电力监控系统防越级跳闸方案的研究.pdf

第 8期 2 0 1 1 年 8月 工矿 自 动化 I nd us t r y a n d M i n e Aut o mat i o n NO ． 8 Au g ． 2 0 1 1 文章 编号 1 6 7 1 2 5 1 X 2 O 1 1 0 8 0 1 7 9 --0 4 DOI C NK I 3 2 1 6 2 7 ／ TP ． 2 0 1 1 0 8 0 7 ． 1 1 5 0 ． 0 3 8 电力监控系统防越级跳闻方案的研究 曹留柱 ， 曲德 臣， 李 民 中， 王辉 河南平宝煤业有限公司 ， 河南 许昌4 6 1 7 1 4 摘要 针对单一防越级跳 闸方案和地面供电系统防越级跳 闸方案均不能有效解决煤矿井下越级跳 闸故 障的问题 ， 提 出了一种采用电力监控 系统解决煤矿井下越级跳 闸故障的方案 ； 以河南平 宝煤业有限公 司供 电 网络为例 ， 详细介绍了该方案的实现原理及具体 实施情况。实际应用表 明， 该方案 实现 了上 下级 开关的配 合 ， 有 效 防止 了越级 跳 闸故 障 。 关键 词 矿 井供 电 ； 越 级跳 闸 ；电力监控 ；时间级 差 ；关联 延 时 中图分类号 TD 6 1 1 文献标识码 B 网络出版时间 2 0 1 1 0 8 0 7 1 1 5 0 网络 出版 地址 h t t p ／ ／ www． c n k i ． n e t ／ k c ms ／ d e t a i l ／ 3 2 ． 1 6 2 7 ． TP ． 2 0 1 1 0 8 0 7 ． 1 1 5 0 ． 0 3 8 ． h t ml Re s e a r c h o f Sc he me o f Pr e v e n t i n g Ov e r r i d e Tr i p by Us e o f Po we r M o n i t o r i n g Sy s t e m CAO Li u z h u， QU De c h e n g ， LI Mi n z h o n g ， WANG Hu i He n a n Pi n g b a o Co a l I n d u s t r y Co mp a n y，Xu c h a n g 4 6 1 7 1 4 ，Ch i n a Ab s t r a c t I n v i e w o f p r o b l e m t ha t s c he me o f s i n gl e p r e v e nt i ng ov e r r i d e t r i p a n d s c h e m e of p r e v e nt i ng o v e r r i de t r i p o f s ur f a c e p o we r s y s t e m c a nn o t s o l ve u nd e r gr o un d o ve r r i d e t r i p f a ul t e f f e c t i ve l y， t he pa pe r pr o po s e d a s c he m e t ha t u s i ng p o we r mon i t o r i ng s ys t e m t o s o l v e un de r g r ou nd ov e r r i d e t r i p f a u l t ． Ta ki n g p owe r n e t wo r k o f H e na n Pi n gb a o Co a l I nd us t r y Compa n y a s e xa m pl e ，i t i n t r od uc e d r e a l i z i ng p r i nc i pl e a n d i mp l e me n t i n g s i t u a t i o n i n d e t a i l s ．Th e a c t u a l a p p l i c a t i o n s h o we d t h a t t h e s c h e me c a n r e a l i z e c o o p e r a t i o n o f u p p e r a n d l o we r s wi t c h e s a n d p r e v e n t o v e r r i d e t r i p f a u l t e f f e c t i v e l y ． Ke y wo r ds m i ne po we r s u pp l y，o v e r r i de t r i p，p owe r mon i t o r i ng，t i me di f f e r e nc e，a s s o c i a t i o n d e l a y 0 引 言 越级跳闸是煤矿供电系统经常出现 的问题， 严 重威胁着矿井供 电安全。越级跳闸现象虽然在煤炭 行业一直引起广泛关注 ， 对这方面的研究 也一直没 有停止 ， 而产生越级跳闸的原因多种多样 ， 单一的方 案和地面供电方式的移植并不能从根本上解决越级 跳闸现象[ 】 ] 。鉴此， 河南平宝煤业有限公司同鹤壁 广大科技有限公 司合作 ， 建设 了一套矿井 电力监控 系统 ， 可有效解决越级跳闸问题。 1 供 电系统现 状分 析 河南平宝煤业有 限公 司设 计年产 2 4 0万 t 原 煤 ， 矿井 双 回路 供 电， 一路 来 自七宝 线 3 5 k V ， 收稿 日期 2 0 1 1 ～O 6 1 6 作者简介 曹 留柱 1 9 6 5 一 ， 男 ， 河南 禹州人 ， 高级工 程师 ， 现 主 要从事机 电技术管理工作 。E ma i l p mj t j d c 1 2 6 ． c o rn 另一路来 自首宝线 3 5 k V ，两 条 供 电 线 路 到 首山平宝站 ， 由 2台 2 0 0 0 0 k V A 主变压器 降压 到 1 O k V 担负全矿井的供电任务。井下变 电所有 中央变电所 2 0台高爆开关 、 己二采 区上部变 电所 2 0台高爆开关 、 己二采 区中部变电所 1 3台高爆 开 关、 己煤上仓机头变电所 7台高爆开关 、 一7 6 0变电 所 1 3台高爆开关 、 己一中部变电所 1 7台高爆开关 。 由于井下各变 电所距离较近， 供电距离短 ， 在建井期 间曾经出现过 电缆短路 、 越级跳 闸、 一回路全部停电 事故 ， 给矿井安全生产带来 了重大隐患。 2 地面供电系统防越级跳 闸方案 1 时间级差方案 适用于长距离供 电系统 ， 对 馈电线路继电保护范围的确定是通过对各级保护整 定不同的电流值和延 时动作值来实现的， 实现原理 如 图 1 所 示 。 1 8 O 工矿 自动化 2 0 1 1年 8月 中央变 水 甲变电所 采 区变 0 ．4 5 O ．3 O O ． 1 5 O 线路长度 L ／ iT I 图 1 采 用 时 I司级 差 解 决 越 级 跳 I同时 间 配 合 关 系 如果将时间级差方案应用在煤矿短线路供电上 会存在非常大的弊端 1 由于供 电距离较短， 本级 保护和下级保护的短路电流相差不大 ， 无法用短路 电流值的大小来确定保护范 围， 只能通过不同的延 时动作值来确定保护范围， 要求每相邻的两级保护 之间有个时间级差 ， 当保护级数较多时 ， 为了保证保 护的选择性 ， 线路首端的保护的延时就会很大 ， 无法 满足继电保护快速性 的要求 ， 如果保证 了首端的快 速性则无法保证末端动作 的选择性 。对于一个只有 三级供电的矿井 ， 如果每一级延 时级差 为 1 5 0 ms ， 地面变 电所要给出大 于 0 ． 6 s的时间， 否则将直接 导致地面变电所跳闸。考虑矿井变 电所总分开关为 一 级的话， 对于普通矿井的供 电级数要远大于三级 ， 这样延时时间会更长 ， 当发生短路故障时可能直接 烧毁设备 ， 使事故扩大。 2 设 置繁琐 ， 实用性差 ， 每个 总开关 、 馈线开关均需进行不同的设置 ， 只要有 一 个错误将直接导致越级跳 闸。因此 ， 时间级差方 案不适于在井下使用 。 2 光纤 纵差 方案 实 现光 纤纵 差保 护需 要 两端的保护采样必须严格 同步 ， 靠两端电流 的矢量 差来判断故障是否发生在本段线路 的保 护范围之 内， 主要适用于纵 向一对一的 2个 开关之间 。对煤 矿供电系统来说 ， 一般是一条进线带多条出线 ， 如果 实现纵差保护 ， 则需要实现一对多 ， 采样同步非常困 难， 即使实现采样 同步， 一个开关的电流矢量值和多 个开关的电流矢量值 比较 的过程也会造 成采样不 同步 。 光纤纵差保护主要用于输电线路 ， 对于这种场 合来说 ， 上下级开关之间的电流差别是非常小的， 不 考虑线路 的损耗 ， 电流之差应该 接近于 0 。但对 于 一 对多的配电线路 ， 进线开关和每个 出线开关的电 流相差的大小主要表现在出线的多少和每条出线所 带负荷的大小， 这种方式使光纤纵差的判断依据失 效 ， 所以光纤纵差方案也不适用于井下供电场合 。 3 电力监控系统解决井下供电系统越级跳闸方案 3 ． 1 解决短 线路供 电发 生短路 时 引起 的越级 跳 闸 该电力监控系统采用网络通信方式确定继 电保 护范围， 在保证馈电线路末端故障动作选择性的同 时保 证线 路首 端 故 障 的快 速 性 。该 方 案 实 现 原理 馈电线路各级保护装置通过 C AN总线连接至相应 的通信分站 ， 通信分站通过 以太网方 式连接至交换 机 ， 经交换机连接至主站监控系统 ； 在主站监控系统 中根据网络拓扑设置馈电开关各级保护装置之间的 关联关系， 一条馈线上的各级保护装置之间相互关 联 ， 不同馈线上的保护装置之间没有关联关系， 馈线 首端保护不设关联， 馈线 上其它保护只关联它 的上 一 级保护装置； 设置关联延时， 馈电线路末端保护关 联延时为零 ， 其它保护均设置关联延时 T g 一 ； 保护装 置检测到电流满足动作条件时主动向通信分站发送 检测到故障信号 ， 关联延时开始计数 ， 并在关联延时 时间内等待闭锁动作信号 ； 通信分站收到保护装置 送出的故障信号后立即向上传送 ， 主站收到故 障信 号后根据预设 的关联关 系向被关联的装置发送闭锁 信号 ； 保护装置如果收到闭锁信号则证 明故障发生 在它的下一级保护之后， 则闭锁速断保护出口， 如果 在 - 延时范围内没有收到闭锁信号 ， 则在 丁 延时 到时立即发送跳闸出口命令切断故障。该方案无论 该馈电线路上有多少级保 护， 只需要一个时间级差 用于躲过保护判断时间、 继电器出 口时 间和开关机 械机构动作时 间就能确定故 障范围并及时切除故 障 ， 从而保证保护动作 的选择性和快速性 ， 保证煤矿 供 电安全 。 3 ． 2解决 电压 波动 引起 的越 级跳 闸 取消开关 内部无延时的失压脱扣装置 ， 使用具 有失压延时 的保护 装置 ， 设 置 0 ． 5 ～1 S的失压延 时， 解决 由于电压波动引起 的越级跳闸。采用该方 案要求保护装置的后备延时切实可靠 ， 对保护装置 内部器件选型有严格的要求 。 3 ． 3解 决干扰 引起 的保 护器误 动 提高保护装置的抗干扰性能， 要求系统中所配 保护装置通过国家四级 电磁兼容试验 。 3 ． 4解 决开 关拒动 引起 的越级跳 闸 电力监控系统要充分考虑当开关 由于机械故障 引起拒动时产生的越级跳 闸， 当发生这种不可抗拒 的原因引起的越级跳闸现象时， 系统应能准确 、 迅速 2 0 1 1 年第 8期 曹留柱等 电力监控 系统防越级跳 闸方案的研 究 1 8 1 定位故障点 ， 使无故障的开关能及时送电， 故障开关 送不上 电， 防止试送 电引起二次事故。同时系统应 考虑多级开关 同时发生拒动时的情况 ， 针对不 同的 情况采用不同的后备方案 ， 将事故缩小到最小范围。 4 方 案 的 实施 河南平宝煤业有限公司 目前共有 4个高压变 电 所， 供 电网络结构如图 2所示。 己二采 区 己二采 区 中央变 电所 七 部变 电所 中部变 电所 来 自3 5 k V 变 电站1 7 号 来 自3 5 k V 变 电站l 5 号 来 自3 5 k V 变 电站l 6 号 来自 3 5 k V 变电站l 8 号 己二采 区 己二采 区 中央变 电所 上部变电所 中部变 电所 图 2供 电 网络 结 构 1 来 自3 5 k V变电站 1 5号／ 1 7号支路 为配合电力监控系统完成 防止越级跳 闸功能 ， 3 5 k V变电站 1 6号／ 1 8号开关过流 I 段定值应投入 l O O x1 5 0 x ms的延时 z为考虑负荷开关 同时拒 动 级数 ， 如 过流 I 段无 法投 入延 时 ， 则取 消过 流 I 段 防越级跳闸控制字， 改为使用过流 I I 段 。 ① 己二采区中部变电所关联开关 己二采 区中部变 电所 的所 有分 开关 之 间没 有关 联关 系， 都与该变电所的 1 1号 、 己二采区上部变 电所 上级 变 电所 的 I 一 3号 和 I 一 1号 、 中央 变 电 所 上上 级 变 电所 的 1 7 号 和 1 1号 ／ 1 3号开 关构成关联关系。该变电所内所有分开关设置速断 保护 ， 延时时间为 0 ms 。 己二采 区中部变电所 的 1 1号开关 为该 支路 的进线开关 ， 设置速断保护 ， 延 时时间为 4 0 ms ， 过 流 I I 段 作为后备保护 ， 延时时间为 1 O 0 ～1 5 0 ms ， 并投人防越级跳闸控制字 。 己二采区上部变电所 的 I 一3号开关为上级变 电 所 的 出 线 开 关 ， 设 置 速 断 保 护 ， 延 时 时 间 为 4 0 ms ， 过 流 I I段 作 为后 备 保 护 ， 延 时 时 间为 1 0 O ～1 5 0 ms ， 并投人防越级跳 闸控制字 ； 己二采区上部变 电所的 I 一1号开关 为上级变 电 所 的 进 线 开 关 ， 设 置 速 断 保 护 ， 延 时 时 间 为 4 0 ms ， 过流 I I 段 作 为后 备保 护 延 时时 间为 1 0 0 ～ 1 5 0 ms ， 并 投入 防越 级跳 闸控 制字 ； 中央 变 电所 的 1 7号 开 关 为 上 上 级 变 电 所 的 出线 开 关 ， 设 置 速 断 保 护 ， 延 时 时 间 为 4 0 ms ， 过 流 I I 段 作为后备保护 延时 时间为 l O 0 ～1 5 0 ms ， 并 投入防越级跳闸控制字 ； 中央 变 电所 的 1 1号／ 1 3号 开 关 为 上 上 级 变电所 的进线 开 关 ， 设 置速 断 保 护， 延 时 时 间为 4 0 ms ， 过流 I I 段 作为后备保护 延时时间为 1 0 0 ～ 1 5 0 ms ， 并 投入 防越 级跳 闸控 制字 ； 通信 中 断 时 闭 锁 己 二 采 区 中 部 变 电 所 的 1 ～1 号 开关 、 己二 采 区上部 变 电所 的 I 一 3号 和 I 一1 号开 关 、 中央变 电所 1 7号 和 1 1号／ 1 3号 开关 的速断保护 。 ② 己二采区上部变电所关联开关 己二采区上部变电所的所有分开关之间没有关 联关系 ， 除带有下级变 电所的开关 根据下级关联设 置速断 4 0 ms 延时外和过流 I I 段延时时间外 ， 其它 开关均设置速断保护 ， 延时时间为 0 ms 。 ③ 己煤上仓机头变电所关联开关 己煤上仓机头变电所的所有分开关之间没有关 联关系 ， 都与该变 电所 的 1 1号、 中央变电所 上上 级变电所 1 1 3号和 1 1号／ 1 3号开关构成关 联关系 。该变电所 内所有分开关都设置速断保护 ， 延 时时 间为 0 ms 。 己煤 上 仓机 头变 电所 的 1 1号 开关 为 该 支 路 的进线开关 ， 设 置速 断保护 ， 延 时时 间为 4 0 ms ， 过 流 I I 段 作为后备保护 延时时间为 1 0 0 ～1 5 0 ms ， 并 投人 防越 级跳 闸控 制字 。 中央变电所的 1 1 3号开关为上级变电所的出 线开关 ， 设 置 速 断保 护， 延 时时 间为 4 0 ms ， 过流 I I 段 作为后备保护 延时时间为 1 0 0 ～1 5 0 ms ， 并 投人防越级跳闸控制字。 中央变 电所 的 1 1号／ 1 3号开关的设置 同 己二 采 区 中部变 电所 的关 联开 关 。 ④ 中央变电所关联开关 中央变电所 的所有分开关之间没有关联关系 ， 除带有下级 变 电所 的开关根据 下级关联设置 速断 1 8 2 工矿 自动化 2 0 1 1年 8月 4 0 ms 延时外和过流 I I 段延时时间外 ， 其它开关均 设置速断保护， 延时时间为 0 ms 。 2 来 自3 5 k V变电站 1 6 号／ 1 8号支路 为配合电力监控系统完成防止越级跳 闸功能 ， 3 5 k V变电站 1 5号／ 1 7号开关过流 I 段定值应投入 l O O x 1 5 0 x ms 的延 时 ， 如 过流 I 段无 法 投入 延 时 ， 则取消过流 I 段 防越级跳闸控制字 ， 改 为使用过流 I I 段 。 ① 己二采区中部变电所关联开关 己二采区中部变电所 的所有分开关之间没有关 联关系 ， 都与该变电所的 2 2号 、 己二采区上部变 电所 上级变电所 的 I I 一4 号和 I I 一2号、 中央变 电 所 上上 级变 电所 的 2 1 6号 和 2 2号 ／ 2 4号 开关构成关联关系。该变电所 的所有分开关设置速 断保护 ， 延 时时 间为 0 ms 。 己二采区中部变电所 的 2 2号开关为该支路 的进线开关 ， 设置速断保护， 延 时时间为 4 0 ms ， 过 流 1 1 段 作为后备保护 延时时间为 1 0 0 ～1 5 0 ms ， 并投人 防越 级跳 闸控 制字 。 己二采 区上 部变 电所 的 I I 一4号 开关 为上 级 变 电所 的 出 线 开 关 ， 设 置 速 断 保 护， 延 时 时 间 为 4 0 ms ， 过流 I I 段 作为后备保护 延时时间为 1 0 0 N 1 5 0 ms ， 并投入防越级跳闸控制字 。 己二 采 区上部 变 电所 的 I I 一2号 开关 为 上级 变 电所 的 进 线 开 关， 设 置 速 断保 护， 延 时 时 间 为 4 0 ms ， 过流 I I 段 作为后备保护 延时时间为 1 0 0 1 5 0 ms ， 并投入防越级跳闸控制字。 中央变 电所 的 2 1 6号 开关为 上上级 变 电所 的 出线开关 ， 设 置速断保护， 延时时间为 4 0 ms ， 过 流 I I 段 作为后备保护 延 时时间为 1 0 0 ～1 5 0 ms ， 并 投人防越级跳闸控制字 。 中央 变 电所 的 2 2号／ 2 4号 开关 为 上 上 级 变电所 的进 线 开关 ， 设 置速 断 保护 ， 延 时 时 间为 4 0 ms ， 过流 I I 段 作为后备保护 延时时间为 1 O 0 ～ 1 5 0 ms ， 并投入防越级跳 闸控制字 。 通信 中 断 时 闭 锁 己 二 采 区 中部 变 电 所 的 2 2号开关 、 己二采 区上部 变 电所 J a 级变 电所 的 I I 一4号和 I I 一2号开关、 中央变电所 上上级变 电 所 的2 1 6号和 2 2号／ 2 4号开关的速断保护。 ② 己二采区上部变电所关联开关 己二采区上部变电所的所有分开关之间没有关 联关系， 除带有下级变电所 的开关根据下级关联设 置速断 4 0 ms 延时外和过流 I I 段延时时间外， 其它 开关 均设置 速 断保护 ， 延 时时间 为 0 ms 。 ③ 己煤上 仓机 头变 电所关 联开 关 己煤 上仓机 头变 电所 的所有 分开关 之 间没有 关 联关 系 ， 都 与该 变 电所 的 2 2号 、 中央变 电所 上 上 级变 电所 2 1 8号 和 2 2号 ／ 2 4号 开关 构 成 关 联关系。该变 电所 的所有分开关都设置速断保护 ， 延 时时 间为 0 ms 。 己煤上仓机头变 电所的 2 2号开关为该支路 的进线开关 ， 设置速断保护 ， 延 时时间为 4 0 ms ， 过 流 I I 段 作为后备保护 延时时间为 1 0 0 ～1 5 0 ms ， 并投人防越级跳闸控制字。 中央变电所的 2 1 8号开关为上级变电所 的出 线开关 ， 设置 速断保 护 ， 延 时时 间为 4 0 ms ， 过 流 I I 段 作为后备保护 延时时间为 1 0 0 ～1 5 0 ms ， 并 投人 防越级 跳 闸控制字 。 中央变 电所 的 2 2号 ／ 2 4号 开关 的设 置 同 己二采区中部变电所的关联开关 。 ④ 中央变 电所 关联 开关 中 央变 电所 的所 有分 开 关 之 间没 有关 联 关 系 ， 除带有下级变 电所 的开关根据下级关联设 置速断 4 0 ms 延时外和过流 I I 段延 时时间外 ， 其它开关均 设置 速 断保 护 ， 延 时时间 为 0 ms 。 5 结语 目前 ， 河南平宝煤业有限公 司一期 工程完成了 中央变电所 、 己二采区上部变电所 、 己煤上仓机头变 电所的电力监控 自动化 ， 实现了上下级开关的配合 ， 有效防止了越级跳闸事故的发生。二期工程计划到 2 0 1 1年 8月前完成己二采区中部变电所 、 一7 6 0变 电所 、 己一采 区 中部 变 电所 的 电力 监 控 自动化 。随 着矿井 的不断延伸 ， 电力监 控系统还要不断地扩展 和完善， 最终实现矿井 电力监控 自动化 的目标 ， 保证 供电安全 。 参考文献 E l i 吴文 瑕 ， 陈 柏峰 ， 高燕 ． 井 下 电 网越 级 跳 闸 的研 究 及 解决建议[ J ] ． 工矿 自动化 ， 2 o 0 8 6 1 3 6 1 3 8 ． [ 2 ] 栾 永春 ， 刘建伟． 煤矿井下 电网越级跳 闸的原 因分 析和 探讨[ J ] ． 工矿 自动化 ， 2 0 0 9 3 8 2 8 4 ． E 3 ] 陶瑞基 ， 李淑如． 柏山站 3 5 k V 电力 系统开关越级跳 闸 的原 因及解决办法I- J ] ． 电气应用 ， 2 0 0 5 1 0 3 2 3 3 ．