光纖差動保護(hù)在防越級跳閘中的應(yīng)用研究

賈云勝

（霍州煤電集團(tuán)悅昌項目部，山西 霍州 031400）

煤礦供電系統(tǒng)穩(wěn)定是保證礦井正常生產(chǎn)的重要條件之一，受地下開采條件影響，礦井采用三級供電系統(tǒng)，由地面變電所延伸至中央變電所后再延伸至各個采區(qū)變電所，礦井特殊的工作環(huán)境決定其垂直多層級的供電模式[1-2]。這種供電模式下的配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)單一、相互之間影響程度高、輸送距離短極容易發(fā)生越級跳閘事件[3]。例如：在配電網(wǎng)的某段電路一處發(fā)生短路故障并且母線開關(guān)檢測到故障的發(fā)生，而由于礦井地面變電所設(shè)置的電路短路保護(hù)時間定值小，母線開關(guān)可能先于井下饋線開關(guān)動作，發(fā)生越級跳閘事故，導(dǎo)致井下大范圍停電，從而影響礦井的正常生產(chǎn)，因此，研究礦井防越級跳閘技術(shù)對礦井的安全生產(chǎn)具有重要意義。

1 越級跳閘原因分析

越級跳閘現(xiàn)象是當(dāng)供電系統(tǒng)出現(xiàn)短路故障時，非故障電路開關(guān)跳閘導(dǎo)致正常電路斷電，停電范圍擴(kuò)大的現(xiàn)象。導(dǎo)致礦井供電系統(tǒng)出現(xiàn)越級跳閘現(xiàn)象主要因素包括以下5種：

（1）繼電保護(hù)原因。井下供電線路多屬于1～3km的短線路供電，由于短線路供電中的各個線路之間的電流相差小，線路的電流值不可以當(dāng)做區(qū)分供電線路正常區(qū)與非正常區(qū)的標(biāo)準(zhǔn)，因此，與常規(guī)保護(hù)相比，井下供電系統(tǒng)采用逐段延時跳閘的手段對過流進(jìn)行保護(hù)更為合適。該手段由于保護(hù)級數(shù)多、延遲較長，極容易造成整個供電系統(tǒng)的延遲時間比短路保護(hù)規(guī)定時間長，線路開關(guān)動作時間大于時間級差，饋線開關(guān)不能及時動作。因此，在過流故障產(chǎn)生，系統(tǒng)母線開關(guān)在同一時間進(jìn)行保護(hù)跳閘措施時，發(fā)生越級跳閘現(xiàn)象。

（2）開關(guān)電源原因。大部分礦井井下使用的防爆開關(guān)電源是開關(guān)主回路，而沒有裝備專用電源，因此，在主回路發(fā)生諧波、失壓、三相不平衡、短路等情況時，起保護(hù)與控制作用的電源同樣處于故障狀態(tài)，不能正常進(jìn)行供電，從而引發(fā)開關(guān)拒動或者誤動，造成越級跳閘現(xiàn)象。

（3）失壓保護(hù)方式的原因。礦井使用的高低壓開關(guān)柜均安裝有失壓脫扣器，以避免線路帶負(fù)載供電。失壓脫扣器在供電電壓值為額定電壓的65%以上時能夠吸合，在其值為額定電壓的35%以下時，能夠可靠斷開，然而，當(dāng)其值處于35%～65%之間的時段為不可靠工作段，失壓脫扣器迅速執(zhí)行機(jī)械速斷動作。造成設(shè)置的過流延時保護(hù)作用失效，從而產(chǎn)生越級跳閘現(xiàn)象。

（4）線路電壓波動的原因，在礦井供電系統(tǒng)中，大型設(shè)備的啟動、接地、外界因素的干擾等均可以造成線路電壓瞬間波動，當(dāng)其波動后的電壓值處于額定值的65%以下時，失壓脫扣器動作致使開關(guān)失壓保護(hù)跳閘。

（5）電氣干擾的原因，由于礦井井下潮濕，環(huán)境差，且軟啟動和變頻設(shè)備使用情況多，因此，配電網(wǎng)中的浪涌現(xiàn)象和諧波現(xiàn)象均會對線路造成一定的干擾，導(dǎo)致越級跳閘現(xiàn)象的出現(xiàn)。

2 越級跳閘的解決方案應(yīng)用對比分析

2.1 電氣閉鎖方案

由于井下供電環(huán)境差，且干擾因素較多，因此不能保證需要閉鎖信號遠(yuǎn)距離穩(wěn)定傳輸，從而造成拒動或者誤跳的結(jié)果。由于電氣閉鎖電纜接線方式的設(shè)計一般按照1條進(jìn)線與多條出線的方式，但礦井供電是雙回路供電，在檢修或正常運行中，兩條進(jìn)線會出現(xiàn)分列、并列的方式，所以，需要根據(jù)實際的供電方式對線路間的閉鎖關(guān)系進(jìn)行動態(tài)變更。因此，受限于復(fù)雜的線路布置，造成施工困難，且最后在閉鎖裝置發(fā)生故障后，維修相對困難，因此，電氣閉鎖方案在應(yīng)用過程中缺乏實用性。

2.2 分站集中控制方案

分站集中控制方案需要建立分站，通過分站與控制區(qū)域內(nèi)的帶防越級跳閘功能的開關(guān)建立起牢靠的通信。當(dāng)控制區(qū)域某處線路出現(xiàn)短路，開關(guān)會將監(jiān)測到的故障信號傳送至分站，而后，根據(jù)預(yù)先設(shè)置的供電網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?，分站能自動識別出距故障地點最近的開關(guān)，最后，分站發(fā)出跳閘信號，目標(biāo)開關(guān)自動跳閘?；谏鲜龇治隹芍悍终究刂品桨笇Ψ终九c開關(guān)之間的通訊要求比較高，一旦系統(tǒng)的通訊出現(xiàn)故障，就會發(fā)生錯誤識別，從而造成開關(guān)誤動，因此，該種防越級跳閘方式在礦井實際應(yīng)用中沒有得到推廣。

2.3 數(shù)字化變電站方案

數(shù)字化變電站方案是將井下高開與地面變電站保護(hù)器之間的電氣信息利用光纖通訊介質(zhì)傳送至綜合單元，綜合單元利用所傳送信息中的故障信息判斷出現(xiàn)故障的地點，并實現(xiàn)開關(guān)跳閘。由于井下高開保護(hù)器屬于本安型防爆設(shè)備，且國家有關(guān)部門規(guī)定，高壓開關(guān)保護(hù)器為開關(guān)內(nèi)部器件，在沒有檢測的情況下禁止更換，因此，做到井下高開與地面變電站保護(hù)器之間統(tǒng)一具有難度。

2.4 光纖電流差動保護(hù)方案

光纖電流差動保護(hù)是近幾年供電線路保護(hù)中發(fā)展最為快速的保護(hù)方式。該保護(hù)方式中兩端信號利用光纖介質(zhì)實現(xiàn)傳輸，對供電線路內(nèi)外部電流依據(jù)基爾霍夫電流定律進(jìn)行可靠有效判斷，對篩選故障線路起決定作用。由于該保護(hù)技術(shù)具有可靠、準(zhǔn)確的優(yōu)點，因此，在礦井防越級跳閘保護(hù)中得到廣泛應(yīng)用。

3 光纖電流差動保護(hù)技術(shù)工程應(yīng)用

3.1 光纖電流差動保護(hù)設(shè)計

霍州煤電集團(tuán)悅昌項目部針對因線路短路問題導(dǎo)致的礦井高壓線路越級跳閘的情況，高開綜保裝置選擇ZKJB-2000新型綜保裝置，并利用光纖電流差動保護(hù)、三段式過流保護(hù)及32位DSP芯片等技術(shù)，對礦井上級、下級配電范疇內(nèi)的多臺高壓開關(guān)保護(hù)器建立起縱向通訊網(wǎng)絡(luò)，能在短路故障發(fā)生后迅速識別出故障區(qū)域，而后對故障附近處開關(guān)迅速完成跳閘動作，從而防止越級跳閘情況的發(fā)生，保證供電系統(tǒng)的穩(wěn)定、高效。除此之外，ZKJB-2000新型高開綜保裝置內(nèi)部設(shè)置有自動識別算法，當(dāng)聯(lián)絡(luò)開發(fā)狀態(tài)發(fā)生改變的時候，出線開關(guān)會及時對上級傳送的開關(guān)狀態(tài)進(jìn)行診斷，同時自動建立差動保護(hù)算法，從而大大提高防越級跳閘保護(hù)系統(tǒng)在不同供電模式中的適應(yīng)性。

3.2 工程應(yīng)用

光纖電路差動保護(hù)裝置的防越級跳閘功能的實現(xiàn)是建立在通訊的基礎(chǔ)上，裝置設(shè)計以CAN2.0為通信接口，開關(guān)通訊以獨立電纜為介質(zhì)實現(xiàn)，站站之間以光電轉(zhuǎn)換后的光纜實現(xiàn)通訊聯(lián)絡(luò)，提高了系統(tǒng)的抗干擾能力及可靠性。由于該系統(tǒng)中開關(guān)間的電纜連接施工比較方便，且對高開防爆設(shè)計不需重新整合，因此，保護(hù)設(shè)計較為簡單。所有高開保護(hù)器中均設(shè)有故障自動識別算法，從而保證發(fā)生獨立開關(guān)故障時不會對大面積開關(guān)設(shè)備產(chǎn)生嚴(yán)重影響。

（1）同一個變電站內(nèi)開關(guān)間信號傳輸?shù)穆?lián)機(jī)方式采用縱差式，ZKJB-2000新型綜保裝置縱差式聯(lián)機(jī)通信的實現(xiàn)采用屏蔽雙絞電纜，聯(lián)機(jī)方案設(shè)計如圖1所示。

圖1 同站內(nèi)縱差保護(hù)聯(lián)機(jī)方案

（2）不同變電所站間的上下層之間的通信采用光纖縱差聯(lián)機(jī)方案，該方案的抗干擾功能強，且傳輸性能可靠，方案的實施需要在變電所之間的所有站內(nèi)安裝1部光纖數(shù)據(jù)接口以保證信息傳輸?shù)目煽浚ㄈ鐖D2所示）。

圖2 站站之間縱差保護(hù)聯(lián)機(jī)方案

（3）將具有監(jiān)測及維護(hù)作用的分站安裝在中央變電所內(nèi)，此分站具有監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)中所有開關(guān)的網(wǎng)絡(luò)通訊情況、光電轉(zhuǎn)換、光纖數(shù)據(jù)接收、發(fā)出的功能，同時具有遠(yuǎn)程維護(hù)保護(hù)器運行參數(shù)、對報警進(jìn)行記錄、查詢的作用。

4 結(jié)語

（1）通過對比各種防越級跳閘的解決方案，可知光纖電流差動保護(hù)方案具有可靠、準(zhǔn)確的優(yōu)點，且該保護(hù)易于操作，設(shè)計簡單，適合在煤礦工作環(huán)境中應(yīng)用。

（2）ZKJB-2000新型高開綜保裝置能在短路故障發(fā)生后迅速識別出故障區(qū)域，而后對故障附近處開關(guān)迅速完成跳閘動作，從而防止越級跳閘情況的發(fā)生，保證供電系統(tǒng)的穩(wěn)定。