井下供电系统防越级跳闸 陈剑光

发表时间:2018/5/8   来源:《电力设备》2017年第36期   作者:陈剑光
[导读] 摘要:供电线路短是井下供电的一重大特点,这样供电线路两端实际电流值通常差别不大,基于此当供电系统发生短路时,因整条线路实际电流值大致相同,依据电流值大小来探寻故障点的具体位置便很难。

        (河南平宝煤业有限公司  467100)
        摘要:供电线路短是井下供电的一重大特点,这样供电线路两端实际电流值通常差别不大,基于此当供电系统发生短路时,因整条线路实际电流值大致相同,依据电流值大小来探寻故障点的具体位置便很难。对此只能通过设定上级开关与下级开关的具体动作延时时间来把故障线路的供电及时切断,而井下又无法借助设定时限级差来让开关实现顺序跳闸,这样当供电系统出现短路故障时,便时常发生越级跳闸现象,这种现象时常会造成矿井大面积停电,以致矿井很多安全设备无法正常运行,如通风机,瓦斯检测监控设备等,易造成矿井瓦斯失控,给井下生产埋下重大安全隐患,因此我们必须重视研究矿井供电防越级跳闸技术。
        关键词:井下供电;越级跳闸;电力监控
        井下供电系统作为保障矿井安全、高效生产的重要系统,在实际生产中占有重要地位,但在实际生产中我们经常会遇到矿井供电系统越级跳闸故障,该故障已严重影响到矿井供电的连续性、可靠性。为有效预防矿井供电系统的越级跳闸故障,基于供电系统越级跳闸主要动作机理,研究了矿井供电系统防越级跳闸策略,并在矿井中得到了有效应用,以期能有效解决矿井供电系统越级跳闸故障,更好保障矿井电能的连续可靠供应。
        一、概述
        目前,我国井工型煤矿供电大多采用阶梯状多级供电模式,由于相邻变电所之间供电线路较短、延伸级数较多,不同级别变电所之间的最大三相短路电流变化不大。采用传统的三段式电流保护方式,无法同时兼顾保护功能的选择性及灵敏性要求。通过供电系统防越级跳闸系统的研究与应用,在煤矿供电系统发生短路故障时能够可靠地确定故障线路并及时切除故障,保证非故障区域的正常供电,避免因电压波动造成的大面积停电事故;在设备异常无法切除故障时,后备保护能够及时切除故障、避免事故的进一步扩大,能判断出越级跳闸的原因并提供合理的送电预案,保证非故障区域快速恢复供电,为煤矿的安全生产提供可靠的动力保障。
        二、煤矿系统常见“防越级跳闸“的原理
        1.建设防越级跳闸系统时,需要将井下高开保护装置全部更换为研发的新装置,井下变电所配置交换机,装置与交换机之间采用电缆通讯传输,地面配置环网交换机和后台机,由井下保护装置实时监测信号传输到交换机,到地面环网交换机传给后台机,最终将信息传到千兆环网交换机进行分析处理。系统实现采集到故障时,先启动保护系统,取故障电流和装置定值进行分析比较,从采集到故障电流信号到保护信号出口时间在35 ms内完成,加上开关固有动作时间60 ms,故可在95 ms内完成跳闸动作,当遇故障点最近的开关不动作的情况时,系统将上级所有的保护装置全部启动,点对点广播式的发出信号,上级开关谁动作时间快谁动作。
        2.系统采用点对点,装置配合的原理进行数据分析,从而实现防越级跳闸功能。施工时,需要将所有开关的保护装置全部更换为新产品,将系统上所有的装置通过交换机以上下级的关系进行连接,形成网络系统。当井下发生短路故障时,通过装置以点对点的方式发出故障信息,信号由主机进行电流分析,保护装置信号发出时间约为26 ms,同时闭锁上级所有的保护装置,从而起到不跳闸的功能。当故障点最近一级开关发生拒动时,系统将会把上级开关的保护装置闭锁,使开关动作。
        3.系统采用网络化基因拓扑算法,利用开关间自主交换故障信息进行协商的形式,自主判断故障区段,实现全网零秒速断,以达到防越级跳闸的目的,系统具有级联纵差保护、母差保护、三段式过流保护和零延时智能后备保护等防越级跳闸保护功能。系统通过分散安装的级联纵差保护器搭建的专用保护信息网快速交换信息,能够快速判断故障区段,准确快速切断距离故障点最近的故障开关,以达到防越级跳闸的目的,并且对于母线故障也能够做到快速切除。整套防越级保护系统主要由级联纵差综合保护器和矿用本安型网络交换机以及矿用光缆网络构成。每个变电所纵差综合保护器的差动通讯线连在一起,构成一个高速通讯总线,接入矿用本安型网络交换机,转发器间通过光缆连接构成高速通讯纵差环网。此外,变电所纵差保护的RS485通讯线也连到一起构成485总线接入通讯转发器或本安型电力分站,借用监控通讯网传到地面电力调度,对每台保护的运行状态进行实时监测。
        4.系统采用“集中保护”原理,运用高速光纤通讯和同步采样技术,采用光纤以太网建立光纤传输通道,将井下各高压开关的电流、电压数据上传至位于地面控制中心的保护主机。保护主机上配置差动保护模块,取代传统过流速断保护作为线路的主保护,解决煤矿供电系统存在的越级跳闸问题。其动作原理是由地面控制中心的集成保护测控装置(保护主机)采用“集中保护”。保护主机差动保护范围固定,实现全系统零时限全线速动,采用线路纵差保护代替短路保护作为采区变电源进线的主保护。
        5.通过网络通讯实现上下级开关的数据共享,根据一条线路上每台开关监测到的数据和其在这条供电线路中所处的位置,确定故障区域,并根据每台开关相对故障区域的位置确定保护方式,使离故障点最近的开关速断保护动作,切断故障,其余开关综保处于后备保护状态,若采用主保护的开关因机构原因无法分开切除故障,上级开关后备保护动作,切断故障,从而防止越级跳闸事故的发生。
        三、矿井供电系统防越级跳闸技术
        在生产中,我们常见的矿井供电系统防越级跳闸技术主要有三种:采用最新的网络智能继电保护、给防爆开关加装独立电源以及以GOOSE闭锁为基础的短路保护。若选用网络智能继电保护技术可对矿井供电系统进行有效的全线防越级保护,该种保护易设置,且具有较高的可靠性,灵敏性也相对较好,但实际改造作业投资过大,成本较高。另外给防爆开关装设专用后备电源,这样可很好解决由于线路发生故障,引发保护装置供电电源波动带来的越级跳闸问题,但若想增设独立电源必须进行独立布线,这样一方面操作起来较繁琐,另一方面会显著增大防越级跳闸成本,具有一定局限性。对此,主要研究采用以GOOSE闭锁为基础的短路保护进行防越级跳闸。基于GOOSE闭锁的保护技术属于一种可进行选择性的保护技术,其主要是以矿井当前的以太网为基础,借助以太网把开关动作信号通过GOOSE技术向开关设备进行传输,以达到选择性跳闸的目的。该项技术不仅相对较好实现,而且可靠性相对较高,实际经济性也相对较好。当前很多矿井都铺设了光纤主干网,供电系统中的很多保护大多以各种形式接入了监控系统。基于GOOSE闭锁的短路保护系统,可通过在当前的保护上加设必要的以太网接口,并对GOOSE的有效闭锁时间进行整定,以让GOOSE的各种动作信号都在通讯接口上完成,统一管理整个供电系统,当系统出现故障后,进行选择保护,以实现最终有效防止矿井供电系统越级跳闸的目的。当矿井供电系统出现故障时,其实际等效电路如图1所示,


        图1矿井供电故障示意图
        当图中的k4出现故障时,故障电流在各点都可检测到,当电流处于动作范围后,所装设的保护盒会进行相应的分析处理会自动发送GOOSE闭锁报告,在把GOOSE初始化有效完成后,保护盒1、保护盒2以及保护盒3会在闭锁间进行定值,不会发生任何动作,而是4开始动作,以及时切除相应的故障线路,在切除后,若故障电流值还在动作条件范围内,则会依据上述顺序,由3点把具体故障线路切除,而保护盒1与保护盒2不发生动作,这样可达到最小面积停电,以最快的速度把相关故障线切除,进而确保整个矿井供电系统的顺利有序运行。
        系统运行稳定、可扩展性强,实现了矿井供电保护的选择性和快速性,有效地避免了供电系统越级跳闸事故的发生,有效提高了矿井供电的自动化水平,对降低矿井生产成本、提高供电系统保护性能,增强供电系统的安全性、可靠性具有重要意义。
        参考文献:
        [1]孟慧红.煤矿井下短路越级跳闸的故障分析.2016.
        [2]肖俊.煤矿井下高压电网越级跳闸的原因及防治措施.2016.

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