专题1-高压供电系统防越级跳闸培训讲义

井下高压电网防越级跳闸保护原理目前，我国井下6kV高压供电网络大部分采用一条进线开关带多条出线开关的供电模式，上下级开关之间通过短电缆连接。这种供电模式组成的供电系统供电距离短、短路电流大，且每级供电网络首段发生短路故障时的短路电流和末端发生短路故障时的短路电流相差不大，这就为基于传统两段过流式继电保护的电流整定带来了很大的困难。另外，煤矿井下供电条件恶劣，环境潮湿，电磁干扰很多，这些都直接或间接的增加了防越级跳闸保护的难度。通过单一的保护方案或者把地面防越级跳闸方式直接移植到井下供电系统并不能从根本上解决井下越级跳闸现象。1井下高压电网发生越级跳闸的原因煤矿井下高压供电网络发生越级跳闸的原因主要有以下几点：(1)高爆开关机构配置不合理。随着煤矿开采年限以及用电负荷的不断增加，井下高压供电网络所用高爆开关的数量在不断增加，高爆开关的型号也在不断更新，这就增加了井下高爆开关在选型上和地面变电所供电设备之间配合的难度。由于煤矿井下环境潮湿容易造成高爆开关的动作机构卡涩、不灵活，从而增加了开关的固有动作时间。而对于短路故障又多采用电流速断保护，这使得井下发生短路故障时，井上变电所的动作时间小于井下高爆开关的动作时间。当井下短路电流达到井上变电所的短路电流整定值时发生井上变电所先于井下高压开关跳闸，造成大面积的停电事故。(2)井下供电线路距离短、短路电流大。当供电线路较长时，电缆首端的短路电流值和电缆末端的短路电流值就会相差较大，发生短路时电流的变化趋势也会比较陡，这样继电保护的范围就会相对比较大。但是由于我国煤矿井下高压供电网络多采用纵向逐级控制干线式供电网络，每段电缆长度较短（一般在60到1500米之间），这就造成了各段线路首端短路电流和末端短路电流相差不大，甚至出现电缆首端最小两相短路电流的幅值小于电缆末端的最大三相短路电流的幅值，这种情况下速断保护的保护范围很小甚至为零，靠鉴别电流幅值的电流速断保护难以满足其纵向选择性的要求，使得电流速断保护形同虚设。有的供电线路虽然较长但是由于末端负荷大、电缆截面大，当发生短路时上下级的电流值相差不大，很难实现上下级高爆开关的速断配合，由于下级的短路电流很大甚至可能满足上级高爆开关的短路保护整定值，造成上下级之间在整定值上虽有级差却很难起到级差作用，从而发生下级短路时上下级开关抢跳甚至出现越级跳闸的现象。(3)高爆开关数字测控系统工作电源不独立。高爆开关的工作电源一般采用供电系统中的电压或电流回路的电磁元件直接供给，且都装有零延时的欠电压释放保护。高爆开关数字测控系统的电源通常来自于高爆开关内部三相五柱式电压互感器的二次侧100V电压，测控系统通过小型变压器，以及模块化的直流电源将互感器二次侧的100V电压变换为CPU以及继电器、运算放大器所需要的电压等级的电压。而高爆开关内部的三相五柱式电压互感器的一次侧电压为所保护线路电压，因此，相当于数字测控系统的电源电压直接来自于供电网络中的电源电压。这就导致测控系统对电网电压高度依赖，当电网发生欠压事故或者过压事故时都会影响高压供电系统的正常工作。(4)电流保护时间级差无法配合。由于井下供电网络供电线路级数很多，地面变电所到移动变电站之间的供电级数一般都会超过三级。按照35kV变电所供电管理部门的要求，地面6kV变电所过电流保护时限不能超过一定的时限要求，按照传统过流保护0.5s的时间级差整定，根本无法实现井下供电线路级数多的过电流保护时限配合。(5)大功率设备同时启动。随着井下综采面自动化程度的不断提高，大功率机械设备被越来越多的直接投入到生产一线，特别是位于供电线路末端的3.3kV大功率采煤机及其配套大功率设备的投入，使得在设备的启动瞬间电流很大、电压下降较多。当电压过低达到欠电压保护整定值时可能导致欠压保护装置跳闸。(6)保护装置器件自身质量问题。目前，我国矿用继电保护装置所用元器件没有形成一个统一的标准，许多厂家生产的高爆开关测控装置所选用的电流互感器、电压互感器普遍存在保护级准确度低、磁化曲线相差较大、易饱和等问题。另外井下各种电磁干扰严重，基于传统电磁式保护原理的高爆开关保护装置的检测值与实际值存在较大误差，造成保护装置误动或者拒动甚至上级开关先于下级开关跳闸等现象的发生。(7)其它方面的原因。由于我国煤矿井下传统过流保护高爆开关保护装置沿用地面10kV或6kV高压保护器设置，造成保护只有两段式保护，且电流速断保护和定时限过流保护定值只能选择与开关额定电流的倍数关系，造成保护的定值无法确定。同时由于继电保护设备存在各种缺陷也会造成保护误动作，出现越级跳闸的现象。这方面的原因也比较多，比较难以克服。2目前常用防越级跳闸方案使用现状由于井下各级变电站内部供电距离较短，每级线路首、末两端短路电流相差很小，使得基于传统鉴幅法的电流速度保护范围很小甚至为零。当发生三相短路故障时可能上下级保护装置检测到的电流值同时达到整定电流值，无法满足继电保护的选择性要求，造成越级跳闸现象频发。定时限过电流保护也因井下级数较多而无法满足上级供电部门对短路跳闸时限的要求。随着计算机技术、现代电力电子技术以及网络通信技术的发展，人们开始把目光从传统继电保护领域转向通信技术结合微机保护领域，并提出了很多基于网络通信的防越级跳闸保护新方案。2.1基于电气闭锁原理的防越级跳闸保护方案电气闭锁防越级跳闸保护方案的原理是：通过通讯电缆将具有上下级供电关系的高爆开关串联起来，当下级开关检测到电流为故障电流而跳闸时发送跳闸闭锁信号给其上级开关，上级开关收到闭锁信号后即使检测到电流达到故障电流也不跳闸。电气闭锁方案由于具有理论简单、目的明确等优点而在早期防越级跳闸保护中得到了广泛的应用。但是，由于井下电磁环境复杂、各种干扰因素较多，而传输电气闭锁信号的通讯电缆抗干扰能力很差，当通讯信号经过通讯电缆进行长距离传输时，通讯信号的可靠性无法得到保证。2.2基于分站集中控制方式的防越级跳闸保护方案基于监控分站方式的防越级跳闸保护方案的原理是：通过双绞线或者同轴电缆将井下供电网络中的高爆开关保护装置连接到通讯分站，通讯分站通过以太网连接至交换机，然后经由交换机连接至监控分站。基于分站集中控制原理的防越级跳闸保护方案把传统的电流速断保护与定时限过电流保护相结合，弥补了传统电流速断保护中，当上下级开关同时检测到电流为故障电流时容易发生越级跳闸的不足，而且可以通过只整定一个时间级差来解决井下供电级数过多的问题，因而具有一定的可取性。2.3基于纵联差动保护原理的防越级跳闸保护方案光纤纵联差动保护最早应用于地面供电系统的短路保护中，其基本原理是：以基尔霍夫电流定律为基础，在每级保护的首末两端都安装有电流检测装置，通过光纤通道将本侧的电流信息传输到对侧，每侧保护根据对两侧的电流信息进行比较以区别故障为区内故障还是区外故障。光纤纵差保护原理简单、保护精度较高，但是该方案信息采集量大并且要求两侧电流信息的采集必须严格的同步，比较适合于地面一条进线带一条出线的供电模式。对于井下一条进线经常带多条出线的供电模式，保持采样的同步非常困难，另外进线开关的电流矢量值和多条出线开关的电流矢量值之间的比较也会导致采样的不同步。因此，仅仅依靠光纤纵差保护而没有强大的数据处理功能以及严格的同步采样保持装置，想实现井下高压的防越级跳闸功能也有不小的困难。2.4基于数字变电站技术的防越级跳闸保护方案该方案要求所有的高爆开关保护装置具备光纤转换接口，通过光纤将井下所有高爆开关的智能保护器连接到数字变电站的保护主机上，然后由保护主机通过工业以太网连接到调度以及监控主机上面。基于数字化变电站技术的煤矿井下防越级跳闸方案具有快速、可靠的信息传输能力，以及完善的故障检测功能，不但可以很好的解决井下经常发生越级跳闸的问题，而且对解决井下电网的其它故障都不失为一种好办法。数字化变电站技术是基于数字化、智能化传感器以及高速光纤通讯技术而提出的新型保护模式，这种模式已经在地面输供电技术中得到了一定的应用。但是由于我国很多矿井不具备光纤通讯能力，许多正在使用的老高爆开关保护装置甚至不具备RS485等通讯接口。因此该方案在目前的生产矿井中进行推广难度较大。2.5基于GOOSE通信机制的防越级跳闸保护方案GOOSE(genericobjectorientedsubstationevent)是通用面向对象的变电站事件的简称，是由IEC61850标准定义的一种快速报文传输机制。GOOSE通信机制以高速光纤通讯网络为基础，可以为整个防越级跳闸系统提供快速、可靠的通讯报文传输，广泛应用于实时跳闸指令、间隔逻辑闭锁指令的传输以及检同期等功能的实现。煤矿井下电磁干扰严重，而跳闸指令的传输对可靠性要求很高，一旦报文丢失就极易造成发生越级跳闸事故，因此为了保证报文传输的可靠性，GOOSE报文通信机制通过间隔时间逐渐增大的报文重发机制避免报文的丢失以及减少故障瞬间传输通道中的报文数量。GOOSE报文传输机制在报文传输方面具有其它报文传输机制难以媲美的优势，但是该方案依赖于以太网通讯方式，目前主要应用于地面数字化变电站的报文传输中，使用在井下防越级跳闸保护中时成本较高且有一定的难度。3基于CAN总线的智能联锁防越级跳闸方案目前，先进的井下高压智能保护系统中采用双CAN口通讯，一个CAN口专门用来传输对实时性要求较高的跳闸闭锁指令，一个CAN口用来传输对实时性要求不高的联网监控信息。由于现有微处理芯片拥有高达56个I/O通讯接口，数据处理能力也很强，因此在需要的时候也可以采用SCI串行通信或者快速以太网通信。在设计高爆开关数字智能保护的关联关系时，考虑到有时井下两级变电所的距离较远且井下电磁干扰严重，而CAN总线的报文传输速率随着距离的增长而变慢(传输距离小于40m时，报文传输速率可达1Mbps；而传输距离达到单级CAN总线的传输极限10km时，报文传输速率不到5kbps)，延迟时间也相应增长。因此，为了提高越级跳闸闭锁指令传输的实时性以及抗干扰能力，在每级变电所的进线开关上都设置了保护(该保护也可以根据实际不设置)，只是在电流整定方面把上级变电所的馈出线开关和下级变电所的进线开关电流值整定为一样大。在上级变电所的馈出线开关和下级变电所的进线开关之间都设保护时，虽然设置繁琐，但是可以因减小了上下级开关之间的距离，相对提高报文传输的可靠性。因此，高爆开关之间所设关联关系为：3.3.2基于CAN通讯的防越级跳闸方案的实施采用防越级保护方案中，下级开关的数字测控系统只和其上级开关的数字测控系统相关联，具有上下级供电关系的高爆开关的数字测控系统形成纵向关联关系，同级开关的数字测控系统之间只有供电方面的联系而没有通讯上的联系。如图1所示。图1基于多机通讯的煤矿井下CAN高压供电系统图1QF2QF3QFk1k2k3地面变电所井下中央变电所采区变电所移动变电站k32k31k21在每一级的高压综合保护装置中，速断保护均设个10ms小延时，在此小延时阶段，该级综合装置将故障信息传输到上级所有综合装置中。如图3-1所示，在K3点（采区变电所供电段）发生短路故障后，该级高压综合保护装置将故障信息K32和K31通过CAN口传输到上级综合保护装置中（井下中央变电所及地面变电所）。同理，在K2点（井下中央变电所供电段）发生短路故障后，该级高压综合保护装置将故障信息K21通过CAN口传输到上级综合保护装置中（地面变电所）。上一级的综保装置每接收到下级的一个故障信息就自动延时100ms的短延时作为下级后备保护。以K3处发生短路故障为例，来说明新型防越级跳闸系统设计方案。当K3发生短路故障后，K1，K2，K3三处的综保装置均可在10ms小延时之内判断出故障，在判断出短路故障后，K3处的综保装置向其上级K2、K1处的综保装置发出故障信息。与此同时，K2处综保装置也向其上级K1处的综保装置发出故障信息。通过三级综保装置之间互相通讯，K1处的综保装置接收到2个故障信息（K3和K2处故障信息）后通过程序控制使K1处综保装置延时200m