煤礦供電系統(tǒng)基于縱聯(lián)差動(dòng)保護(hù)原理的防越級(jí)跳閘技術(shù)研究

李 雷

（兗州煤業(yè)股份有限公司東灘煤礦，山東 濟(jì)寧 273500）

0 引 言

安全生產(chǎn)是煤炭開采工作中的首要問題。要想確保礦內(nèi)工作者的生命和財(cái)產(chǎn)安全，必須有一個(gè)穩(wěn)定運(yùn)行的供電系統(tǒng)，因此有效防護(hù)電路十分重要。在煤礦地面變電站到地下中央變電站、采煤工作面以及采礦生產(chǎn)區(qū)之間，許多安全生產(chǎn)動(dòng)力源都采用垂直、多層以及線性的生產(chǎn)動(dòng)力源。生產(chǎn)過程中，這種類型的煤礦的生產(chǎn)電源線之間的距離較短，如果電源線發(fā)生故障，電源線上游的多級(jí)開關(guān)將同時(shí)檢測(cè)電流信息。但是，短路保護(hù)的反應(yīng)時(shí)間太短，難以實(shí)現(xiàn)延時(shí)，不能通過延遲設(shè)置完成煤礦多級(jí)開關(guān)跳閘順序。因?yàn)殡娫淳€的第一次跳閘極有可能會(huì)引起系統(tǒng)內(nèi)某個(gè)節(jié)點(diǎn)的隨機(jī)跳閘發(fā)生短路，使得多級(jí)開關(guān)同時(shí)停工，從而導(dǎo)致煤礦大面積停電。這對(duì)煤礦生產(chǎn)工作來說，不僅會(huì)造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失，還存在很大的安全風(fēng)險(xiǎn)。

1 煤礦供電系統(tǒng)的現(xiàn)狀分析

在煤礦生產(chǎn)中，煤礦供電系統(tǒng)生產(chǎn)和供電出現(xiàn)故障是常有的現(xiàn)象。隨著煤礦的發(fā)展，各類生產(chǎn)設(shè)施、安防設(shè)施以及通信設(shè)施的齊備使煤礦內(nèi)的開關(guān)種類越來越多，且開關(guān)不同其保護(hù)元件和線路也不相同，有時(shí)還會(huì)相互沖突，導(dǎo)致故障頻繁發(fā)生。其中，越級(jí)跳閘是最頻繁且危險(xiǎn)的問題之一，對(duì)煤礦生產(chǎn)來說是很大的安全隱患。一般來說，在預(yù)防和控制煤礦供電系統(tǒng)過度跳閘問題時(shí)，常用的幾種預(yù)防和解決方法主要包括防止電氣鎖定方法、變電站集中控制防止跳閘技術(shù)方法以及基于整個(gè)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)共享的數(shù)字化變電站防止超限技術(shù)方法[1]。

2 針對(duì)電路跳閘的防護(hù)方案分析

2.1 電源回路閉鎖防護(hù)

在煤礦供電系統(tǒng)跳閘故障的預(yù)防控制中，斷路器、隔離開關(guān)以及接地刀閘等輔助觸點(diǎn)訪問相關(guān)電氣設(shè)備工作電源電路的防鎖定跳閘控制方法比較簡(jiǎn)單，且其防控的目標(biāo)都比較清晰。

在預(yù)防控制的實(shí)際應(yīng)用中，往往很難達(dá)到預(yù)期的效果和目的。首先，這主要是因?yàn)槊旱V開采生產(chǎn)中供電環(huán)境比較復(fù)雜，所以供電運(yùn)營(yíng)容易受到各種強(qiáng)大因素的干擾。因此，在電氣鎖定預(yù)防和控制方式下，不能可靠傳遞電纜電氣鎖定信號(hào)。在防止煤礦供電系統(tǒng)的作業(yè)跳閘錯(cuò)誤時(shí)，可能會(huì)出現(xiàn)錯(cuò)誤跳閘和電氣鎖定控制方法的拒絕，影響煤礦供電系統(tǒng)脫離故障電鎖控制方式的預(yù)防效果。其次，由于煤礦供電系統(tǒng)故障預(yù)防和控制過程中實(shí)現(xiàn)電氣關(guān)閉的電纜線路很多，它們之間的連接關(guān)系復(fù)雜，因此在煤礦電力生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)中，在同一變電站內(nèi)利用多條電線和一條進(jìn)入線來完成電路開關(guān)建筑物的電氣關(guān)閉，需要邏輯鎖定裝置。但是，在實(shí)際供電系統(tǒng)的變電站中，電力線使用的是雙電路電源。不管線路維護(hù)或供電線路是否正常工作，它都可以進(jìn)行兩條線路的切換，使電源分離且并行工作。因此，根據(jù)實(shí)際供電方式動(dòng)態(tài)調(diào)整供電電路，可能需要多個(gè)插座和一條導(dǎo)線之間的閂鎖關(guān)系，使得邏輯鎖的實(shí)際設(shè)計(jì)更加復(fù)雜。隨著連接的電纜電路數(shù)量越來越多，工作量也在不斷加大，使得電氣鎖的設(shè)置難以兼顧所有問題。最后，如果使用電動(dòng)鎖方式來防止煤礦供電系統(tǒng)超速跳閘故障，由于電動(dòng)鎖系統(tǒng)自檢信息不完整，鎖或電纜線路出現(xiàn)故障將無法及時(shí)發(fā)現(xiàn)并報(bào)警，使得電纜線路的故障排除變得更加困難。這種先進(jìn)的防跳躍技術(shù)是實(shí)際應(yīng)用中的重要限制之一。

2.2 分站集中管控技術(shù)

采用該技術(shù)的供電系統(tǒng)中必須至少安裝一個(gè)變電站設(shè)備。安裝的變電站必須是該地區(qū)所有跳閘開關(guān)之間的通信鏈路，以預(yù)防和控制閘位越級(jí)跳斷的錯(cuò)誤。只要煤礦生產(chǎn)線的供電系統(tǒng)中任意一條線路發(fā)生短路，則預(yù)防開關(guān)跳斷的元件會(huì)將檢測(cè)到的所有信息都傳遞給供電系統(tǒng)的變電站。變電站根據(jù)預(yù)置的供電網(wǎng)絡(luò)關(guān)系確定最接近故障位置的開關(guān)，通過控制命令控制最接近的開關(guān)完成跳閘故障控制和預(yù)防電源操作。在實(shí)際應(yīng)用中，這種防止跳閘的方法對(duì)通信系統(tǒng)的可靠性要求很高。實(shí)際應(yīng)用程序中出現(xiàn)通信故障或問題時(shí)，故障點(diǎn)識(shí)別容易出錯(cuò)，因此防止超限跳閘的控制也可能會(huì)出錯(cuò)。此外，這種控制方法在控制方面也存在明顯的局限性，因?yàn)閷?shí)際預(yù)防和控制應(yīng)用中相同級(jí)別的開關(guān)故障會(huì)導(dǎo)致更高級(jí)別的開關(guān)故障，從而導(dǎo)致新的越級(jí)跳閘錯(cuò)誤。

2.3 結(jié)合信息技術(shù)的數(shù)字化防護(hù)

結(jié)合信息技術(shù)的數(shù)字化防護(hù)的實(shí)現(xiàn)，首要條件是要保持網(wǎng)絡(luò)的暢通。因?yàn)閿?shù)據(jù)共享是數(shù)字化控制的基礎(chǔ)，要求每個(gè)故障檢測(cè)和防護(hù)裝置都裝有光纖數(shù)字收發(fā)信號(hào)器。通信接口通過光纖實(shí)現(xiàn)煤礦地下位置保護(hù)器和地面變電站保護(hù)器到數(shù)字化變電站綜合單元結(jié)構(gòu)的電氣信息傳輸。收集到的電路信息導(dǎo)入計(jì)算機(jī)后，通過系統(tǒng)自動(dòng)識(shí)別故障點(diǎn)并控制跳閘。

這種防跳技術(shù)一般用于煤礦供電系統(tǒng)的跳閘故障控制。高開放保護(hù)裝置屬于煤礦地下工作環(huán)境中使用的特殊本質(zhì)安全和防爆產(chǎn)品類型，因此用于性能設(shè)計(jì)和安全檢查時(shí)必須嚴(yán)格區(qū)分繼電器和保護(hù)裝置，以確保高開放保護(hù)程序的應(yīng)用性能和質(zhì)量效果。數(shù)字化變電站是以智能傳感器技術(shù)和高速通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)為基礎(chǔ)的新型變電站模型，在實(shí)際應(yīng)用中的主要作用是減少變電站內(nèi)部的傳統(tǒng)高壓變壓器、電流變壓器、控制電路等二次設(shè)備。由于供電系統(tǒng)之間的電纜連接數(shù)量很多，將煤礦供電系統(tǒng)的跳閘問題與通過網(wǎng)絡(luò)共享的數(shù)據(jù)的數(shù)字化變電站連接起來幾乎沒有意義[2]。3種方案的對(duì)比分析如表1所示。

表1 3種方案對(duì)比

3 結(jié)合縱聯(lián)差動(dòng)防護(hù)原理的新型技術(shù)設(shè)計(jì)與應(yīng)用

上述方案較差的實(shí)用性一直制約著煤礦的安全生產(chǎn)。經(jīng)過不斷研究，專業(yè)人員結(jié)合縱聯(lián)差動(dòng)電學(xué)原理，提出了一種新型的防護(hù)技術(shù)，將有效改善煤礦電路系統(tǒng)跳閘故障頻發(fā)的現(xiàn)象。

3.1 工作原理

根據(jù)基爾霍夫定律，可以簡(jiǎn)單可靠地確認(rèn)一個(gè)地區(qū)的電路內(nèi)部或外部是否存在障礙，以決定是否拆除電路。目前，該技術(shù)比較成熟，已廣泛應(yīng)用于地面輸配系統(tǒng)。

工作原理如圖1所示，垂直連接發(fā)電機(jī)兩側(cè)型號(hào)相同的電流互感器的第二個(gè)側(cè)面圖標(biāo)的極性末端。將差動(dòng)繼電器接入系統(tǒng)，一旦發(fā)生異常操作或外部故障，和就會(huì)產(chǎn)生逆流，此時(shí)KD1的電流為：

3.2 防越級(jí)跳閘方案設(shè)計(jì)

圖1 工作原理圖

該方案的特色之一是在ZKJB-2000這一新型高壓開關(guān)綜合保護(hù)裝置中加入了32位的DSP芯片，結(jié)合三級(jí)過流保護(hù)和地面光纖縱向電流差動(dòng)等原理，通過礦井中的供電系統(tǒng)內(nèi)建立垂直通信網(wǎng)絡(luò)來確保高壓電路系統(tǒng)不會(huì)發(fā)生短路故障，從而規(guī)避跳閘帶來的安全風(fēng)險(xiǎn)，保障礦井內(nèi)的供電安全。發(fā)生短路故障時(shí)，短路點(diǎn)由最近的開關(guān)跳閘，迅速消除（隔離）故障，防止過度跳閘并確保系統(tǒng)電源的可靠性。同時(shí)，ZKJB-2000新型高壓開關(guān)綜合保護(hù)裝置具有嵌入式電源網(wǎng)絡(luò)關(guān)系自動(dòng)識(shí)別算法。聯(lián)系開關(guān)（總線耦合器）打開/關(guān)閉更改時(shí)，出站開關(guān)會(huì)自動(dòng)識(shí)別父電源開關(guān)（輸入線路），并在具有父電源和子電源關(guān)系的多個(gè)開關(guān)之間快速重新配置差動(dòng)保護(hù)算法，以避免在各種電源模式下發(fā)生高跳閘。

在每個(gè)開關(guān)保護(hù)器中都加入新型的識(shí)別算法來檢測(cè)故障，一個(gè)交換機(jī)出現(xiàn)故障時(shí)不會(huì)影響其他交換機(jī)的縱向差異算法的正常運(yùn)行。此外，如果交換機(jī)通信失敗，ZKJB-2000的新高壓交換機(jī)綜合保護(hù)裝置將自動(dòng)切換到普通的三級(jí)過流保護(hù)功能，而不需要交換機(jī)拒絕操作。

首先，在同一變電站內(nèi)部樹狀分布電纜，通過縱向聯(lián)結(jié)實(shí)現(xiàn)在線通信。在同一變電站中，所有ZKJB-2000交換機(jī)綜合保護(hù)設(shè)備均通過屏蔽雙絞線電纜建立相應(yīng)的通信網(wǎng)絡(luò)，均成樹狀分布，如圖2所示。

圖2 站內(nèi)新型防護(hù)聯(lián)機(jī)組網(wǎng)方案

其次，不同變電站之間通過光纜傳輸實(shí)現(xiàn)通信，通過上下變電站之間的光纖建立縱向差異在線通信，防止信號(hào)傳輸過程中的電磁干擾，從而提高信號(hào)傳輸性的可靠性。此時(shí)，每個(gè)子站都需要連接光纜的光學(xué)數(shù)據(jù)接口。當(dāng)兩個(gè)子站之間的距離相對(duì)較短（通常在500 m以下）時(shí)，信息傳輸能夠保持穩(wěn)定和質(zhì)量，并且可以使用直接連接電纜的方法。

最后，在中央變電站安裝、監(jiān)視以及維護(hù)變電站（可選）。如果礦區(qū)變電站離中央變電站較遠(yuǎn)或者整個(gè)系統(tǒng)的電源水平在3以上，建議在中央變電站安裝1個(gè)變電站，使其除了具備光纖數(shù)據(jù)收發(fā)和光電轉(zhuǎn)換功能外，還能夠集中監(jiān)控垂直的差異網(wǎng)絡(luò)中每個(gè)交換機(jī)的網(wǎng)絡(luò)通信狀態(tài)是否良好，以方便使用警報(bào)記錄等任務(wù)參數(shù)和遠(yuǎn)程維護(hù)各個(gè)保護(hù)程序。

3.3 實(shí)際應(yīng)用分析

以三級(jí)供電關(guān)系在某礦井內(nèi)的供電系統(tǒng)應(yīng)用為例，中央變電站的17號(hào)出站開關(guān)和2號(hào)變電站的1號(hào)入站開關(guān)構(gòu)成垂直差動(dòng)保護(hù)關(guān)系。當(dāng)兩個(gè)開關(guān)之間的電源線短路時(shí)，縱向差動(dòng)保護(hù)算法以光纖電流為基礎(chǔ)，兩個(gè)開關(guān)被識(shí)別為內(nèi)部錯(cuò)誤并迅速斷開，而另一個(gè)開關(guān)被識(shí)別為外部錯(cuò)誤。根據(jù)當(dāng)前縱聯(lián)差動(dòng)保護(hù)的算法，在同一個(gè)變電站，第二個(gè)變電站的3號(hào)和5號(hào)開關(guān)和1號(hào)電線開關(guān)分別構(gòu)成縱聯(lián)差動(dòng)保護(hù)。目前，通過縱聯(lián)差動(dòng)保護(hù)算法，將5個(gè)交換機(jī)識(shí)別為內(nèi)部故障，迅速斷開連接，將另一個(gè)交換機(jī)識(shí)別為不在區(qū)域內(nèi)，則保持不變。

實(shí)際應(yīng)用中，在中央變電站設(shè)置監(jiān)視變電站，實(shí)時(shí)監(jiān)控整個(gè)防跳網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行狀態(tài)。發(fā)生網(wǎng)絡(luò)故障時(shí)及時(shí)發(fā)出警報(bào)，并準(zhǔn)確通知管理員故障點(diǎn)的位置，以便于網(wǎng)絡(luò)維護(hù)和服務(wù)。在2號(hào)和10號(hào)變電站分別設(shè)置光纖數(shù)據(jù)接口，在站內(nèi)完成電信號(hào)向光信號(hào)轉(zhuǎn)換的功能，監(jiān)測(cè)站內(nèi)數(shù)據(jù)信號(hào)和變電站實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)是否正常。

4 結(jié) 論

通過比對(duì)當(dāng)下使用較多的3種方案發(fā)現(xiàn)，在煤礦供電系統(tǒng)內(nèi)進(jìn)行防護(hù)越級(jí)跳閘時(shí)，縱聯(lián)差動(dòng)保護(hù)方式理論較為成熟，且其內(nèi)部構(gòu)造簡(jiǎn)單的裝置以及針對(duì)性排除故障的工作模式與我國目前的礦內(nèi)供電系統(tǒng)現(xiàn)狀相契合，符合長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展需求。系統(tǒng)及高壓開關(guān)柜為了實(shí)現(xiàn)自動(dòng)警報(bào)和快速維護(hù)，可以安裝網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控點(diǎn)等輔助設(shè)備，以確保整個(gè)方案的實(shí)用性。可見，基于縱聯(lián)差動(dòng)保護(hù)的調(diào)試技術(shù)是一種比較成熟簡(jiǎn)單的技術(shù)方法，設(shè)計(jì)和應(yīng)用簡(jiǎn)單，針對(duì)性強(qiáng)，應(yīng)用優(yōu)勢(shì)突出。