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1、井下高壓電網(wǎng)防越級(jí)跳閘保護(hù)原理,目前，我國(guó)井下6kV高壓供電網(wǎng)絡(luò)大部分采用一條進(jìn)線(xiàn)開(kāi)關(guān)帶多條出線(xiàn)開(kāi)關(guān)的供電模式，上下級(jí)開(kāi)關(guān)之間通過(guò)短電纜連接。這種供電模式組成的供電系統(tǒng)供電距離短、短路電流大，且每級(jí)供電網(wǎng)絡(luò)首段發(fā)生短路故障時(shí)的短路電流和末端發(fā)生短路故障時(shí)的短路電流相差不大，這就為基于傳統(tǒng)兩段過(guò)流式繼電保護(hù)的電流整定帶來(lái)了很大的困難。另外，煤礦井下供電條件惡劣，環(huán)境潮濕，電磁干擾很多，這些都直接或間接的增加了防越級(jí)跳閘保護(hù)的難度。通過(guò)單一的保護(hù)方案或者把地面防越級(jí)跳閘方式直接移植到井下供電系統(tǒng)并不能從根本上解決井下越級(jí)跳閘現(xiàn)象。,1 井下高壓電網(wǎng)發(fā)生越級(jí)跳閘的原因煤礦井下高壓供電網(wǎng)絡(luò)發(fā)生越級(jí)跳閘

2、的原因主要有以下幾點(diǎn)：(1) 高爆開(kāi)關(guān)機(jī)構(gòu)配置不合理。隨著煤礦開(kāi)采年限以及用電負(fù)荷的不斷增加，井下高壓供電網(wǎng)絡(luò)所用高爆開(kāi)關(guān)的數(shù)量在不斷增加，高爆開(kāi)關(guān)的型號(hào)也在不斷更新，這就增加了井下高爆開(kāi)關(guān)在選型上和地面變電所供電設(shè)備之間配合的難度。由于煤礦井下環(huán)境潮濕容易造成高爆開(kāi)關(guān)的動(dòng)作機(jī)構(gòu)卡澀、不靈活，從而增加了開(kāi)關(guān)的固有動(dòng)作時(shí)間。而對(duì)于短路故障又多采用電流速斷保護(hù)，這使得井下發(fā)生短路故障時(shí)，井上變電所的動(dòng)作時(shí)間小于井下高爆開(kāi)關(guān)的動(dòng)作時(shí)間。當(dāng)井下短路電流達(dá)到井上變電所的短路電流整定值時(shí)發(fā)生井上變電所先于井下高壓開(kāi)關(guān)跳閘，造成大面積的停電事故。,(2) 井下供電線(xiàn)路距離短、短路電流大。當(dāng)供電線(xiàn)路較長(zhǎng)時(shí)，電

3、纜首端的短路電流值和電纜末端的短路電流值就會(huì)相差較大，發(fā)生短路時(shí)電流的變化趨勢(shì)也會(huì)比較陡，這樣繼電保護(hù)的范圍就會(huì)相對(duì)比較大。但是由于我國(guó)煤礦井下高壓供電網(wǎng)絡(luò)多采用縱向逐級(jí)控制干線(xiàn)式供電網(wǎng)絡(luò)，每段電纜長(zhǎng)度較短（一般在60到1500米之間），這就造成了各段線(xiàn)路首端短路電流和末端短路電流相差不大，甚至出現(xiàn)電纜首端最小兩相短路電流的幅值小于電纜末端的最大三相短路電流的幅值，這種情況下速斷保護(hù)的保護(hù)范圍很小甚至為零，靠鑒別電流幅值的電流速斷保護(hù)難以滿(mǎn)足其縱向選擇性的要求，使得電流速斷保護(hù)形同虛設(shè)。有的供電線(xiàn)路雖然較長(zhǎng)但是由于末端負(fù)荷大、電纜截面大 ，當(dāng)發(fā)生短路時(shí)上下級(jí)的電流值相差不大，很難實(shí)現(xiàn)上下級(jí)高爆

4、開(kāi)關(guān)的速斷配合，由于下級(jí)的短路電流很大甚至可能滿(mǎn)足上級(jí)高爆開(kāi)關(guān)的短路保護(hù)整定值，造成上下級(jí)之間在整定值上雖有級(jí)差卻很難起到級(jí)差作用，從而發(fā)生下級(jí)短路時(shí)上下級(jí)開(kāi)關(guān)搶跳甚至出現(xiàn)越級(jí)跳閘的現(xiàn)象。,(3) 高爆開(kāi)關(guān)數(shù)字測(cè)控系統(tǒng)工作電源不獨(dú)立。高爆開(kāi)關(guān)的工作電源一般采用供電系統(tǒng)中的電壓或電流回路的電磁元件直接供給，且都裝有零延時(shí)的欠電壓釋放保護(hù)。高爆開(kāi)關(guān)數(shù)字測(cè)控系統(tǒng)的電源通常來(lái)自于高爆開(kāi)關(guān)內(nèi)部三相五柱式電壓互感器的二次側(cè)100V電壓，測(cè)控系統(tǒng)通過(guò)小型變壓器，以及模塊化的直流電源將互感器二次側(cè)的100V電壓變換為CPU以及繼電器、運(yùn)算放大器所需要的電壓等級(jí)的電壓。而高爆開(kāi)關(guān)內(nèi)部的三相五柱式電壓互感器的一次

5、側(cè)電壓為所保護(hù)線(xiàn)路電壓，因此，相當(dāng)于數(shù)字測(cè)控系統(tǒng)的電源電壓直接來(lái)自于供電網(wǎng)絡(luò)中的電源電壓。這就導(dǎo)致測(cè)控系統(tǒng)對(duì)電網(wǎng)電壓高度依賴(lài)，當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生欠壓事故或者過(guò)壓事故時(shí)都會(huì)影響高壓供電系統(tǒng)的正常工作。,(4) 電流保護(hù)時(shí)間級(jí)差無(wú)法配合。由于井下供電網(wǎng)絡(luò)供電線(xiàn)路級(jí)數(shù)很多，地面變電所到移動(dòng)變電站之間的供電級(jí)數(shù)一般都會(huì)超過(guò)三級(jí)。按照35kV變電所供電管理部門(mén)的要求，地面6kV變電所過(guò)電流保護(hù)時(shí)限不能超過(guò)一定的時(shí)限要求，按照傳統(tǒng)過(guò)流保護(hù)0.5s的時(shí)間級(jí)差整定，根本無(wú)法實(shí)現(xiàn)井下供電線(xiàn)路級(jí)數(shù)多的過(guò)電流保護(hù)時(shí)限配合。(5) 大功率設(shè)備同時(shí)啟動(dòng)。隨著井下綜采面自動(dòng)化程度的不斷提高，大功率機(jī)械設(shè)備被越來(lái)越多的直接投入到生

6、產(chǎn)一線(xiàn)，特別是位于供電線(xiàn)路末端的3.3kV大功率采煤機(jī)及其配套大功率設(shè)備的投入，使得在設(shè)備的啟動(dòng)瞬間電流很大、電壓下降較多。當(dāng)電壓過(guò)低達(dá)到欠電壓保護(hù)整定值時(shí)可能導(dǎo)致欠壓保護(hù)裝置跳閘。,(6) 保護(hù)裝置器件自身質(zhì)量問(wèn)題。目前，我國(guó)礦用繼電保護(hù)裝置所用元器件沒(méi)有形成一個(gè)統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，許多廠(chǎng)家生產(chǎn)的高爆開(kāi)關(guān)測(cè)控裝置所選用的電流互感器、電壓互感器普遍存在保護(hù)級(jí)準(zhǔn)確度低、磁化曲線(xiàn)相差較大、易飽和等問(wèn)題。另外井下各種電磁干擾嚴(yán)重，基于傳統(tǒng)電磁式保護(hù)原理的高爆開(kāi)關(guān)保護(hù)裝置的檢測(cè)值與實(shí)際值存在較大誤差，造成保護(hù)裝置誤動(dòng)或者拒動(dòng)甚至上級(jí)開(kāi)關(guān)先于下級(jí)開(kāi)關(guān)跳閘等現(xiàn)象的發(fā)生。(7) 其它方面的原因。由于我國(guó)煤礦井下傳統(tǒng)

7、過(guò)流保護(hù)高爆開(kāi)關(guān)保護(hù)裝置沿用地面10kV或6kV高壓保護(hù)器設(shè)置，造成保護(hù)只有兩段式保護(hù)，且電流速斷保護(hù)和定時(shí)限過(guò)流保護(hù)定值只能選擇與開(kāi)關(guān)額定電流的倍數(shù)關(guān)系，造成保護(hù)的定值無(wú)法確定。同時(shí)由于繼電保護(hù)設(shè)備存在各種缺陷也會(huì)造成保護(hù)誤動(dòng)作，出現(xiàn)越級(jí)跳閘的現(xiàn)象。這方面的原因也比較多，比較難以克服。,2 目前常用防越級(jí)跳閘方案使用現(xiàn)狀 由于井下各級(jí)變電站內(nèi)部供電距離較短，每級(jí)線(xiàn)路首、末兩端短路電流相差很小，使得基于傳統(tǒng)鑒幅法的電流速度保護(hù)范圍很小甚至為零。當(dāng)發(fā)生三相短路故障時(shí)可能上下級(jí)保護(hù)裝置檢測(cè)到的電流值同時(shí)達(dá)到整定電流值，無(wú)法滿(mǎn)足繼電保護(hù)的選擇性要求，造成越級(jí)跳閘現(xiàn)象頻發(fā)。定時(shí)限過(guò)電流保護(hù)也因井下級(jí)數(shù)

8、較多而無(wú)法滿(mǎn)足上級(jí)供電部門(mén)對(duì)短路跳閘時(shí)限的要求。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、現(xiàn)代電力電子技術(shù)以及網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的發(fā)展，人們開(kāi)始把目光從傳統(tǒng)繼電保護(hù)領(lǐng)域轉(zhuǎn)向通信技術(shù)結(jié)合微機(jī)保護(hù)領(lǐng)域，并提出了很多基于網(wǎng)絡(luò)通信的防越級(jí)跳閘保護(hù)新方案。,2.1 基于電氣閉鎖原理的防越級(jí)跳閘保護(hù)方案電氣閉鎖防越級(jí)跳閘保護(hù)方案的原理是：通過(guò)通訊電纜將具有上下級(jí)供電關(guān)系的高爆開(kāi)關(guān)串聯(lián)起來(lái)，當(dāng)下級(jí)開(kāi)關(guān)檢測(cè)到電流為故障電流而跳閘時(shí)發(fā)送跳閘閉鎖信號(hào)給其上級(jí)開(kāi)關(guān)，上級(jí)開(kāi)關(guān)收到閉鎖信號(hào)后即使檢測(cè)到電流達(dá)到故障電流也不跳閘。電氣閉鎖方案由于具有理論簡(jiǎn)單、目的明確等優(yōu)點(diǎn)而在早期防越級(jí)跳閘保護(hù)中得到了廣泛的應(yīng)用。但是，由于井下電磁環(huán)境復(fù)雜、各種干擾因素

9、較多，而傳輸電氣閉鎖信號(hào)的通訊電纜抗干擾能力很差，當(dāng)通訊信號(hào)經(jīng)過(guò)通訊電纜進(jìn)行長(zhǎng)距離傳輸時(shí)，通訊信號(hào)的可靠性無(wú)法得到保證。,2.2 基于分站集中控制方式的防越級(jí)跳閘保護(hù)方案基于監(jiān)控分站方式的防越級(jí)跳閘保護(hù)方案的原理是：通過(guò)雙絞線(xiàn)或者同軸電纜將井下供電網(wǎng)絡(luò)中的高爆開(kāi)關(guān)保護(hù)裝置連接到通訊分站，通訊分站通過(guò)以太網(wǎng)連接至交換機(jī)，然后經(jīng)由交換機(jī)連接至監(jiān)控分站?；诜终炯锌刂圃淼姆涝郊?jí)跳閘保護(hù)方案把傳統(tǒng)的電流速斷保護(hù)與定時(shí)限過(guò)電流保護(hù)相結(jié)合，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)電流速斷保護(hù)中，當(dāng)上下級(jí)開(kāi)關(guān)同時(shí)檢測(cè)到電流為故障電流時(shí)容易發(fā)生越級(jí)跳閘的不足，而且可以通過(guò)只整定一個(gè)時(shí)間級(jí)差來(lái)解決井下供電級(jí)數(shù)過(guò)多的問(wèn)題，因而具有一定的可

10、取性。,2.3 基于縱聯(lián)差動(dòng)保護(hù)原理的防越級(jí)跳閘保護(hù)方案光纖縱聯(lián)差動(dòng)保護(hù)最早應(yīng)用于地面供電系統(tǒng)的短路保護(hù)中，其基本原理是：以基爾霍夫電流定律為基礎(chǔ)，在每級(jí)保護(hù)的首末兩端都安裝有電流檢測(cè)裝置，通過(guò)光纖通道將本側(cè)的電流信息傳輸?shù)綄?duì)側(cè)，每側(cè)保護(hù)根據(jù)對(duì)兩側(cè)的電流信息進(jìn)行比較以區(qū)別故障為區(qū)內(nèi)故障還是區(qū)外故障。 光纖縱差保護(hù)原理簡(jiǎn)單、保護(hù)精度較高，但是該方案信息采集量大并且要求兩側(cè)電流信息的采集必須嚴(yán)格的同步，比較適合于地面一條進(jìn)線(xiàn)帶一條出線(xiàn)的供電模式。對(duì)于井下一條進(jìn)線(xiàn)經(jīng)常帶多條出線(xiàn)的供電模式，保持采樣的同步非常困難，另外進(jìn)線(xiàn)開(kāi)關(guān)的電流矢量值和多條出線(xiàn)開(kāi)關(guān)的電流矢量值之間的比較也會(huì)導(dǎo)致采樣的不同步。因此，

11、僅僅依靠光纖縱差保護(hù)而沒(méi)有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理功能以及嚴(yán)格的同步采樣保持裝置，想實(shí)現(xiàn)井下高壓的防越級(jí)跳閘功能也有不小的困難。,2.4 基于數(shù)字變電站技術(shù)的防越級(jí)跳閘保護(hù)方案該方案要求所有的高爆開(kāi)關(guān)保護(hù)裝置具備光纖轉(zhuǎn)換接口，通過(guò)光纖將井下所有高爆開(kāi)關(guān)的智能保護(hù)器連接到數(shù)字變電站的保護(hù)主機(jī)上，然后由保護(hù)主機(jī)通過(guò)工業(yè)以太網(wǎng)連接到調(diào)度以及監(jiān)控主機(jī)上面。 基于數(shù)字化變電站技術(shù)的煤礦井下防越級(jí)跳閘方案具有快速、可靠的信息傳輸能力，以及完善的故障檢測(cè)功能，不但可以很好的解決井下經(jīng)常發(fā)生越級(jí)跳閘的問(wèn)題，而且對(duì)解決井下電網(wǎng)的其它故障都不失為一種好辦法。數(shù)字化變電站技術(shù)是基于數(shù)字化、智能化傳感器以及高速光纖通訊技術(shù)而提

12、出的新型保護(hù)模式，這種模式已經(jīng)在地面輸供電技術(shù)中得到了一定的應(yīng)用。但是由于我國(guó)很多礦井不具備光纖通訊能力，許多正在使用的老高爆開(kāi)關(guān)保護(hù)裝置甚至不具備RS485等通訊接口。因此該方案在目前的生產(chǎn)礦井中進(jìn)行推廣難度較大。,2.5 基于GOOSE通信機(jī)制的防越級(jí)跳閘保護(hù)方案 GOOSE (generic object oriented substation event)是通用面向?qū)ο蟮淖冸娬臼录暮?jiǎn)稱(chēng)，是由IEC61850標(biāo)準(zhǔn)定義的一種快速報(bào)文傳輸機(jī)制。GOOSE通信機(jī)制以高速光纖通訊網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)，可以為整個(gè)防越級(jí)跳閘系統(tǒng)提供快速、可靠的通訊報(bào)文傳輸，廣泛應(yīng)用于實(shí)時(shí)跳閘指令、間隔邏輯閉鎖指令的傳輸以及

13、檢同期等功能的實(shí)現(xiàn)。 煤礦井下電磁干擾嚴(yán)重，而跳閘指令的傳輸對(duì)可靠性要求很高，一旦報(bào)文丟失就極易造成發(fā)生越級(jí)跳閘事故，因此為了保證報(bào)文傳輸?shù)目煽啃?，GOOSE報(bào)文通信機(jī)制通過(guò)間隔時(shí)間逐漸增大的報(bào)文重發(fā)機(jī)制避免報(bào)文的丟失以及減少故障瞬間傳輸通道中的報(bào)文數(shù)量。 GOOSE報(bào)文傳輸機(jī)制在報(bào)文傳輸方面具有其它報(bào)文傳輸機(jī)制難以媲美的優(yōu)勢(shì)，但是該方案依賴(lài)于以太網(wǎng)通訊方式，目前主要應(yīng)用于地面數(shù)字化變電站的報(bào)文傳輸中，使用在井下防越級(jí)跳閘保護(hù)中時(shí)成本較高且有一定的難度。,3 基于CAN總線(xiàn)的智能聯(lián)鎖防越級(jí)跳閘方案 目前，先進(jìn)的井下高壓智能保護(hù)系統(tǒng)中采用雙CAN口通訊，一個(gè)CAN口專(zhuān)門(mén)用來(lái)傳輸對(duì)實(shí)時(shí)性要求較高的

14、跳閘閉鎖指令，一個(gè)CAN口用來(lái)傳輸對(duì)實(shí)時(shí)性要求不高的聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控信息。由于現(xiàn)有微處理芯片擁有高達(dá)56個(gè)I/O通訊接口，數(shù)據(jù)處理能力也很強(qiáng)，因此在需要的時(shí)候也可以采用SCI串行通信或者快速以太網(wǎng)通信。,在設(shè)計(jì)高爆開(kāi)關(guān)數(shù)字智能保護(hù)的關(guān)聯(lián)關(guān)系時(shí)，考慮到有時(shí)井下兩級(jí)變電所的距離較遠(yuǎn)且井下電磁干擾嚴(yán)重，而CAN總線(xiàn)的報(bào)文傳輸速率隨著距離的增長(zhǎng)而變慢(傳輸距離小于40m時(shí)，報(bào)文傳輸速率可達(dá)1Mbps；而傳輸距離達(dá)到單級(jí)CAN總線(xiàn)的傳輸極限10km時(shí)，報(bào)文傳輸速率不到5kbps)，延遲時(shí)間也相應(yīng)增長(zhǎng)。因此，為了提高越級(jí)跳閘閉鎖指令傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性以及抗干擾能力，在每級(jí)變電所的進(jìn)線(xiàn)開(kāi)關(guān)上都設(shè)置了保護(hù)(該保護(hù)也可以根據(jù)

15、實(shí)際不設(shè)置)，只是在電流整定方面把上級(jí)變電所的饋出線(xiàn)開(kāi)關(guān)和下級(jí)變電所的進(jìn)線(xiàn)開(kāi)關(guān)電流值整定為一樣大。在上級(jí)變電所的饋出線(xiàn)開(kāi)關(guān)和下級(jí)變電所的進(jìn)線(xiàn)開(kāi)關(guān)之間都設(shè)保護(hù)時(shí)，雖然設(shè)置繁瑣，但是可以因減小了上下級(jí)開(kāi)關(guān)之間的距離，相對(duì)提高報(bào)文傳輸?shù)目煽啃?。因此，高爆開(kāi)關(guān)之間所設(shè)關(guān)聯(lián)關(guān)系為：,3.3.2 基于CAN通訊的防越級(jí)跳閘方案的實(shí)施 采用防越級(jí)保護(hù)方案中，下級(jí)開(kāi)關(guān)的數(shù)字測(cè)控系統(tǒng)只和其上級(jí)開(kāi)關(guān)的數(shù)字測(cè)控系統(tǒng)相關(guān)聯(lián)，具有上下級(jí)供電關(guān)系的高爆開(kāi)關(guān)的數(shù)字測(cè)控系統(tǒng)形成縱向關(guān)聯(lián)關(guān)系，同級(jí)開(kāi)關(guān)的數(shù)字測(cè)控系統(tǒng)之間只有供電方面的聯(lián)系而沒(méi)有通訊上的聯(lián)系。如圖1所示。,圖1 基于多機(jī)通訊的煤礦井下CAN高壓供電系統(tǒng)圖,在每一級(jí)

16、的高壓綜合保護(hù)裝置中，速斷保護(hù)均設(shè)個(gè)10ms小延時(shí)，在此小延時(shí)階段，該級(jí)綜合裝置將故障信息傳輸?shù)缴霞?jí)所有綜合裝置中。如圖3-1所示，在K3點(diǎn)（采區(qū)變電所供電段）發(fā)生短路故障后，該級(jí)高壓綜合保護(hù)裝置將故障信息K32和K31通過(guò)CAN口傳輸?shù)缴霞?jí)綜合保護(hù)裝置中（井下中央變電所及地面變電所）。,同理，在K2點(diǎn)（井下中央變電所供電段）發(fā)生短路故障后，該級(jí)高壓綜合保護(hù)裝置將故障信息K21通過(guò)CAN口傳輸?shù)缴霞?jí)綜合保護(hù)裝置中（地面變電所）。上一級(jí)的綜保裝置每接收到下級(jí)的一個(gè)故障信息就自動(dòng)延時(shí)100ms的短延時(shí)作為下級(jí)后備保護(hù)。,以K3處發(fā)生短路故障為例，來(lái)說(shuō)明新型防越級(jí)跳閘系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。當(dāng)K3發(fā)生短路故障后，K1，K2，K3三處的綜保裝置均可在10ms小延時(shí)之內(nèi)判斷出故障，在判斷出短路故障后，K3處的綜保裝置向其上級(jí)K2、K1處的綜保裝置發(fā)出故障信息。與此同時(shí)，K2處綜保裝置也向其上級(jí)K1處的綜保裝置發(fā)出故障信息。通過(guò)三級(jí)綜保裝置之間互相通訊，K1處的綜保裝置接收到2個(gè)故障信息（K3和K2處故障信息）后通過(guò)程序控制使K1處綜保裝置延時(shí)200ms（即接收到一個(gè)故障信息增加100ms）再跳閘。,K2處