中煤平朔井工一煤礦防越級跳閘系統應用探討

孫健，張志強（中煤平朔集團井工一礦，山西 朔州 036006）

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中煤平朔井工一煤礦防越級跳閘系統應用探討

孫健，張志強
（中煤平朔集團井工一礦，山西 朔州 036006）

目前井工煤礦的防越級跳閘方案較多，每種方案都有自己的技術特點，對這些方案的原理進行分析對比后，根據煤礦自身的實際條件選擇合適的防越級跳閘方案很有必要。

職能定位；速斷保護；狀態監測

0 引言

井工煤礦井下工作環境惡劣，單相接地（漏電）故障無選擇性跳閘成為煤礦供電的普遍現象，嚴重威脅供電安全，礦井高壓電網85%以上的故障均為單相接地（漏電）故障或接地（漏電）故障引發的短路故障、過電壓故障。依靠傳統的過流繼電保護很難解決越級跳電問題，因此針對礦井短路越級與漏電無選擇性跳閘關鍵技術進行研究，真正解決煤礦供電難題，提高煤礦供電可靠性具有重要意義。

1 防越級跳閘方案比較

目前解決越級跳閘方法主要包括以下幾種：空節點閉鎖方法、通訊閉鎖方法、光纖縱差方法、集成保護方法以及智能定位法。（如表1所示）

1.1 空節點閉鎖法

空節點閉鎖法是利用下級保護的速斷跳閘空節點利用電纜（或光纜）接入上級保護，上級保護跳閘前檢測是否有下級閉鎖信號避免誤動作。這種方法是理論上最簡單最直接的方案，但也是效果最不好、問題最多的方法。其主要不足：需要增加額外的電纜、光纜和閉鎖輔助分站、由于是弱信號極易受干擾造成誤閉鎖、由于某種原因閉鎖信號電纜斷開不能預警造成漏閉鎖、信號動作和接收消抖造成延時很長等等。目前，行業新的設計中已經沒有廠家采用此方案，采用此方案的均是一些老產品。

1.2 通訊閉鎖法

通訊閉鎖法就是利用通訊的方式把下級保護速斷信號傳遞給上級，上級跳閘前監測此信號，與節點閉鎖法的唯一區別是信號傳輸采用了通訊的方式。基于通訊的快速性要求一般有兩種方法即現場總線法和光纜通訊法，而且此通訊通道一般獨立于日常的電力監控，即在原來的電力監控基礎上增加現場總線或光纜傳輸通道實現防越級跳閘信號的傳遞。此方法的不足：必須增加獨立設備和通訊通道、只能實現單純的短路故障防越級、防越級閉鎖信號采用私有協議不能與其它廠家兼容等。

1.3 光纖縱差法

光纖縱差法即利用KCL原理，將地面的線路光纖縱差移到井下的聯絡線路，不再采用速斷保護，進而避免越級跳閘。此方法的缺點：需要在變電所間建設獨立的光纜傳輸通道、光纖縱差保護裝置原理復雜并且維護復雜、變電所母線故障不能實現防越級跳閘、只能實現線路短路故障防越級。這種方法一度流行也有一定代表性，但也飽受詬病。

1.4 集成保護法

這種方法也源于智能變電站的技術，把全礦井所有高爆的信號通過光纜傳遞到地面保護主機，由此集中的保護主機完成故障判斷識別故障區域進而避免越級跳閘。這種方法理論上很好，與常規配網自動化的故障隔離技術也有一定相似性，但問題在于施工極其復雜需要敷設大量光纜從井下變電所到地面、地面的集中型保護裝置維護極其復雜、供電系統有變動時集中保護需要修改算法而這只能依靠廠家完成等等。所以此種方法只有極少數廠家采用，推廣難度極大。

1.5 智能定位法

即KJ698的方法，它是基于智能配網的快速FA技術，復用電力監控的以太網通道、利用IEC61850的GOOSE通訊技術使全礦井保護器建立橫向通訊，使保護、故障診斷等不再僅僅基于本保護器的電流電壓信息，其動作依據更多，更好的利用了大數據技術，而不需要增加其它任何附加成本，且可靠性有極大的保障，未來又具有擴展性，可以與其它廠家設備互操作，是個透明系統。其所有的保護器均為以太網通訊。

另外，如果不更換地面保護而且使故障不越級到地面變電所的方法：確保地面保護定值足夠大不覆蓋到井下變電所的出線（單靠定值較難，可以采用光纖差動設備）、速斷保護增加延時200~300 ms，確保井下開關能切斷故障時為其留有足夠時間。這是個理論問題，無論何種防越級方案均不可避免，而且此延時時間為最短方案，再縮短將對開關設備提出更高的要求。

2 防越級跳閘系統

平朔井工一礦結合礦井供電運行狀況采用了智能定位法防越級跳閘系統，利用IEC61850的GOOSE通信技術，當故障發生后，采取下級閉鎖上級的閉鎖模式，實現保護的縱向選擇性。

如圖1所示，各個保護器按照供電走向劃分為不同的層級，當故障發生時，保護裝置啟動的同時向上級裝置發出閉鎖信號，同時檢測下級是否有閉鎖信息發出；裝置檢測到下級裝置的閉鎖信息則閉鎖保護出口，否則經過短延時后跳閘。如果上級裝置經過一定時間后仍然檢測到故障存在，則后備保護動作。

表1 四種保護方式的優缺點對比

圖1 故障保護分段示意圖

保護裝置的速斷保護及過流保護定值保持原系統定值不變，或者在不影響正常工作的情況下將保護定值進行優化。當故障發生時，所有檢測到故障的裝置通過以太網絡以GOOSE報文的方式發送保護閉鎖報文。接收閉鎖報文確認時間不大于50 ms。保護裝置在保護啟動的前提下，如果收到任何低層級裝置的保護閉鎖信號，將進入保護閉鎖狀態，總的保護延時閉鎖時間不大于50 ms（從保護啟動算起）。故 障處理流程圖如圖2。

3 通信系統

該系統通信方案采用光纖以太網通信方式，每個變電所配置一臺光纖以太網交換機，通過光纖所有交換機連接，通信結構圖如圖3。

各個變電所的光纖以太網交換機的電源取自變壓器的低壓側，可選127 V電源等級。

4 電力監控

煤礦電力監控系統在實現提高供電可靠性的同時，在實現“四遙”電力監控的基礎上，結合煤礦井下供電系統的實際情況增加一定的實用化功能，使該系統更完整的反應煤礦井下供電系統的運行狀況，簡化管理，優化運行。

4.1 保護功能

礦用保護智能測控裝置，能完整實現對井下電纜、變壓器等設備的保護功能，保護類型包括電流保護、電壓保護、漏電保護等。

圖2 故障處理流程圖

圖3 通信結構圖

4.2 “四遙”功能

井下供電系統各高壓供電點運行模擬量、狀態量實時上傳；地面集中監控中心遠程操作分合隔爆開關及保護裝置的定值修改。

4.3 二次設備的狀態監測與管理功能

二次設備完善的自檢、交叉互檢、網絡探測等實現了自動化系統的實時在線監測。

4.4 強大的故障錄波功能

系統各保護設備均支持強大的故障錄波功能，錄波數據可以上傳到監控中心，輔助運行人員快速判斷故障類型和故障位置。

4.5 在線仿真

系統支持運行中或系統變更后的在線仿真功能，能模擬系統各個點故障，檢查系統中各保護設備的動作行為，進而檢查系統參數配置的合理性。

4.6 面向系統的智能故障、告警

每次故障或告警，系統均能自動生成故障記錄，故障記錄包括故障時流過故障電流的各保護設備的動作情況、故障跳開支路的動作時間、電流大小及錄波波形等。該功能可以使運行人員對每次故障及保護系統的反應情況進行綜合的了解，進而解決潛在的整定或運行問題。

防越級跳閘系統能減少煤礦供電系統的越級跳電次數，提高供電系統的安全性，但每一種系統在原理和應用上都存在一定的缺陷，如何把系統的功能最優化發揮，揚長避短才是我們用戶應該長期堅守的原則。

[1] 張文超.煤礦供電防越級跳閘保護系統的應用研究[碩士學位論文].遼寧：遼寧工程技術大學，2010.

[2] 羅娟，贠保記，雷富坤.防止煤礦供電越級跳閘新方法的研究[J]西安科技大學學報，2014,01(34):62~66.

[3] 吳文瑕，陳柏峰，高燕.井下電網越級跳閘的研究及解決建議[J].工礦自動化，2008,08(06):136~138.

[4] 張根現，馬星河，張傳書，劉沖，鄒有明.井下高壓電網防越級跳閘系統研究[J].煤礦機電，2009,02:56~58.

[5] 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，2011,04(32):71~73.

[6] 史麗萍，趙萬云，蔣朝明，曹雪祥，吳晨.煤礦井下防越級跳閘方案[J].煤礦安全，2012,08(43):115~117.

[7] 尹成迅，潘獻全.煤礦供電系統越級跳閘研究[J].煤炭科學技術，2011,06(39):66~69.

[8] 孟惠霞，胡滿紅.煤礦井下短路越級跳閘的故障分析[J].煤礦機械，2009,02(30):223~224.

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