付云端

(晉能控股煤業(yè)集團(tuán) 胡底煤業(yè)，山西 沁水 048200)

0 引言

煤礦供配電系統(tǒng)是維持整個(gè)煤礦開采作業(yè)安全高效運(yùn)行的關(guān)鍵基礎(chǔ)，因此確保其可靠運(yùn)作至關(guān)重要。由于井下高壓供電系統(tǒng)及變電所電壓等級(jí)均為6 kV/10 kV，中性點(diǎn)運(yùn)行方式差異較大，極易發(fā)生短路故障[1-4]。同時(shí)礦井供電系統(tǒng)的供電線路大多數(shù)較短，其線路阻抗小，短路電流較大，造成上、下級(jí)變電所短路保護(hù)無(wú)法通過(guò)時(shí)間級(jí)差進(jìn)行配合。當(dāng)下級(jí)回路發(fā)生短路時(shí)，其上、下級(jí)速斷保護(hù)同時(shí)啟動(dòng)，造成上、下級(jí)保護(hù)同時(shí)動(dòng)作或上級(jí)搶先動(dòng)作，從而引起越級(jí)跳閘事故的發(fā)生[5，6]。越級(jí)跳閘不僅會(huì)嚴(yán)重威脅礦井供電、通風(fēng)及其他重要安全系統(tǒng)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)，且供電恢復(fù)流程十分繁瑣，嚴(yán)重影響礦井開采工作的安全性及效率，因此需要通過(guò)對(duì)防越級(jí)安全系統(tǒng)的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)礦井供電系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)智能防越級(jí)跳閘，提高煤礦供電可靠性。

本文在胡底煤礦35 kV及以下供電及電力監(jiān)控系統(tǒng)的基礎(chǔ)上對(duì)分布式防越級(jí)跳閘保護(hù)系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)，通過(guò)對(duì)地面配電室、井下中央變電所、井下盤區(qū)變電所等關(guān)鍵位置的高開綜保器等硬件進(jìn)行升級(jí)，并對(duì)系統(tǒng)的通訊系統(tǒng)進(jìn)行重新架構(gòu)，建立了分布式防越級(jí)保護(hù)專用信息傳輸通道，實(shí)現(xiàn)煤礦供電系統(tǒng)短路區(qū)域的高精度迅速診斷及故障切除，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)智能防越級(jí)跳閘。

1 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

1.1 防越級(jí)跳閘系統(tǒng)建設(shè)方案

本文的防越級(jí)系統(tǒng)是在胡底煤礦原供電及監(jiān)控系統(tǒng)的基礎(chǔ)上進(jìn)行設(shè)計(jì)的，主要對(duì)系統(tǒng)各部分的高開綜合保護(hù)器等硬件進(jìn)行升級(jí)改造，同時(shí)通過(guò)防越級(jí)控制器及RS485/CAN總線通訊搭建防越級(jí)保護(hù)專用通訊網(wǎng)絡(luò)，從而實(shí)現(xiàn)各變電所間的防越級(jí)跳閘功能。具體建設(shè)方案如下。

1.1.1 地面35 kV站10 kV配電室

胡底煤礦地面變電所目前具備6臺(tái)入井高壓開關(guān)柜，不具備電力測(cè)控分站及防越級(jí)控制器，需在10 kV配電室安裝1臺(tái)礦用電力測(cè)控分站。為保持變電站監(jiān)控系統(tǒng)的完整性，入井線路的6臺(tái)開關(guān)柜各并接1臺(tái)防越級(jí)高開綜合保護(hù)器。防越級(jí)高開綜合保護(hù)器通過(guò)RS485或CAN總線與電力測(cè)控分站進(jìn)行通訊，搭建光纖防越級(jí)跳閘專用通訊網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)保護(hù)器數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)距離傳輸[7]。

1.1.2 井下中央變電所

井下中央變電所配備有2臺(tái)礦用電力測(cè)控分站及2臺(tái)進(jìn)線高爆開關(guān)綜保器，并未設(shè)置礦用網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)，數(shù)據(jù)交互性較差，不具備防越級(jí)跳閘功能。因此需將2臺(tái)高爆開關(guān)綜保器升級(jí)為防越級(jí)高開綜保器，并通過(guò)RS485總線與電力測(cè)控分站實(shí)現(xiàn)通訊。同時(shí)裝配1臺(tái)本質(zhì)安全型網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)，防越級(jí)高開綜保器經(jīng)CAN總線接入至交換機(jī)中，從而搭建防越級(jí)光纖網(wǎng)絡(luò)專用通道。

1.1.3 井下盤區(qū)變電所

井下盤區(qū)變電所硬件配置有1臺(tái)礦用電力測(cè)控分站及6臺(tái)高爆開關(guān)綜保器，未安裝礦用網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)。改造方案為將6臺(tái)高爆開關(guān)綜保器升級(jí)為具備防越級(jí)跳閘功能的綜合保護(hù)器，通過(guò)RS485總線與電力測(cè)控分站實(shí)現(xiàn)通訊。同時(shí)配置1臺(tái)本質(zhì)安全型網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)，并將防越級(jí)高開綜保器經(jīng)CAN總線接入至交換機(jī)，搭建光纖網(wǎng)絡(luò)專用通道，實(shí)現(xiàn)變電所間的防越級(jí)跳閘功能。

1.1.4 井下10#橫川變電所

井下10#橫川變電所的硬件配置與改造方案與井下盤區(qū)變電所相同，需要將所有高開綜保器更換為具備防越級(jí)保護(hù)的高性能高開綜保裝置，同時(shí)安裝本質(zhì)安全型網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)。

1.2 防越級(jí)跳閘系統(tǒng)架構(gòu)

根據(jù)上述建設(shè)方案，本文對(duì)適用于胡底煤礦供電系統(tǒng)的防越級(jí)跳閘安全系統(tǒng)進(jìn)行架構(gòu)，系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 防越級(jí)跳閘安全系統(tǒng)總體架構(gòu)

從圖1可以看出，本系統(tǒng)主要由防越級(jí)高開綜保器、本質(zhì)安全型網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)和井下通訊光纜網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成。各變電所的防越級(jí)高開綜保器通過(guò)內(nèi)部防越級(jí)專用總線連接至各網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)，各交換機(jī)再通過(guò)光纜互聯(lián)，最終架構(gòu)起獨(dú)立的防越級(jí)通訊光纖網(wǎng)絡(luò)。通過(guò)該獨(dú)立高速通訊環(huán)網(wǎng)系統(tǒng)可完成數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)交互，從而迅速確定故障位置，高精度切除相應(yīng)短路區(qū)間處開關(guān)，從而達(dá)到防越級(jí)保護(hù)的目的。

1.3 防越級(jí)跳閘保護(hù)系統(tǒng)動(dòng)作分析

系統(tǒng)所有進(jìn)線及聯(lián)絡(luò)開關(guān)均設(shè)置防越級(jí)保護(hù)、母差保護(hù)、零時(shí)延后備保護(hù)及過(guò)流保護(hù)，終端線路開關(guān)配有短路保護(hù)及過(guò)載保護(hù)[8]。本文以終端線及聯(lián)絡(luò)線故障為例對(duì)系統(tǒng)動(dòng)作行為進(jìn)行分析，如圖2所示。

圖2 防越級(jí)跳閘保護(hù)系統(tǒng)動(dòng)作行為分析

1.3.1 終端線發(fā)生故障

當(dāng)終端線a2處出現(xiàn)短路故障時(shí)，開關(guān)QF1、QF2、QF3、QF4、QF6均可感應(yīng)到短路電流，此時(shí)開關(guān)QF1、QF2以及QF3、QF4通過(guò)防越級(jí)系統(tǒng)進(jìn)行短路狀態(tài)交互，判定為區(qū)外短路，對(duì)防越級(jí)保護(hù)進(jìn)行閉鎖，QF4則開啟延時(shí)后備保護(hù)，QF6的速斷保護(hù)立即動(dòng)作，對(duì)短路點(diǎn)進(jìn)行切除。若QF6此時(shí)拒動(dòng)，則短路仍未被切除，此時(shí)QF4的延時(shí)后備保護(hù)立即執(zhí)行并消除短路點(diǎn)；若QF4也拒動(dòng)，或系統(tǒng)通訊失去響應(yīng)，則系統(tǒng)主保護(hù)全部被閉鎖，此時(shí)由帶時(shí)間級(jí)差的過(guò)流后備保護(hù)動(dòng)作對(duì)短路點(diǎn)進(jìn)行切除。

1.3.2 聯(lián)絡(luò)線發(fā)生故障

當(dāng)聯(lián)絡(luò)線a3處發(fā)生短路時(shí)，QF1、QF2、QF3、QF4、QF5均感應(yīng)到短路電流存在，此時(shí)QF1、QF2、QF3、QF4、QF5通過(guò)防越級(jí)系統(tǒng)進(jìn)行短路狀態(tài)交互，確定短路出現(xiàn)在a3位置，此時(shí)QF1、QF2、QF3、QF4對(duì)防越級(jí)保護(hù)進(jìn)行閉鎖，并由QF4啟動(dòng)延時(shí)后備保護(hù)，QF5的防越級(jí)保護(hù)執(zhí)行切除短路點(diǎn)任務(wù)。若此時(shí)QF5拒動(dòng)，則立即執(zhí)行QF4的延時(shí)后備保護(hù)消除短路點(diǎn)；若QF4也拒動(dòng)，或系統(tǒng)通訊失去響應(yīng)，則系統(tǒng)主保護(hù)全部被閉鎖，此時(shí)由帶時(shí)間級(jí)差的過(guò)流后備保護(hù)動(dòng)作對(duì)短路點(diǎn)進(jìn)行切除。

2 硬件方案設(shè)計(jì)

該防越級(jí)跳閘保護(hù)系統(tǒng)在原供電系統(tǒng)的基礎(chǔ)上通過(guò)設(shè)置網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)搭建防越級(jí)專用通訊通道，將防越級(jí)高開綜保器連接至電力測(cè)控分站，在實(shí)現(xiàn)防越級(jí)跳閘功能的同時(shí)還可實(shí)現(xiàn)煤礦各變電所當(dāng)?shù)丶斜O(jiān)控及地面監(jiān)控中心遠(yuǎn)程“五遙”功能。因此本系統(tǒng)硬件升級(jí)方案主要為礦用本安型網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)及具有防越級(jí)跳閘功能的高開關(guān)綜保器的選型設(shè)計(jì)。

本文選用KJJ156型煤礦本質(zhì)安全型網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)架構(gòu)防越級(jí)專用通訊通道，其額定工作電壓為DC 12 V，傳輸方式為TCP/IP以太網(wǎng)光信號(hào)傳輸，傳輸速率為100 Mb/s～1 000 Mb/s自適應(yīng)，傳輸距離≥40 km。通訊接口傳輸方式為全雙工CAN2.0B協(xié)議，數(shù)據(jù)傳輸速率為500 kb/s，最大級(jí)聯(lián)保護(hù)器數(shù)量可達(dá)64臺(tái)，滿足本系統(tǒng)的通訊需求。

本文對(duì)原煤礦供電系統(tǒng)中的高低壓開關(guān)綜保器進(jìn)行改造，將其升級(jí)為具有防越級(jí)保護(hù)作用的智能綜保器。本系統(tǒng)選用ZBT-11C型防越級(jí)礦用智能高開綜合保護(hù)器對(duì)井下高爆開關(guān)進(jìn)行保護(hù)，ZBT-11C保護(hù)器除具備開關(guān)本體常規(guī)保護(hù)監(jiān)控功能外，還可通過(guò)系統(tǒng)級(jí)聯(lián)與靈活組網(wǎng)形成實(shí)時(shí)防越級(jí)跳閘網(wǎng)絡(luò)。其內(nèi)部采用32位高速CPU及通訊協(xié)議處理器，采用32點(diǎn)采樣及通道幅值相位自動(dòng)校準(zhǔn)，使保護(hù)具有更高測(cè)量精度。在通訊方面，ZBT-11C具備RS485、CAN、以太網(wǎng)等通訊接口，聯(lián)網(wǎng)更加靈活方便，具備主保護(hù)、后備保護(hù)、帶時(shí)限過(guò)載保護(hù)等多達(dá)16種保護(hù)功能，是實(shí)現(xiàn)本系統(tǒng)防越級(jí)跳閘功能的重要設(shè)備。

3 軟件方案設(shè)計(jì)

分布式防越級(jí)跳閘保護(hù)系統(tǒng)主要功能包括綜合保護(hù)、開關(guān)量監(jiān)測(cè)、電度計(jì)量、遠(yuǎn)近控制及數(shù)據(jù)管理等，軟件具體功能如圖3所示。

圖3 分布式防越級(jí)跳閘保護(hù)系統(tǒng)軟件功能圖

防越級(jí)跳閘保護(hù)系統(tǒng)的動(dòng)作機(jī)制不同于普通速斷保護(hù)，當(dāng)系統(tǒng)檢測(cè)到故障電流時(shí)系統(tǒng)開啟防越級(jí)主保護(hù)并判斷是否接收到來(lái)自下級(jí)的閉鎖信號(hào)，在接收到閉鎖信號(hào)的情況下系統(tǒng)將通過(guò)延時(shí)對(duì)速斷保護(hù)進(jìn)行閉鎖，延時(shí)結(jié)束若故障依然存在，則立即執(zhí)行保護(hù)動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)防越級(jí)跳閘保護(hù)，系統(tǒng)主程序如圖4所示。

圖4 分布式防越級(jí)系統(tǒng)主程序流程圖

4 結(jié)束語(yǔ)

本文為適應(yīng)胡底煤礦供電系統(tǒng)防越級(jí)保護(hù)需求，在原供電及監(jiān)控系統(tǒng)的基礎(chǔ)上通過(guò)對(duì)防越級(jí)高開綜保器及防越級(jí)控制器的選型設(shè)計(jì)了一套分布式防越級(jí)跳閘保護(hù)系統(tǒng)，系統(tǒng)采用CAN總線及光纖形式對(duì)防越級(jí)專業(yè)通訊網(wǎng)絡(luò)通道進(jìn)行架構(gòu)，采用短路故障自主定位及開關(guān)故障信息自主交換協(xié)商的形式精確迅速切除短路點(diǎn)，達(dá)到了系統(tǒng)防越級(jí)保護(hù)的目的。