门克庆煤矿供电防越级跳闸保护系统研究与应用

门克庆煤矿供电防越级跳闸保护系统研究与应用

康健

中天合创能源有限责任公司

门克庆煤矿10kV供电系统有三个层级，用电设备多、分布广、设备运行环境条件差，供电半径短，与其他大型矿井一样存在越级跳闸隐患，对安全生产存在重大威胁。我公司门克庆煤矿在2019年建设完成“煤矿供电防越级跳闸保护系统”，有效解决了越级跳闸问题，有效控制了停电范围，提高了煤矿生产的安全水平和生产效率。

1. 门克庆煤矿继电保护越级跳闸状况分析

门克庆矿自 2013年9月份投运以来，据统计共发生越级跳闸事故 53 次 ，每次停电时间约 2.5 小时，矿井涌水量约为 2000 m³/h，安全生产压力非常大。根据对综采工作面的影响，对采煤量进行折算，共造成经济损失为：每年约750万元。我公司为减小停电范围，调整10kV系统系统运行方式为分列运行，即使发生越级跳闸也不会出现井下全部停电的现象。越级跳闸跨越一个层级，扩大了停电范围，从井下局部停电引发井下主变电所或盘区变电所一半停电。每次停电，在排查停电事故设备、事故原因方面也用掉很多时间，排水、停产的工作压力很大。

为解决越级跳闸问题，公司机电管理处、矿机电管理部门多次举行专题会进行探讨，从保护定值的整定、设备的升级改造、继电保护保护系统的整体更换等多方面进行了论证，对陕煤集团红柳林煤矿、中煤平朔3号井等供电防越级跳闸工作进行调研，从安全可靠性、可行性、经济性等多方面进行研讨，经过分析，一致认为由于煤矿供电半径短，容量大，靠保护定值的修订无法避免越级跳闸现象的发生，经领导批准后，最终形成局部改造、防治重点、逐步覆盖的工作思路，从安全可靠、技术可行、经济实用的角度开展工作，在门克庆矿实施防越级跳闸方案。

二、防越级跳闸的保护原理介绍

门克庆煤矿通过保护装置升级改造在10kV系统安装了防越级跳闸系统，利用工业环网的光纤构建防越级跳闸网络，该系统采用区域保护原理，精确控制了停电范围。防越级跳闸系统基于现代工业控制、通信、计算机技术，依托西安西瑞继保有限公司自有自主知识产权软件予以支撑，提高了供电系统安全自动化技术水平，保证了矿井的安全供电。煤矿供电防越级跳闸保护系统采用的区域保护技术为国内先进技术，利用局部系统中其他相关保护信息进行综合故障判断，能够准确识别故障段，消除长期困扰矿山供电运行管理人员的越级跳闸问题。

该系统与传统意义上的“点保护”相比有以下区别：

1、“点保护”之间靠短路电流和时间级差配合，“区域保护”之间靠通讯配合。区域保护适用于分支较多的配电网，解决保护时间级差无法配合问题。

2、“点保护”只利用自身信息作出故障判断；“区域保护” 利用局部系统中其他相关保护信息进行综合故障判断。区域保护能够准确识别故障段，消除长期困扰矿山供电运行管理人员的越级跳闸问题，性能优越。

3、分布式区域保护采用突变量作为启动判据，动作灵敏,具有明确的选择性；分布式区域保护还对出现较频繁的10kV开关拒动情况进行了考虑。保护跳闸的开关发生拒动时，其上一级保护有选择性的将其开关跳开，不会导致再次越级跳闸。采用的防越级跳闸原理先进，产品可靠，能彻底解决越级跳闸问题。

三、防越级跳闸系统的组成及拓扑图

门克庆煤矿10kV供电系统，为多级电缆线路串联、供电半径短、短路容量大，使继电保护电流定值和时限无法配合，失去选择性。短路故障时将造成越级跳闸，扩大停电范围，延长停电时间，严重威胁煤矿安全生产。煤矿防越级跳闸系统通过性能优异的XRKJ-600型高开综合保护器，采用区域保护原理，通过KJ579-F电力分站可靠联系，构成区域保护系统。在电网发生故障时，区域保护系统能实现可靠的选择性跳闸。

图1-2 区域保护系统

防越级跳闸系统的区域保护有如下显著优点：

1、彻底消除越级跳闸

2、断路器失灵时，上级保护快速跳闸

3、无需专用保护，母线故障可快速跳闸

四、保护装置升级改造后与防越级跳闸系统配合主要性能指标

防越级跳闸系统是保护系统的重要组成部分，为保证防越级跳闸系统的安全运行，有效控制停电范围，门克庆矿对相关的保护装置进行了改造，提高了装置的各项性能指标，为防越级跳闸的实现奠定了可靠基础，门克庆煤矿保护装置各项指标如下：

1. 整组动作时间

过电流保护：≤30ms(1.2倍整定值)

2. 区域保护

GOOSE信号延时：≤6ms

硬接线信号延时： ≤15ms

3. 启动元件

独立的相电流突变量启动元件，启动门槛0.2In。

4. 过电流保护

电流整定范围：0.1In～10In，误差不超过±3%

低电压整定范围：10V～90V，误差不超过±3%

时间整定范围：0～20s

固有延时：1.2倍整定值时，不超过30ms

5. 反时限保护

电流整定范围：0.1In～4In，误差不超过±3%

反时限常数范围：1～10

固有延时：1.2倍整定值时，不超过30ms

6. 过电压保护

电压整定范围：80V～150V，误差不超过±3%

时间整定范围：0.2～20s

固有延时：1.2倍整定值时，不大于30ms

7. 低电压保护

电压整定范围：15V～100V，误差不超过±3%

时间整定范围：0.2～20s

固有延时：0.8倍整定值时，不大于30ms

8. 风（瓦斯）电保护

时间整定范围：0~20s

固有延时：不超过30ms

改造后的保护装置各项指标在优于同类产品，满足了防越级跳闸系统的基本需要，使得该系统安全稳定运行得到保证。

四、防越级跳闸系统实施情况

在防越级跳闸实施的过程中，我公司进行了大量的基础工作，在2017年10月份机电管理处与煤矿机电管理人员对周边矿井及中煤系统内部进行了调研，对业内专家进行咨询，形成了初步的认识，对系统的原理、使用过程中出现的问题等进行了详实的学习和分析。在2018年11月份确定了实施方案，并结合现场实际情况进行了调整。整个系统在2019年4月份安装完成，5月份进行了三次模拟实验，对系统建设中不足进行了补充修订。在领导的大力支持下，经过各位专家的齐心努力，门克庆矿的防越级跳闸系统圆满完成，达到了预期的效果。

门克庆煤矿防越级跳闸系统投入运行后，杜绝了故障越级跳闸现象，已成功实现了防越级跳闸2次，有效控制了停电范围，保证了矿井的安全供电，经与往年对比直接经济损失减少75万元，间接损失减少600万元。防越级跳闸系统给公司带来的安全、经济效益显著。门克庆煤矿防越级跳闸系统的稳定运行为葫芦素、其他煤矿开展防越级提供了宝贵经验。