煤矿供电系统防越级跳闸改造方案设计

煤矿供电系统防越级跳闸改造方案设计
郭旭
【摘要】煤炭是我国重要的一次能源供应物质,对国民工业生产具有重要的影响.随着煤矿电气化水平的提高,井下供电系统的可靠性越来越重要,安全、可靠的电力供应是煤矿高效生产的前提.本文以煤矿的供电系统为研究对象,以提高供电可靠性为目标,针对井下供电系统的越级跳闸故障,提出相应的解决方案.
【期刊名称】《机电工程技术》
【年(卷),期】2019(048)005
【总页数】3页(P234-235,258)
【关键词】煤矿;供电系统;越级跳闸;改造设计
【作者】郭旭
【作者单位】西山晋兴能源公司斜沟煤矿,山西吕梁 033602
【正文语种】中文
【中图分类】TD611
0 引言
煤炭是我国的重要一次能源，约占一次能源消费的70%，预计到2050年，煤炭在我国的一次能源消费中的比重仍将保持在50%左右。

煤矿供电系统的主线路一般选择为35 kV，由于煤矿井下布线较短，基于三段式电流保护的继电保护设备设计非常容易出现越级跳闸的故障，进而扩大停电范围，影响煤矿的正常生产。

针对
继电保护的越级跳闸问题，本文从微机保护硬件设计和高压器件的选型两个方面设计改造方案，优化煤矿供电系统的继电保护方案，利用CAN总线通讯结构，减少继电保护设备信号传输的时间，保证动作的快速性。

对高压侧的电气设备进行选型，保证继电保护动作的可靠性。

减小煤矿供电系统越级跳闸的故障频率。

1 煤矿供电系统简述
1.1 供电系统结构
图1所示为某煤矿的一次侧接线图，该图是整个煤矿供电系统接线图的一部分，
仅包含中央变电所的一次侧接线和6 kV采区变电所的引入线。

由中央变电所向其他采区的供电接线方法与图1类似，不再一一画出。

为了增加供电的可靠性，中
央变电所向采区的供电线路均采用“一用一备”的接线方式。

在煤矿的供电系统中，地面变电站到中央变电站的线路距离约为1000m，中央变电站到各个采区的变电站距离各不相同，在500 m到2 000 m的变化范围内。

图1 供电系统以一次侧接线图（部分）
1.2 越级跳闸的原因分析
（1）电流整定值
在煤矿供电系统的继电保护中，一般使用三段式电流保护。

包括：电流速断保护作为保护的Ⅰ段、限时电流保护Ⅱ段，定时限的电流保护作为保护的Ⅲ段。

在实际的动作过程中，电流保护的Ⅰ段一般可以保护线路全长的60%，但是不能保护线路
的全长，电流保护的Ⅱ段保护范围可以延伸到下段线路的首端。

保护时间的整定中，保护Ⅰ段的动作时间为0 s，保证动作的瞬时性；保护Ⅱ段的动作时间为0.5 s，
比电流Ⅰ段延迟一定的时间。

保护整定值一般根据短路电流的大小来整定，在本线路的末端和下一线路的首端，整定电流的大小将相差很小，特别是当供电系统中的线路长度比较短的时候，电流Ⅰ段和电流Ⅱ段的电流整定值相差很小，当短路电流持续时间大于0.5 s时，这就
非常容易造成继电保护断路器的误动作，出现越级跳闸，或者断路器的拒动，影响供电系统的稳定性[1-2]。

（2）高压电气设备
除了以上继电保护系统的电流整定值可能造成越级跳闸之外，还可能由于电气器件的不正常工作而造成越级跳闸。

在继电保护中，TA（电流互感器）是用来实现电流转化的电气装置，继电保护设备根据TA监测到的线路电流来判断是否需要动作，当电流互感器的变比选型不合适时，在线路故障中，TA会因为短路电流过大，互感器的磁路饱和而拒动，从而引发上一级线路的电流保护Ⅱ段动作，造成越级跳闸。

在一次侧系统中，高压隔爆开关是执行分、合闸操作的直接结构，其安全稳定运行直接决定着供电系统的稳定性[3-4]。

当操作机构的分、合闸出现失误的时候，也会引发上级线路的误动作，造成越级跳闸。

2 微机保护部分设计
为了防止供电系统的保护装置出现越级跳闸的故障，本文在供电系统的微机保护部分设计CAN总线电路，替代之前的RS-485通讯电路，实现通讯的快速性和稳定性。

利用双回路分裂运行解决越级跳闸问题。

2.1 CAN总线结构设计
2.1.1 RS-485通讯分析
为了简化变电所之间的通讯线路，该煤矿变电所内各个微机保护装置之间的通讯方式选择为RS-485通讯，采用两根数据线实现多机之间的通讯，该方法的优点是结构简单，缺点也很明显：（1）抗干扰能力差。

由于通讯电缆距离高压电缆的距离较近，高压电缆中的负荷电流变化时，会产生高次谐波，使得通讯线路处在干扰大的环境中，RS-485通讯方案容易受到周围环境的干扰。

（2）快速性和准确性不能同时保证，提高快速性的办法是提高通讯的波特率，但是，波特率提高的同时，
也会使得线路中的误码率提高。

2.1.2 CAN总线电路设计
CAN总线的硬件电路设计基于ADUMI201芯片和82C251芯片的，实现CAN总线通讯信号和主控芯片可识别信号之间的转换。

82C251芯片是作为CAN总线的驱动芯片，使得CAN总线具有差动的发送、接收能力。

ADUMI201芯片是连接CAN控制器和CAN驱动器的重要器件，正常工作时的数据传输速率高达25 Mbps，具有较低的功耗，最小电流仅为0.8 Ma，由于内部的的数字隔离通道是基于iCoupler技术，使其具有较好的抗干扰能力，适合矿井通讯的使用[5]。

硬件电路原理图如图2所示。

为了增加通讯电路的抗干扰性能，ADUMI201芯片的两个电源和地分别接入不同的供电电源和参考地，隔离干扰信号的传输，同时在两端的接地处接入0.1 uF的电容。

图2 CAN总线硬件电路原理图
2.2 分裂运行
井下供电系统的供电线路选择为双回路分裂运行，在母线处设置分段开关，将负荷分配给两段母线，并控制负荷的投切。

这种方法不能解决煤矿供电系统的越级跳闸问题，但是，通过快速投切负荷，可以实现井下供电系统停电的迅速恢复。

减少煤矿井下瓦斯聚集，保证安全生产[6]。

3 高压器件选型
3.1 选型原则
结合煤矿供电系统的特点，在井下高电压器件的选型中，应该注意器件的可靠性和耐压水平，煤矿供电系统的越级跳闸的器件问题大多是由于器件不灵敏、抗干扰能力差造成，由于煤矿井下存在大量的干扰信号，抗干扰能力差的器件会发生误动，从而不能满足可靠性的要求。

选型过程中，还应考虑高压器件的耐压性能，以增加
器件的使用寿命。

3.2 器件选型
3.2.1 高压隔爆开关选型
高压隔爆开关的执行部分的机械结构一般分为两种：弹簧操作机构和永磁操作机构。

该煤矿的先用高压隔爆开关大多使用弹簧操作机构，由于其结构复杂，在执行分闸操作时，需提前要对弹簧进行储能，具有较多的传动环节。

容易出现故障。

长期使用过程中，由于弹簧的疲劳，增加储能时间，出现分、合闸时间与速度不配合。

在改造方案中，将高压隔爆开关的操作机构类型选择为永磁机构。

产品型号为QJGZ-300/6Y、PJG-400/6Y等。

在正常情况下，电磁线圈中不通电，在执行分、合闸操作的时候，线圈上电，具有磁性，通过改变线圈电流的方向，改变磁性，产生吸引力或者排斥力，保障分、合闸到位。

3.2.2 合闸继电器选型
合闸继电器选型为JQX-13F，产品主要性能参数如下表1所示。

在选型中，直流
侧电压选型为12 V，功率为0.9 W。

在执行合闸操作时，吸合时间小于15 ms，
异极触点之间的初始耐压值为1.5 kVAC/1min。

该继电器在合闸过程中，能够很
好地保护触电，使其不被损毁。

表1 JQX-13F规格参数触点线圈规格负载材料接触阻值直流交流吸合时间释放时
间10A/240VAC28VDC银合金≤100 mΩ 6V/9V/12V/24V/36V/48/110V/220V 6V/9V/12V/24V/36V/48/110V/220V/380V≤15ms≤10ms
3.2.3 跳闸继电器选型
跳闸继电器的选型为DK2A-24VAW3024，该型号的继电器具有较快的反应速度，最高耐压值为1.5 kV，可以有效预防一次侧的浪涌电压导致的误跳闸，具有较高
的保护可靠性。

4 总结
本文以某煤矿的供电系统为研究对象，针对井下供电系统的越级跳闸故障，提出相应的解决方案，结合煤矿供电系统的结构，对越级跳闸的故障原因进行分析分析，从提高微机保护灵敏度和器件可靠性两个方面预防越级跳闸。

利用CAN总线通讯代替现有的RS-485通讯，提高微机保护抗干扰的能力，将供电系统的供电线路选择为双回路分裂运行，降低越级跳闸带来的损失。

通过对对高压侧的高爆开关、分闸继电器、合闸继电器的选型，优化继电保护的执行机构，保证动作可靠性。

参考文献：
【相关文献】
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［2］侯计兵，李银红，石东源.电力系统反时限过流保护优化整定计算研究［C］.//中国高等学校电力系统及其自动化专业第二十五届学术年会论文集.华中科技大学，2009：1-6.
［3］杨顺义，杨宏.小电流接地系统接地检测（选线）的新判据［J］.电力自动化设备，2001（08）：62-64.
［4］朱思河.永磁机构断路器的工作原理［J］.煤炭技术，2006（06）：49-50.
［5］梁沛然，杨艳，达峰.一种基于煤矿智能变电站的防越级跳闸保护方案［J］.煤矿机电，2013（04）：67-71.
［6］黄敏，黄淼，彭晓亮.一起线路复杂故障引发越级跳闸的事故分析［J］.电力系统自动化，2014，38（05）：131-135.。