的防越级跳闸系统技术路径，确定选取基于数字化变电站技术的防越级跳闸系统实施方案。通过对地面变电站、井下变电所进行改造，构建井上下供配电系统防越级跳闸系统，以实现各级配合科学合理，故障判定准确可靠。