光纤级联纵差防越级保护在煤矿供电系统中的应用

        摘要： 介绍目前煤矿井下供电系统的现状，针对井下短路故障时越级跳闸的原因进行了分析，并给出采取的解决方案。
　　关键词： 煤矿供电；短路故障；越级跳闸；解决方案
　　目前煤矿供电网络多采用多级放射式，延伸级数多，电网配合时限不足，以致保护时限无法配合；且系统容量增大、供电线路短，不同级别的短路电流接近，以致保护的电流定值无法配合，因此只能牺牲选择性而保证快速性。系统出现短路故障时由于无选择性配合，导致电网的继电保护系统普遍存在“越级跳闸”问题，在这种形势下，停电成为了普遍现象。而一旦出现停电事故，不仅寻找和解决故障非常耗时耗力，而且停电会直接影响矿井安全生产。因此研究煤矿井下电网越级跳闸的解决方案是十分有必要的，能够确保煤矿井下可靠供电、安全生产。
　　1 煤矿电网越级跳闸的原因及分析
　　煤矿井下电网越级跳闸的原因：煤矿井下目前使用的开关保护装置都是单片机控制的电子式保护，单片机具有工作频率高、检测电流电压变化周期短的优点，信号确认时间需0.03-0.04s，开关动作时间包括跳闸电磁铁的动作时间、跳闸机构动作时间、真空断路器动作时间等，需要动作时间0.04-0.05s，当发生短路时总的速断动作时间小于0.1s。要想实现保护器时间上的配合，在这么短的时间内几乎是不可能的，所以短路动作的选择性只能依靠保护装置的速断定值配合。但定值配合有如下弊端：
　　①煤矿供电由于级数多，地面入井回路高压开关柜速断定值确定的情况下，井下供电级数越多，各级开关速断保护定值差距越小。当上下级开关整定数据接近，且供电线路较短时，故障点本级开关、上级开关保护装置同时检测到短路电流，就会出现上下级开关同时跳闸的情况。因为开关速断动作时间都是0.1s，所以各级开关会出现抢跳，或者同时执行跳闸动作。
　　事故案例：某矿采区皮带机电磁启动器隔离烧毁，导致中央变电所采区一回路高爆开关短路跳闸，引起采区大面积停电。皮带机故障开关与中央变电所跳闸开关之间有采区一回路总控、至采区配电点高爆开关、配电点高爆开关、移动变压器高爆端、低压馈电端、皮带机配电点馈电开关六级保护，且皮带机本级低压馈电开关与中央变电所采区一回路高爆开关保护器故障记录均显示短路故障跳闸。经分析符合上述原因。
　　②对井下供电网络各级开关速断定值进行合理配合，但发生末端三项短路或高压侧短路时，短路电流大、上升快，0.01s即可达到最大值，且短路电流值达到各级开关速断保护定值，各级开关速度由于动作时间远大于0.01s，因此都不可能做出反应，导致上下级开关同时跳闸，甚至引起地面变电站开关跳闸。
　　事故案例：某矿采区提升绞车电磁启动器真空断路器真空管爆损，导致地面6kV变电所井下一回路高压开关柜短路跳闸，引起井下大面积停电。绞车故障开关与地面6kV变电所跳闸开关之间有中央变电所一回路总控、中央变电所至采区一回路高爆开关、采区一回路总控开关、至采区配电点高爆开关、配电点高爆开关、移动变压器高爆端、低压馈电端、绞车配电点馈电开关八级保护。除地面6kV变电所井下一回路高压开关保护显示短路故障记录外，下级各开关无故障记录。经分析符合上述原因。
　　2 煤矿井下电网越级跳闸的解决方案
　　安阳鑫龙煤业（集团）有限责任公司红岭煤矿、龙山煤矿、贺驼煤矿、主焦煤矿安装使用的分布式智能速断防越级跳闸保护系统，是基于分布式智能速断保护原理的光纤级联纵差保护，采用了分层、分散式的保护动作原理，不仅有点对点的差动模式、还有适合多级变电所的多点差动和母线差动模式，从而实现了短电缆线路的故障隔离。这种方式不仅适应了井下开关经常移动的特点，同时简化了硬件建设，降低了成本，很好地满足了煤电井下供电系统的要求。实际应用证明，该方式的纵差保护能够从根本上杜绝越级跳闸问题的出现，减少井下大范围停电事故的发生，保证矿井供电系统的安全运行。
　　分布式智能速断防越级跳闸保护系统原理及实际应用效果：该系统采用网络化基因拓扑算法，通过开关间自主交换故障信息和协商的方式判断故障点所在，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，可以快速的判断出故障点，从而准确地找到相应的故障开关，实现防越级跳闸，不仅如此，该系统还能够快速地切除母线故障。
　　2.1 系统构成 如图1所示，整套防越级保护系统主要由三部分组成，分别是ZBT-11C级联纵差综合保护器、矿用光缆网络及防越级专用交换机。高速通讯总线接入防越级专用交换机就是一个个变电所的纵差综合保护器的差动通讯线连在一起构成的，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，利用监控通讯网控制地面电力调度，实时监测每台保护的运行状态。
　　2.2 系统保护配置 变电所进线开关的保护配置：过流保护、零时延的智能后备保护、母差保护、纵差保护终端线路开关的保护配置：过载保护、短路保护连接下级变电所开关（联络开关）的保护配置：零时延的智能后备保护、过流保护、纵差保护智能后备保护是指下级开关拒动时，上级开关的智能后备保护无时延跳开上级开关，切除故障，可以消除传统过流后备保护的逐级时延累积效应，缩短故障切除时间。