分布式區(qū)域保護(hù)技術(shù)在煤礦供電系統(tǒng)中的應(yīng)用

張美茹

(中煤西安設(shè)計(jì)工程有限責(zé)任公司，陜西 西安 710054)

0 引言

煤礦供電系統(tǒng)主要采用電纜連接的供電方式，具有供電半徑短、級(jí)聯(lián)層數(shù)多，線路的電容電流較大等特點(diǎn)，使得保護(hù)定值難以整定，在時(shí)限上無法有效配合，經(jīng)常造成越級(jí)跳閘現(xiàn)象的發(fā)生，給用戶的安全生產(chǎn)帶來極大的困擾[1-3]。因此，解決越級(jí)跳閘問題十分必要。某煤礦的井下供電系統(tǒng)，采用由地面變電站通過多回路10 kV電纜直供井下變電所的供電方式，有別于其它煤礦采用雙回路10 kV線路連接到井下主變電所，然后由主變電所供采區(qū)變電所用電的供電方式。這種井下供電方式采用8路10 kV高壓電纜直接將高壓電能供給礦井各負(fù)荷中心，發(fā)生短路故障時(shí)，停電范圍相比于傳統(tǒng)級(jí)聯(lián)供電方式要小，提高了礦井供電可靠性。此外，相對(duì)于其他供電方式，系統(tǒng)電容電流大，發(fā)生單相接地時(shí)，造成接地點(diǎn)電流大，電弧難以熄滅，系統(tǒng)出現(xiàn)弧光過電壓，嚴(yán)重影響了煤礦的供電安全。

為此，結(jié)合該煤礦近期頻繁發(fā)生大面積停電的情況，深入分析引起越級(jí)跳閘的主要原因，并開展防越級(jí)跳閘系統(tǒng)的建設(shè)，以期構(gòu)建帶有選擇性漏電保護(hù)及防越級(jí)跳閘功能的電力安全監(jiān)控系統(tǒng)，進(jìn)而確保煤礦安全生產(chǎn)、人員安全作業(yè)。

1 供電系統(tǒng)分析

1.1 供電系統(tǒng)現(xiàn)存的問題

通過對(duì)該煤礦供電系統(tǒng)的深入調(diào)研，發(fā)現(xiàn)由于煤礦井下環(huán)境惡劣，工作條件差，井下變電所防爆開關(guān)內(nèi)的綜合保護(hù)裝置存在著不同程度的元器件老化以及性能降低等問題[4-5]。在生產(chǎn)過程中，系統(tǒng)大量采用變頻器及軟啟動(dòng)器等設(shè)備，產(chǎn)生的諧振過電壓，使得煤礦供電系統(tǒng)發(fā)生高壓短路故障，造成高壓綜合保護(hù)經(jīng)常動(dòng)作于跳閘[6-7]。高壓綜合保護(hù)裝置二次回路接線老化、松動(dòng)，致使回路異常，也易造成保護(hù)拒動(dòng)、誤動(dòng)。在檢修過程中，由于安裝工藝或操作水平的限制，使得設(shè)備在過電流的情況下，由于熱和電動(dòng)力的作用，極易造成設(shè)備操作機(jī)構(gòu)變形，形成保護(hù)拒動(dòng)、誤動(dòng)。高開綜合保護(hù)裝置自身原因。國(guó)家電網(wǎng)公司規(guī)程規(guī)定，一般性110 kV及以下變電站綜合自動(dòng)化系統(tǒng)的更換周期為6年，煤炭行業(yè)井下運(yùn)行環(huán)境更加惡劣，一般性的電力電子產(chǎn)品3～5年就會(huì)出現(xiàn)不同程度老化[8]。

1.2 可能造成越級(jí)跳閘的原因

礦區(qū)目前的供電系統(tǒng)，需要配合的保護(hù)達(dá)到五級(jí)，按照繼電保護(hù)整定規(guī)程的要求，現(xiàn)有的保護(hù)配置，無法滿足選擇性。根據(jù)提供的礦井供電系統(tǒng)圖，所標(biāo)注的系統(tǒng)短路電流沒有體現(xiàn)最大運(yùn)行和最小運(yùn)行方式的短路電流數(shù)據(jù)。由此推定，系統(tǒng)保護(hù)定值需要核準(zhǔn)，礦區(qū)出現(xiàn)的保護(hù)越級(jí)問題和定值整定不合理有關(guān)[9-12]。通過與技術(shù)人員交流以及近半年來發(fā)生的故障情況看，供電系統(tǒng)的故障與消弧裝置的消弧存在異常的情況相關(guān)。現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研發(fā)現(xiàn)10 kV消弧裝置的控制器處于非正常運(yùn)行狀態(tài)，擬試消弧裝置，無法正常工作，即消弧裝置不能調(diào)節(jié)，不能發(fā)揮正常的作用。10 kV供電系統(tǒng)僅安裝有二次消諧裝置，未見一次消諧裝置。二次消諧的消諧效果不可靠，一般是作為一次消諧的補(bǔ)充。礦區(qū)大量采用電力電子設(shè)備，供電系統(tǒng)諧波水平不詳，可能會(huì)對(duì)消弧能力及保護(hù)可靠動(dòng)作產(chǎn)生影響。

2 越級(jí)跳閘原因分析

2019年4月，該礦發(fā)生數(shù)次開關(guān)跳閘事件，現(xiàn)調(diào)取110 kV變電站故障錄波裝置的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

2.1 故障概況

2019年4月14日晚21時(shí)55分，由于上倉(cāng)變1號(hào)進(jìn)線電纜發(fā)生故障，造成該煤礦110 kV變電站10 kV Ⅲ段1012中央變2出線保護(hù)過流I段動(dòng)作，故障錄波如圖1所示。從錄波圖形的時(shí)間坐標(biāo)軸上可以看出，在9 ms左右，10 kV Ⅲ段上的母線電壓Ua、Ub、Uc瞬間降低，電壓方向相同，緊接著三相電壓出現(xiàn)劇烈震蕩，其最高幅值為正常值的1.5倍左右，系統(tǒng)產(chǎn)生過電壓，發(fā)生電壓不平衡現(xiàn)象，與此同時(shí)，10 kV Ⅲ段也出現(xiàn)了零序電壓，在35 ms左右，3#主變的低壓側(cè)三相電流也突然增大，其中Ia、Ib的方向相同，Ic的方向相反。在18 ms左右保護(hù)開始動(dòng)作，持續(xù)時(shí)間為17 ms。在220 ms左右，斷路器跳閘，此時(shí)，零序電壓和電流消失，系統(tǒng)恢復(fù)正常。由此可以判斷出系統(tǒng)發(fā)生了單相接地故障，導(dǎo)致斷路器跳閘，引起停電。

圖1 2019年4月14日晚21時(shí)55分錄波圖

2.2 故障原因分析

故障錄波器在當(dāng)晚22時(shí)29分13秒、22時(shí)29分27秒、22時(shí)29分37秒、22時(shí)45分08秒記錄到多次短時(shí)間單相接地，如圖2所示。從圖2中可以看出，在10 ms左右，10 kV Ⅲ段母線上的電壓發(fā)生變化，Ua增大、Ub減小、Uc增大，同時(shí)檢測(cè)到母線出現(xiàn)零序電壓，與此同時(shí)，3#主變的低壓側(cè)Ia、Ib、Ic也出現(xiàn)了增大，在420 ms左右，故障消除，電壓和電流都恢復(fù)到正常水平，由此可以判斷出系統(tǒng)發(fā)生了諧振過電壓。從圖3中可以看出，Ua、Uc增大，方向相反，Ub減小，與此同時(shí)，產(chǎn)生零序電壓，3#主變的低壓側(cè)Ia、Ib、Ic也出現(xiàn)了增大，在480 ms左右，故障消除，由此得知系統(tǒng)發(fā)生瞬時(shí)性單相接地故障。從圖4中可以看出，Ua、Uc增大，方向相反，Ub減小，與此同時(shí)，產(chǎn)生零序電壓，3#主變的低壓側(cè)Ia、Ib、Ic也出現(xiàn)了增大，在600 ms左右，保護(hù)出z口動(dòng)作，斷路器跳閘，零序電壓消失，電壓和電流恢復(fù)正常，在2 300 ms左右，故障再次出現(xiàn)，由此可以判斷出系統(tǒng)發(fā)生了間歇性的弧光接地。

圖2 2019年4月14日晚22時(shí)29分13秒錄波圖

圖3 2019年4月14日晚22時(shí)29分27秒錄波圖

圖4 2019年4月14日晚22時(shí)29分37秒錄波圖

3 防越級(jí)跳閘系統(tǒng)建設(shè)

防越級(jí)跳閘技術(shù)是目前解決煤礦高負(fù)荷密度區(qū)域短距離保護(hù)越級(jí)跳閘問題的有效手段，針對(duì)該礦井供電現(xiàn)狀及頻繁發(fā)生單相接地引起的越級(jí)跳閘事故，擬采用防越級(jí)跳閘技術(shù)。

3.1 防越級(jí)跳閘系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

供電監(jiān)控及防越級(jí)跳閘系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖5所示，整個(gè)供電監(jiān)控及防越級(jí)跳閘系統(tǒng)采用分層、分布式光纖環(huán)網(wǎng)結(jié)構(gòu)，分別為管理層、網(wǎng)絡(luò)層、間隔層。井下各變電所中具有防越級(jí)跳閘功能的保護(hù)組成間隔層，各變電所內(nèi)的電力監(jiān)控分站通過內(nèi)部交換機(jī)彼此相連，最后通過通訊管理機(jī)將各變電所的四遙信息傳至地面監(jiān)控后臺(tái)中心。各變電所之間通過交換機(jī)將本級(jí)高開保護(hù)器發(fā)出的閉鎖信號(hào)分別傳至各自的上一級(jí)保護(hù)，上級(jí)保護(hù)裝置在接到下級(jí)保護(hù)裝置發(fā)出的閉鎖信號(hào)后將閉鎖保護(hù)出口并開始計(jì)時(shí)，達(dá)到延時(shí)，故障依然沒有消除則認(rèn)為下級(jí)保護(hù)拒動(dòng)，從而動(dòng)作于本保護(hù)出口跳閘切除故障。站與站之間通過下級(jí)變電站進(jìn)線與上級(jí)變電站出線之間傳遞防越級(jí)閉鎖信號(hào)；站內(nèi)由各條出線與進(jìn)線之間傳遞防越級(jí)閉鎖信號(hào)。

圖5 供電監(jiān)控及防越級(jí)跳閘系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意

3.2 分布式區(qū)域保護(hù)

3.2.1 關(guān)鍵技術(shù)

在地面110 kV變電站8回路下井間隔中加裝防越級(jí)跳閘單元模塊，在井下中央變電所和采區(qū)變電所更換具有防越級(jí)跳閘功能的微機(jī)保護(hù)裝置，變電所的各級(jí)保護(hù)通過本站的電力監(jiān)控分站與彼此建立信息聯(lián)絡(luò)。當(dāng)這三級(jí)變電所中的任意一條供電鏈路的本地保護(hù)裝置檢測(cè)到短路故障時(shí)，立即向該鏈路上的所有保護(hù)單元發(fā)送閉鎖信息，保證除本級(jí)保護(hù)之外其它保護(hù)裝置不動(dòng)作。若本地開關(guān)的斷路器無法正常動(dòng)作時(shí)，該鏈路上的上一層保護(hù)可快速動(dòng)作，盡可能地減少該故障的影響范圍。對(duì)于該礦的地面110 kV變電站、井下中央變和采區(qū)變電所，本次項(xiàng)目改造中采用基于工業(yè)以太網(wǎng)進(jìn)行信息的傳輸，采用IEC 61850通信規(guī)約實(shí)現(xiàn)信息的交互。應(yīng)用區(qū)域保護(hù)技術(shù)和參數(shù)識(shí)別原理將該礦供電系統(tǒng)建設(shè)的更加合理，通過技術(shù)升級(jí)和系統(tǒng)規(guī)劃，進(jìn)一步提高了該礦的動(dòng)力系統(tǒng)的性能，為下一步實(shí)現(xiàn)無人值守變電站打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

3.2.2 保護(hù)性能

分布式區(qū)域保護(hù)采用突變量作為啟動(dòng)判據(jù)，動(dòng)作靈敏。現(xiàn)以圖6為例，對(duì)保護(hù)動(dòng)作性能進(jìn)行分析。以該礦的中央變電所一段母線為例，在其進(jìn)線開關(guān)和各條出線開關(guān)中安裝XRKJ-600智能保護(hù)裝置，當(dāng)t0=0時(shí)刻，1#出線發(fā)生相間短路故障，此時(shí)，該鏈路上的XRKJ-600都檢測(cè)到故障電流，保護(hù)動(dòng)作判據(jù)成立，同時(shí)，1#出線的保護(hù)裝置向其上一級(jí)進(jìn)線保護(hù)發(fā)送閉鎖信號(hào)，這一過程耗時(shí)5 ms，即為t1時(shí)刻。當(dāng)進(jìn)線保護(hù)裝置收到該閉鎖信號(hào)時(shí)共需約10 ms時(shí)間，即為t2時(shí)刻。由于進(jìn)線保護(hù)裝置收到閉鎖信號(hào)的時(shí)間早于保護(hù)速斷出口的時(shí)間，因此，進(jìn)線保護(hù)裝置不動(dòng)作于跳閘。出線保護(hù)在沒有收到其它相鄰保護(hù)裝置的信號(hào)，于是，在延時(shí)約20 ms之后，即t3時(shí)刻，其速斷保護(hù)動(dòng)作，及時(shí)切除故障。當(dāng)檢測(cè)到故障信號(hào)消除后，隨即向進(jìn)線保護(hù)發(fā)送解除其閉鎖的信號(hào)。另外，對(duì)于在短路情況下，保護(hù)出口動(dòng)作而斷路器拒絕執(zhí)行動(dòng)作的情況也進(jìn)行深入研究。t0～t3時(shí)動(dòng)作相同，在(35+60+15)ms之后(當(dāng)前真空斷路器動(dòng)作跳閘大約需要50～60 ms的時(shí)間)，1#出線保護(hù)XRKJ-600仍然檢測(cè)到故障電流，則判斷該級(jí)開關(guān)的斷路器出現(xiàn)拒動(dòng)現(xiàn)象，此刻，主動(dòng)向該段母線的進(jìn)線保護(hù)裝置發(fā)送解除閉鎖的信息，當(dāng)進(jìn)線保護(hù)裝置收到下一級(jí)保護(hù)的信號(hào)后，判斷出線失靈，解除本級(jí)閉鎖，經(jīng)過160 ms后，作為下一級(jí)保護(hù)的后備，出口動(dòng)作切除故障，如圖7所示。

t0—出線故障；t1—發(fā)出閉鎖信號(hào)；t2—進(jìn)線閉鎖；t3—跳出線(固有延時(shí))；t4—出線失靈，跳進(jìn)線

t0—出線故障；t1—發(fā)出閉鎖信號(hào)；t2—進(jìn)線閉鎖；t3—跳出線(固有延時(shí))

3.3 基于參數(shù)識(shí)別原理的漏電保護(hù)

3.3.1 參數(shù)識(shí)別原理的優(yōu)點(diǎn)

煤礦供電系統(tǒng)為中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)。為避免系統(tǒng)諧振，消弧線圈一般過補(bǔ)償8%～10%運(yùn)行，線路發(fā)生單相接地時(shí)，接地電流工頻信號(hào)微弱且方向難以識(shí)別，故難以選線。為此，漏電保護(hù)裝置采用先進(jìn)的參數(shù)識(shí)別原理不受消弧線圈和過渡電阻影響，可準(zhǔn)確識(shí)別單相接地線路，實(shí)現(xiàn)選擇性漏電保護(hù)；產(chǎn)品不需專用的耦合設(shè)備，不改變系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，安全性高且節(jié)省成本；并且可以利用本線路的信息即可判斷是否接地，具有自舉性；產(chǎn)品具有良好的電磁兼容性能，各項(xiàng)指標(biāo)均達(dá)到國(guó)家及行業(yè)要求的最高標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)參數(shù)識(shí)別原理，將一個(gè)有M條出線的線路等效為集中式參數(shù)模型，在中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地的系統(tǒng)中某條線路i發(fā)生單相接地故障時(shí)，該系統(tǒng)的零序網(wǎng)絡(luò)如圖8所示。

圖8 中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)單相接地故障零序等效網(wǎng)絡(luò)

3.3.2 參數(shù)識(shí)別原理的應(yīng)用

系統(tǒng)正常情況下，中性點(diǎn)電壓為零。若發(fā)生單相接地故障后，系統(tǒng)的中性點(diǎn)電壓升高，即為Uf0。如果線路i發(fā)生了單相接地故障，則其對(duì)地的零序電阻、零序電感和母線側(cè)及負(fù)荷側(cè)零序電容分別用R0i，L0i，C0i1和C0i2表示。在中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)中，發(fā)生單相接地故障時(shí)，可以將母線側(cè)對(duì)地電容用C0i1表示，各條線路的負(fù)荷側(cè)，用一個(gè)對(duì)地電容C0i2表示，這樣，該系統(tǒng)的任何一條出線也就構(gòu)成了∏模型結(jié)構(gòu)。由于線路中等效的零序電阻和零序電感對(duì)零序電流變化影響較小，對(duì)地電容的電氣參量變化尤為顯著，因此，選擇求解模型得到的計(jì)算電容參數(shù)值序列為故障判據(jù)，如果該線路對(duì)地電容的計(jì)算值為負(fù)，則判為故障線路，即

(1)

式中，C(k)為計(jì)算所得電容參數(shù)序列。若線路對(duì)地電容計(jì)算值為正，則判為正常線路；當(dāng)所有線路判為正常線路時(shí)，認(rèn)為母線故障。

3.4 防越級(jí)跳閘系統(tǒng)建立應(yīng)注意的問題

所更換的高壓開關(guān)保護(hù)裝置及通信裝置必須滿足防爆要求，取得國(guó)家相關(guān)部門的認(rèn)證報(bào)告。保護(hù)裝置應(yīng)具備良好的電磁干擾能力，在煤礦惡劣的環(huán)境下能夠正常安全穩(wěn)定的工作。保護(hù)裝置應(yīng)在系統(tǒng)失壓或電網(wǎng)發(fā)生波動(dòng)的情況下不發(fā)生誤動(dòng)作；防越級(jí)跳閘系統(tǒng)盡可能采用分層分布式原則進(jìn)行建設(shè)，便于后期的維護(hù)和管理。系統(tǒng)采用光纖環(huán)網(wǎng)進(jìn)行通信，防越級(jí)跳閘系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)建設(shè)時(shí)，應(yīng)與其它系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)分開，系統(tǒng)的數(shù)據(jù)和信息實(shí)行專網(wǎng)傳輸。

4 結(jié)語(yǔ)

由于煤礦井下環(huán)境比較惡劣，電氣設(shè)備種類繁多，在建設(shè)和維護(hù)的過程中，設(shè)備故障時(shí)有發(fā)生，為了防止越級(jí)跳閘所造成大面積停電，煤礦供電系統(tǒng)選擇建設(shè)防越級(jí)跳閘系統(tǒng)。采用了新原理、新技術(shù)、新思想的具備防越級(jí)跳閘功能和漏電保護(hù)功能的防越級(jí)跳閘系統(tǒng)，能夠有效消除各種故障誤動(dòng)、拒動(dòng)等問題，提高該煤礦供電系統(tǒng)的整體可靠性和安全運(yùn)行水平，實(shí)現(xiàn)了供電系統(tǒng)的無人值守。