理工论文

防越级跳闸保护技术的研究与实际应用

时间：2022-12-19 18:24 所属分类：理工论文 点击次数：

　　摘要：某矿井下供电方式为主电缆入井、敷设至各级变电所的供电方式，矿井各级供电系统的可靠性通过安装各级保护开关实现，系统在运行过程中时常发生越级跳闸问题。在分析研究了越级跳闸原因和解决方案的基础上，某矿应用了ZBT-11C防越级跳闸保护系统，应用效果表明该系统能实现供电故障的精准定位、漏电保护及时动作、系统灵敏度高，实现变电所级联差动保护，彻底杜绝了越级跳闸现象[1]。

　　关键词：越级跳闸;分站集中;光纤电流差动;ZBT-11c保护器

　　1越级跳闸原因研究

　　越级跳闸现象是矿山供电系统的常见故障，当供电系统发生短路故障时引发了正常工作电路的不正常断电，导致正常工作线路无故停电[2]。越级跳闸现象存在停电范围不可控、影响范围广、恢复供电检查工作繁琐的特点，并且越级跳闸现象造成设备急停，严重影响安全生产。越级跳闸现象的原因主要包括以下几个方面：

　　1.1继电保护延时误差

　　矿山供电线路较短(3Km~5Km)，供电保护系统多采用逐段延时跳闸继电保护方式。由于逐段延时跳闸方式存在级数多、延时累积时间长的特点，易造成供电系统的延迟时间比短路保护设定的时间长，延时跳闸手段的线路开关动作时间大于延时时间，造成馈电馈线开关不能及时动作的情况下，母线开关提前发生动作，造成越级跳闸现象的发生[3]。

　　1.2开关电源误动作

　　井下的作业环境和工作条件较为恶劣，导致井下变电所的开关综合保护装置不同程度的老化，当电流保护装置出现老化或性能降低等问题后，极易发生误动作越级跳闸故障。

　　井下防爆开关采用主回路供电方式，主回路供电在短路、失压、相序不平衡、谐波等问题状态下，其控制电源和保护电源同时处于故障状态，保护装置和控制系统无法正常供电，导致开关电源的拒动或误动，造成越级跳闸。

　　1.3失压保护方式不当

　　矿山井下高低压开关控制柜安设的失压脱扣装置，具有避免线路带负载供电的功能。失压脱扣装置能够实现：供电电压>65%的额定电压时，自动吸合供电;供电电压<35%的额定电压时，自动断开吸合，停止供电。但是当供电电压介于35%～65%时，失压脱扣装置处于不可靠工作阶段，失压脱扣装置处于速断工作状态，常常导致过流延时保护装置的失效，从而引发越级跳闸现象。

　　1.4断路器保护问题

　　供电系统发生故障时，断路器的动作电流与故障电流相匹配，才能够实现断路器的及时动作。断路器的动作电流过高，则会导致本级断路器在发生故障时达不到动作电流而拒动，从而引发上级的断路器的跳闸，引发越级跳闸现象;断路器的选择应合理可靠，须依据上下级电流的大小来确定动作电流，并匹配合理的断路器。

　　断路器的跳闸保护动作需要一定的反应时间，多级保护中断路器相应时间不同，上级断路器的动作时间比下级断路器动作时间短，就极易发生上级断路器的提前动作，造成越级跳闸故障[4]。断路器的选择须考虑合理的动作时间，原则下级断路器的动作响应时间要短于上级。如果下级熔断器的动作时间为t，则上级断路器动作时间为t+t1，其中t1为动作延时时间，一般取值范围为0.3~0.5s，矿山供电系统通常取0.5s。

　　断路器的自身保护装置也存在一些不确定因素，比如线路接触不良、商品型号功能不统一等问题，导致供电保护系统失灵，引发越级跳闸事故发生。

　　2越级跳闸的解决方案研究

　　2.1电气闭锁方案

　　防止断路器出现越级跳闸的简单方法是闭锁上下级断路器，通过断路器的逐级闭锁能够有效避免越级跳闸现象。但是断路器闭锁线路复杂，保护器级别较多时该线路尤为复杂，采取无线式信号传输闭锁方式可靠性差、信号传输滞后[5]。鉴于矿山井下作业环境较差、干扰因素较多，无法确保闭锁信号的及时传输，并且闭锁装置的线路复杂、故障维修难度大[6]。因此，电气闭锁方案从理论上具备防止越级跳闸的功能，但是该方案的实际操作难度大、维护费用高、实用性差，在实际生产中较少应用。

　　2.2分站集中控制方案

　　为实现集中式保护站与分站的信息的有效传递，安设传感器采集各个分站的保护电流信息，并将采集的信息通过光纤传输到集中式电流保护站。线路发生故障，保护站通过分析各分站的电流信息，判断出故障线路的控制开关，发出精准的跳闸保护指令，实现线路跳闸保护，有效避免越级跳闸现象[7]。但分站集中控制方案存在一定的缺陷，其中主要包括运营成本较高、运行过程复杂、要进行定期维护消耗大量精力、跳闸系统对断路器适应效果较差;并且一旦断路器损坏未能及时跳闸，该供电系统的其他断路器也不会动作，则会导致极为严重的供电事故。因此该方案的应用风险较大，该防越级跳闸方案未得到推广。

　　2.3光纤电流差动保护方案

　　光纤差动保护装置是在电流差动保护的基础上演化而来的，通过电流互感器实现对差动电流的实时保护，并通过光纤信号实现电流幅值和相位数据的有效传输，基本保护原理也是基于克希霍夫基本电流定律，其工作原理图如图1所示。光纤差动保护装置系统具有动作精准、灵敏度高等优势，该系统的应用相对广泛，但是存在不能多级差动保护和多线差动保护的劣势。

　　3矿井防越级跳闸系统的建设

　　3.1矿井供电情况简介

　　该矿35kV变电站担负着全矿地面井下的所有供电，35kV变电站两回路进线分别引自两座110KV变电站。运行方式：158运行，母联100运行。158进线保护：四方CSC-163A，159进线保护：南瑞RCS-943，母联保护：四方CSC-122M，10KV保护：四方CSC-280系列。

　　3.2 ZBT-11C防越级跳闸系统的应用

　　ZBT-11C保护器是常见的供电系统越级跳闸保护器。该保护器中的某一级出现过载或短路情况时，不会经过上下级的供电器母线，而是只有本级保护器发生动作，并将闭锁信号及时上传至上级保护器，避免发生越级跳闸事故;当本级保护器出现故障不能及时动作时，上级保护器延时0.5s后，自动动作完成系统的保护功能;当短路等问题消除后，及时向上级保护器发出解除闭锁信号，上级保护则会自行解除闭锁，保障上下级电路正常运行[8]。该保护器会在使用过程中根据实际情况选择适合的保护措施，更好地减少越级跳闸事故的发生[9]。该保护装置的最大优点是对区域保护效果稳定可靠，通过运用电路开关能准确提供供电故障的具体位置，接收故障信号迅速反应隔离故障范围，最大程度保护整个供电系统的安全稳定。

　　该矿电力系统分布情况如图2所示，ZBT-11C防越级跳闸系统配置SCADA服务器、工业光纤以太网以及运行工况监测站，地表1座变电所和井下两座变电所分别设置集控中心负责各级数据的收集与汇总，通过以太网进行信息的传输。电力系统中防越级跳闸系统分为智能保护模块，变电所监控分站和地面监控等方面组成，不同的机构在各自功能范围内保障电力系统的正常运行[10]。智能保护是根据电力系统数据及时调整数据，以智能化方式为基础保护电力系统的正常运行，利用通讯监控分站对井下电力系统进行正常监控，并及时上传整理监控信息。试验发送指令“1#变电所控制的设备发生故障”，则该故障信息通过光纤以太网数据传输至SCADA服务器，时间间隔大约60ms，此时的动作反馈信息是“1#变电所保护器动作，地面变电所和3#变电所的保护器均处于闭锁工作状态”，有效避免了越级跳闸现象。

　　4结语

　　通过对矿井供电防越级跳闸系统的建设和完善，矿井供电系统的安全可靠性能显著改善。应用结果表明，ZBT-11C系统综合运用了电路开关以及电网的拓扑信息，能实现供电故障的精准定位，有助于快速消除故障;充分考虑了保护器的抗干扰能力，对外引出端采取了双重防护，具备远程漏电检测功能，系统安全可靠;基于检测异频信号、特殊信号，实现漏电保护及时动作，系统灵敏度高;内置级联差动保护模块，实现变电所级联差动保护，彻底杜绝了越级跳闸现象。

　　参考文献

　　[1]李智兵.线路树障引起越级跳闸事故的原因分析及对策[J].安徽电力,2019,36(4):31-33.

　　[2]封治国.基于层次分析的矿山供电系统事故原因与应对措施[J].陕西煤炭,2018,37(4):36-38.

　　[3]殷鹏.矿山供电系统防越级跳闸技术的分析及应用[J].机械管理开发,2020,35(4):140-141.

　　[4]付志勇.矿山井下供电系统无人值守发展方向[J].矿山机电,2019.40(6):78-81.

　　[5]赵虎.矿山井下变电所无人值守监控系统分析[J].陕西煤炭,2019,38(2):169-171.

　　[6]王超;杜英;苟全峰等.矿山供电系统中越级跳闸问题研究[J].煤炭技术,2018,37(10):312-314.

　　[7]马立乾.矿山供电系统质量评价方法研究[J].陕西煤炭,2019,38(4):32-35.

　　[8]王倩.矿山供电防短路越级跳闸系统优化设计[J].机械管理开发,2020,35(10):191-192.

　　[9]刘德胜.基于光纤电流差动保护的矿山防越级跳闸研究[J].陕西煤炭,2019,38(2):146-148.

　　[10]杜建平.矿山井下机械供电设备可靠性优化设计[J].机械管理开发,2018,33(7):210-211.