分布式高開綜保裝置在礦井中的應用

魏少華

（同煤集團忻州窯礦，山西 大同 037000）

井工煤礦特別是現代化煤礦， 機械化程度高，采掘機運通、監測監控、礦井排水等相關系統都離不開電力。 穩定的供電系統對礦井生產和安全至關重要[1-2]。 但由于礦井電力系統具有復雜性和關聯性，井下作業環境惡劣，機械電氣設備負載大，容易導致故障，所以，井下各級電力系統都設有斷路器保護功能。 即便如此，由于各級短路保護裝置參數和保護方式不同，以及系統存在故障等原因，仍有可能導致越級跳閘現象的發生；跳過一級甚至多級導致礦井大面積停電，對礦井生產和安全造成重大影響[3-4]。 為解決這個問題，本文討論越級跳閘的防范方法，提出安裝防越級跳閘保護器的方法，并在現場進行了試驗。

1 越級跳閘原因

越級跳閘是指在電力系統出現短路及漏電故障時，本級系統優先斷路器因故沒有動作，越過一級甚至幾級由其他斷路器動作來切除故障的現象。越級跳閘導致沒有故障的區域由于上級電力系統短路保護而出現斷電， 對正常生產和安全產生影響。 越級跳閘的原有主要有一下幾個方面：

1.1 開關故障

同級保護開關拒跳，例如由于電氣開關回路故障、接地異常、機械故障等導致開關拒跳；保護拒動，由于交、直流回路故障或漏電保護器內部故障導致保護拒動。

1.2 保護整定不當

一般而言上級斷路器的保護整定值或整定時間要高（大）于下級斷路器，否則會造成保護動作不正常。

1.3 熔斷器故障

熔斷器與被保護電路或設備不匹配會導致下級電力系統保護失效；上級電力系統熔斷器熔體使用時間過久導致熔體氧化以及熔體安裝時受損導致截面過小，均會導致運行過程中發生誤斷。

2 常規防越級跳閘措施

2.1 分站集中控制式

分站集中控制方式可以避免越級跳閘事件的發生。 使用這種方法必須保證系統內有適宜的分站設計，并且與防越級跳閘開關相匹配，其控制過程為：當系統出現短路故障時，防越級開關首先對故障進行檢測，并將檢測結果發送給分站，由分站進行判斷并給出指令，本級斷路器響應，實現防越級跳閘。

2.2 通信級聯閉鎖

通信級聯閉鎖防越級跳閘技術是通過縱向設置時間極差的方式來對各級開關進行控制的防越級跳閘方法。 該方法利用通信線路將各級開關級聯，設置通信等待時間和閉鎖時間。 當系統中出現短路時，保護開關對短路電流進行檢測并將信號向上下級傳輸，在等待時間內不斷電同時向上級開關發送閉鎖信號，則在等待時間內只有發生故障一級的開關沒有收到閉鎖信號（其下一級開關沒有發送閉鎖信號）， 這樣就可以確定短路故障發生在哪個層級，并選擇立即斷電，實現防止越級跳閘。

2.3 基于保護器的網絡監測

網絡監測就是通過監測設備對地面電力系統進行監測，通過網絡將所有開關保護器相連，對數據進行采集，利用開關定值比較的方法判斷短路故障的位置；然后監測設備向故障位置的上一級開關發送斷電指令，防止越級跳閘。

2.4 縱聯差動保護

縱聯差動保護是將每個電力系統兩端的保護開關利用信道進行連接，對接收到的電氣量進行比較以判斷故障是發生在系統內還是系統外，如果發生在系統內，則進行上一級開關斷電，若發生在系統外則進行閉鎖保護，防止越級跳閘。

2.5 存在問題

以上四種措施均需要對原有系統通過站內或站間進行光纖（電纜）輻射、連接或增加分站等方式進行改造，受制于礦井惡劣的生產環境，導致改造工作困難、成本上升等；個別措施仍然存在保護死區問題，如縱聯差動保護方案，母線故障仍然會導致越級跳閘。 因此基于設備運行維護復雜性、系統穩定性、與原系統的契合度等方面進行考慮，以上方案均存在一定的弊端。

3 分布式高開綜合保護器

3.1 設備概況

分布式高開綜合保護器是在礦井供電系統長期研究的基礎上，為了解決供電系統越級跳閘而研發的智能綜合網絡系統。 該裝置集成了電力保護、測量、控制和監測等功能，具有配置靈活、功能齊全和抗干擾能力強等優點， 與防爆高壓開關配合，廣泛應用于礦井供電系統的安全保護。

3.2 運行原理

分布式高開綜合保護器是利用自適應保護原理設計的。 其通過對各級系統的母線進行編號，通過不同的編號可以判斷開關之間的上下級關系。 當系統中出現短路故障時，本級開關進行保護，并向上一級開關發送閉鎖信號， 以此確定保護優先級，防止越級保護；當本級短路故障解除后，上級閉鎖打開，系統恢復原始設置；若本級開關拒動，則在等待一段時間后上一級開關提出保護并向更上一級開關發送閉鎖信號，確保出現短路故障時進行有效的斷電。 該保護器不需要調整保護定值，可以準確防止越級跳閘。

3.3 系統特點

該保護器采用分布式形式，即由多個處理機通過通信線路互聯構成松散耦合系統[5]，實現區域保護。 該方法基于電網拓撲結構，對故障信息進行收集和分析，利用故障特性的不同，對各級系統故障進行判斷，從而準確確定故障位置，有效防止越級跳閘，同時能夠對故障情況進行控制，確保各級系統有效保護。 利用該保護器可以準確確定故障發生層級， 既可以對本級系統的機電設備進行保護，同時又可以對整個系統進行保護，提高供電系統的安全性。

4 應用情況

4.1 應用概況

白溝煤礦的供電系統包括： 地面35 kV 變電站、井下中央變電所、東翼采區變電所、西翼采區變電所和一水平大巷變電所。 電力系統網絡監測結構見圖1。 防越級系統接線見圖2。

圖1 電力系統網絡監測結構

圖2 防越級系統接線

表1 系統運行試驗記錄

4.2 試驗分析

采用分布式高壓開關綜合保護器后，開展短路試驗（見表1、表2），在短路狀態下系統電流超過2 100 A，而東變6#高壓開關和7#鉆機短路整定值為600 A，東變3#高壓開關進線短路整定值為1 000 A，中變8#高壓開關短路整定值為1 000 A，中變4#高壓開關短路整定值為2 000 A， 由此可知其短路整定值均小于短路電流；但是在分布式高壓開關綜合保護器的作用下，東變3#、中變8#和中變4#高壓開關均未出現跳閘情況，僅東變7#鉆機的上級高壓出現短路跳閘情況，該級總控開關和所有上級高壓開關均未出現跳閘情況。

表2 各級高開動作情況

5 結語

通過對越級跳閘因素進行分析，礦井應用分布式高壓開關綜合保護器后，通過保護器對異常電流進行監測，利用故障特性的不同，準確判斷故障發生位置，并逐級向上級開關發送閉鎖信號，避免了越級跳閘現象；同時在故障解除后逐級解除上級開關閉鎖，在故障級開關拒動情況下可控制上一級開關跳閘，確保了各級系統的有效保護，提高礦井電力系統的穩定性。