煤礦采區變電所光纖縱差保護研究及實踐

陳　然

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煤礦采區變電所光纖縱差保護研究及實踐

陳然

摘要本文介紹了同煤集團挖金灣礦井供電系統采用差動技術原理，實施了光纖縱差保護監測監控系統，重點防止短路越級跳閘問題；敘述了差動技術原理、現場實施內容、調試方法和試驗效果；對實施內容進行了針對性分析和選擇性研究，提出了煤礦采區變電所采用光纖縱差保護技術防止越級跳閘是有效的觀點。

關鍵詞煤礦；供電；光纖；縱差保護

0　引言

煤礦井下電網供電距離長、供電級數多，采用電纜供電方式，電纜線路單位電阻、電感比較小，特別是煤礦采區變電所至上級中央變電所或至下級綜采工作面的供電容量大線路短，導致電纜線路首末端短路時，短路電流相差不大，單靠傳統的過流定值加時間延時級差的方法無法區分是下級變電所的下級電纜短路還是本變電所的電纜短路，使短路、過流保護無法進行配合，不可避免的造成越級跳閘情況的發生，從而擴大了井下停電范圍，對礦井的安全、連續生產造成了嚴重的影響甚至是威脅[1]。如同煤集團挖金灣煤礦井下電網電壓等級為6 kV系統，從中央變電所到供采煤工作面的采區變電所的電纜長度約7 300余m，供電級數多，沿途經過5個采區變電所，采用過流定值加時間延時級差的整定方法，常造成越級跳閘情況的發生。為了消除煤礦井下的越級跳閘現象，本文對煤礦采區變電所的供電系統實施了光纖縱差保護配置研究及實踐。

1　現狀技術與分析

目前地面電力系統短線路保護通常采用短線路差動保護、高頻差動保護技術，實踐表明可以可靠地避免越級跳閘發生，也是最為有效的方法。差動保護是根據“電路中流入節點電流的總和等于零”原理制成的。它把被保護的電氣設備看成是一個接點，正常時流進被保護設備的電流和流出的電流相等，差動電流等于零。當設備出線故障時，流進被保護設備的電流和流出的電流不相等，差動電流大于零。當差動電流大于差動保護裝置的整定值時，保護動作，將被保護設備的各側斷路器跳開，使故障設備斷開電源。但電流差動保護只適用于少數節點差動，無法解決煤礦井下變電所多出線與多進線間的保護配合問題，多層級差動復雜性和成本也過高[2]。

煤礦井下原有的繼電保護系統多采用定值+延時級差的配合方式來保證保護動作的選擇性。但隨著煤礦大型大容量綜采設備越來越廣泛的使用，短路電流越來越大，再加上老礦井供電設備逐年投入，年久設備保護裝置精度下降，已經無法滿足礦井安全供電生產和保護動作選擇性的要求。

為了消除煤礦井下的越級跳閘現象，采用先進的光纖縱差保護，吸取地面線路、變壓器差動保護成熟、可靠的理論，結合煤礦電網的實際供電特點。將原來單端電氣量故障判斷方式設計為雙端電氣量故障判斷模式，通過光纖網絡進行數據交換，從而有選擇性的判斷故障區間，有選擇性的切除故障，以達到避免井下一點故障、多點跳閘的大范圍停電事故的發生。目前在供電、配電線路保護應用中，較為先進的保護方式是光纖縱差保護。光纖傳輸不受井下強電磁波干擾，通信誤碼率低，運行穩定，在安全性和可靠性方面有顯著的優勢；光纖頻帶寬、容量大，保證了監控數據傳輸通道暢通無阻。

2　技術原理

基于分布式智能速斷保護原理的光纖級聯縱差保護，采用了分層、分散式的保護動作方式，利用了網絡化拓撲算法和開關間自主交換故障信息進行協商的形式，自主判斷故障區段，實現全網零秒速斷，以達到防越級跳閘的目的。系統主要由光纖數字縱聯差動裝置、帶有光纖引入功能的高壓真空配電裝置兩部分構成。光纖數字縱聯差動裝置分散安裝于井下高壓真空配電裝置內部，做為故障檢測和動作裝置，通過采用分布式智能速斷原理，能夠可靠實現相間故障和母線故障的準確判斷和故障隔離。

設計采用2 400 HZ的高速采樣和傅里葉算法，快速計算出故障電流，并作為差動動作激勵量來實現線路差動保護。傅里葉算法將電流等頻域信號轉換成時域信號，實現正弦波和余弦波的數據轉換，快速提取縱差保護需要的數據信息，從而為縱差保護的快速分析和判斷提供數據。同煤集團挖金灣煤礦井下電網縱差保護判斷邏輯原理見圖1。

圖1挖金灣礦井下電網縱差保護原理

由地面6 kV變電所向付井底變電所供電，然后再由付井底變電所向某采區變電所的315 kVA變壓器供電。地面變電所到付井底變電所和付井底變電所到采區變電所的線路為聯絡線。途中11KC、11C等開關為聯絡開關，均配置差動保護，其他開關不配置差動保護。地面6 kV變電所至付井底變電所段發生短路，11KC開關保護感受到了短路電流，而11C開關保護處無短路電流，兩開關處的電流差是短路電流，這時，兩開關中的差動保護均動作，跳開地面6 kV變電所至付井底變電所兩端的開關。付井變電所至采區變電所段發生短路，11KC、11C兩開關保護均感受到了短路電流，G-05開關的11C開關保護處無短路電流。這樣，11KC、11C兩開關的差電流為零，差動保護不動作。11C與G-05開關的11C開關處的電流差是短路電流，這時，兩開關中的差動保護均動作，跳開付井底變電所至某采區變電所兩端的開關。

3　光纖縱差保護實驗

3.1實驗方法

采用變壓器空載合閘模擬產生短路電流，見圖1所示。變壓器空載合閘時電流為100 A左右。實驗時通過設備數據監控工具查看地面、井下的轉發器發送的報文。實驗前，工作人員已將付井底變電所其他開關分閘。

3.2模擬區外故障（G-05開關饋出線短路）

將G-05開關保護器的短路定值調整為空載合閘變壓器時的40%，即1 A。合上G-05開關，7325、G-01開關閉鎖縱差保護，G-05開關短路保護動作，動作值2.98 A，G-05開關保護跳閘，切除故障，此實驗共計3次，每次均為G-05開關短路保護動作，切除故障。

實驗結論：在區外故障時，如果出線保護正確動作，縱差保護不啟動，均可靠閉鎖。

3.3模擬區外故障（G-05開關拒動或母線短路）

將G-05開關保護器的短路定值恢復為正常值15 A，合上G-05開關，7325、G-01開關閉鎖縱差保護，G-01開關智能后備過流保護動作，過流值0.54 A，G-01開關保護跳閘，切除故障。此實驗共計3次，每次均為G-01開關智能后備過流保護動作，切除故障。

實驗結論：在區外故障時，如果出線保護正確動作，但開關拒分，由最靠近故障點的縱差保護智能后備保護動作，切除故障。

3.4模擬區內故障（7325開關和G-01開關之間的電纜短路）

合上G-05開關，地面6 kV變電所7325開關級聯縱差動作，動作值1.99 A，7325開關保護跳閘分開，同時7325開關發出聯跳指令，G-01開關差動保護動作，切除故障，隔離故障區間；該實驗3次，均為7325開關、G-01開關縱差保護動作，切除故障。

實驗結論：在區內故障時，靠近故障點的上下級開關均正確動作，切除故障，隔離故障區間，防止了故障范圍的擴大。

4　結論

通過模擬不同的故障類型故障，保護器均能夠正確動作，無論是負載端短路還是線路中間短路，在短路電流大于一條回路上的所有開關速斷定值時，防越級系統能夠實現只有離故障點最近的開關動作，保證上級開關不發生越級跳閘；在開關動作機構存在故障發生拒動時，各級保護能夠根據離故障點的位置采取不同的后備保護方式逐級延時保護動作直至切斷故障，有效減小故障停電區域；故障分析報告使供電管理人員可以快速的定位故障區域，確保非故障區域的供電系統正常運行。系統2013年3月安裝完成后便投入試運行，到目前為止，系統運行穩定可靠。煤礦采區變電所采用光纖縱差保護技術防止越級跳閘是有效的。

參考文獻

[1]盧喜山，張祖濤，李衛濤.煤礦供電系統基于縱聯差動保護原理的防越級跳閘技術研究[J].煤礦機械，2011，32（4）:71-73.

[2]張兆云，劉宏君，張潤超.數字化變電站與傳統變電站間光纖縱差保護研究[D].電力系統保護與控制，2010，38（3）:58-60.

陳然，1977年2月出生，男，山西省大同市人。現在同煤集團機電管理處電氣科主要從事煤礦機電技術工作，工程師。

Research and Practice of Fiber Differential Protection of Mining Area Substation of Mine

Chen Ran

Abstract：This paper introduces power supply system which uses the principle of differential technology in Wajin?wan Mine of Datong Coal Mine Group，fiber differential protection monitoring system is implemented，it is the key to pre?vent the problem of override trip caused by short circuit. The principle of differential technology，field implement content，debugging method and test effect are introduced. The field implement content is carried on the targeted analysis and se?lective study，the effective viewpoint that the mining area substation of mine uses fiber differential protection technology to prevent override trip is put forward.

Keywords:coal mine；power supply；optical fiber；differential protection

收稿日期：2015-10-12

作者簡介

中圖分類號TD611+.5

文獻標識碼B

文章編號1000-4866（2016）02-0023-03