硕士论文-王家岭公司防越级跳闸设计与实施.doc

太原理工大学工程硕士研究生学位论文关于山西王家岭煤业有限公司采区变电所防越级跳闸系统设计及实施摘要电力是煤矿生产的主要能源，电力系统的可靠性和运行状态直接影响着煤矿的安全生产。煤矿井下巷道狭窄，空气潮湿，在这样的环境下使用的电器设备、供电电缆及电缆接头容易发生漏电和短路事故；采掘工作面面地质条件复杂，负载变化大，易造成电器设备过流发热，使线路绝缘破坏，造成短路烧毁线路和电机；采掘设备在移动过程中，供电线路在反复的拖拽中易发生绝缘破坏、短路等事故。造成井下供电线路短路事故的原因复杂多样，井下供电线路短路事故难以避免。同时，煤矿井下电缆容量选择往往偏大；井下供电距离短，同一变电所总开关和分开关间电缆一般只有几米，上级变电所与下级变电所之间的距离也只有数百米到几千米，采用铜电缆，电缆的电阻很小，按电流整定无法满足保护的选择性。一旦线路某处短路，短路电流可达数千安到上万安，短路值均达到各级开关电流速断保护跳闸条件，各级开关都启动电流速断跳闸程序，当上级开关跳闸灵敏度高时上级开关跳闸，造成越级跳闸。有时甚至造成地面变电站开关跳闸，甚至全矿井停电。越级跳闸造成井下大面积停电，不仅严重影响生产，而且很容易导致其他事故发生，威胁矿井的安全。煤矿安全、高效生产的需求，对矿井供电的运行可靠性提出了更高的要求，而目前矿井供电可靠性技术的发展普遍滞后于煤炭产能的需求。由于矿井特殊的生产作业环境和发展历程，受矿井供电负荷增长、供电距离延伸和井下电网结构的特殊性等因素的影响，作为大负荷用电的煤矿电网，仍然沿用一些传统的供电设备和防护技术已不能满足矿井电网特殊的技术需求，当系统发生故障时，保护装置因不能实现选择性配合而出现了“越级跳闸”，造成供电系统正常运行时本不该发生的大范围停电，引发矿井重要负荷的停电、停风事故，严重威胁煤矿安全生产，成为煤矿电网保护选择性配合的技术难题。针对煤矿井下配电网络中普遍存在的电流保护无法满足选择性及速动性要求，导致的越级跳闸的问题，文中提出了一种通过光纤传输信号实现上下级电流保护间的信息交换，从而解决上下级保护配合问题的方法。该方法能够解决电流保护的选择性问题，同时还不失其速动性，从原理上解决系统越级跳闸问题，在实践中得到了有效的应用。采用该原理的电流保护同时可作为母线故障的主保护，解决中低压供电系统母线故障保护配置存在死区的问题。关键词：煤矿配电网络，防越级跳闸，电流保护，实践应用ABOUT SHANXI WANGJIALING COAL CO.LTD.MINING AREA SUBSTATION DESIGNAND IMPLENTATION OF ANTI TRIPPING SYSTEMABSTRACT Power is the only way of production of coal mine, and the security and operation state of power system will directly influence the production and security of coal mine. Because the coal mine roadway is narrow, and air there is humid, the electrical equipment, power supply cable and cable connectors used in the environment are prone to leakage and short circuit accident; Single face has complex geological situation, the load change easily, so it is easy to happen that electrical equipments temperature is over high, which would cause the line insulation damage, and short circuit burned circuit and motor. Mobile work of the mining equipment, in repeated towing the power supply circuit would suffer insulation damage, such as short circuit accident. The cause of underground power supply short circuit accident is complicated and underground power supply short circuit is difficult to avoid.At the same time, the coal mine s cable capacity selected are often big; and underground power distance is short, the cable between the same substation main switch and separate clearance is generally only a few meters, the distance between the superior substation and the lower substation is also only hundreds of meters to thousands of meters, with copper cable, and cable offers very little resistance, so the current setting cannot satisfy the selectivity of protection. Once somewhere in the line becomes short circuit, short circuit current can be thousands to tens of thousands of Ann, And short-circuit points at all levels above the switch can all meet the conditions of current instantaneous fault protection tripping, switches at all levels can start current instantaneous trip program, when the superior switch trip sensitivity is superior, a great trip will happen, which will sometimes even causes the ground substation switch trip, and even the whole mine power outage. Underground great trip causes blackouts, and it will not only seriously affect production, and it is easy to cause accident, threatening the safety of the mine. Coal mine safety and efficient production, put forward higher request of the reliable operation of the mine power supply, but at present, the development of the mine power supply reliability technology generally lags behind demand of the coal production capacity. Due to the special production operation environment of the mine and the development course, influenced by the mine power supply load increase, extended range of power supply and the particularity of the underground power grid structure, ,the big load of coal electricity power grid still continues to use some traditional power supply equipment and protection technology, which cannot meet the demand of special mine grid technology, and when system failure occurs, the protection device cannot achieve selective cooperation and causes override trip. Then it will cause widespread power outages which should not have happened on the normal operation of the power supply system. Eventually, it will lead to important load of a power outage , accidents of wind-stop, which seriously threatens coal mine safety production, and becomes the technical problems of coal mine power grid selectivity protection.In coal mine underground distribution network in the prevalence of current protection cannot meet the requirements of selectivity and quick action, which causes the trip problem. This paper puts forward a through optical fiber transmission signal to realize the exchange of information between higher and lower current protection, and then the method to solve the problem of protection between higher and lower. The method can solve the problem of current protection selectivity, but also does not break its quick-acting, solve the problem of systems go trip, which has been effectively used in practice. Using the principle of current protection can be used as a main circuit fault protection at the same time, solve the protection configuration of low voltage power supply systems problem of stopping working.KEY WORDS：distribution network, anti tripping, current protection, application49目录第一章 绪论11.1 选题的意义11.2 国内外研究现状及发展意义21.3 本文的主要工作及任务安排4第二章 系统设计内容与技术途径62.1设计研究目标62.2井下防“越级跳闸”系统设计内容62.3技术途径62.4系统设计原则72.5防“越级跳闸”系统设计92.5.1传统保护配合方法92.5.2新型的网络保护配合方法102.5.3智能零时限电流保护112.5.4改进型零序导纳轨迹法原理的漏电保护技术142.5.5系统方案设计182.5.6矿用综合保护装置设计232.5.7通信服务器设计27第三章 防“越级跳闸”系统地面模拟实验29第四章 王家岭煤业防“越级跳闸”系统实施314.1 实施的意义314.2 实施的目标314.3 防“越级跳闸”与电力监控系统技术综述324.4 防“越级跳闸”系统与电力监控系统334.4.1井下防“越级跳闸”系统334.4.2 MPR304S数字式矿用综合保护装置保护技术性能334.4.3 测控技术性能354.4.4通信技术性能354.4.5 KHL127矿用隔爆型电流保护控制器364.4.6井下电力监控系统364.4.7 DPS301M主站监控系统374.5防越级跳闸系统与电力监控系统设备选型指南384.6系统实施概述394.6.1项目概述394.6.2实施方案描述394.6.3系统配置表39第五章 井下系统试验方案及试验报告415.1 井下防“越级跳闸”系统试验方案415.2井下防“越级跳闸”系统试验分析报告445.2.1模拟采区变电所高压开关正常运行时试验情况：445.2.2模拟采区变电所AH7高压开关拒动时的试验情况：445.2.3试验结果：45第六章 设计成果466.1主要设计成果466.2主要创新点46第七章 总结与展望47参考文献48致谢49第一章 绪论本章对论文涉及的研究领域进行了较为详细的综述。简要介绍了防越跳系统的研究背景和意义，给出了设计防越跳系统的基本方法及步骤。在对防越跳系统的起源、发展和研究现状进行简要综述的基础上，介绍了该领域当前的研究热点及论文的主要研究内容。1.1 选题的意义随着我国国民经济的整体迅速增长，促进对煤炭产量需求的快速扩张，从2002年开始，我国煤炭产量以每年平均2亿吨左右的速度递增，截至2009年全国煤炭产量已达到30亿吨左右，占我国一次能源生产和消费结构中的70.3；2014年全国煤炭产量达38.7亿吨，接近全世界煤炭产量的50%，在这种形势背景下，煤炭工业坚持依靠科技进步，走安全、可靠、高效、节能、科学的可持续发展道路是必须的。煤矿供电作为王家岭煤业有限公司开采活动的主要动力源，在煤炭生产过程中占有至关重要地位，公司供电的安全、可靠运行是矿井生产的重要保障。随着煤炭工业的快速发展，矿井供电的规模越来越大，各种新创新、新改进、新设备的不断投入，使矿井电网的应用环境更为复杂。主要表现为以下几个方面：1、煤矿安全、高效生产的需求，对矿井供电的运行可靠性提出了更高的要求，而目前矿井供电可靠性技术的发展普遍滞后于煤炭产能的需求。由于矿井特殊的生产作业环境和发展历程，受矿井供电负荷增长、供电距离延伸和井下电网结构的特殊性等因素的影响，作为大负荷用电的煤矿电网，仍然沿用一些传统的供电设备和防护技术已不能满足矿井电网特殊的技术需求，例如：随着系统容量的不断增大，为了保证供电系统的稳定运行，电力系统将各级电网的保护动作时限降低至维持系统稳定运行的安全范围，以致一些终端用户已不可能通过时限配合的方法实现保护的选择性动作；随着矿井电网容量的增大、井下开采的延伸，系统的短路电流增大、供电距离延长、供电级数增多，造成继电保护的定值和时限配合困难，无法满足选择性动作要求。在这种状况下，当系统发生故障时，保护装置因不能实现选择性配合而出现了“越级跳闸”，造成供电系统正常运行时本不该发生的大范围停电，引发矿井重要负荷的停电、停风事故，严重威胁煤矿安全生产，成为煤矿电网保护选择性配合的技术难题。2、中性点不接地系统的接地（漏电）保护的可靠性问题一直是困扰煤矿供电安全的另一项技术性难题。在地面高压供电系统中，这类保护装置因不要求动作、跳闸，且可以选用集中的接地选线技术，在实际使用中应用效果也较好，在煤矿井下供电网络中出现接地（漏电）故障时，要求快速切断故障线路，且一般情况下要求在单装置中实现准确的漏电保护功能，对其可靠性要求较高1。而目前井下电网大多沿用传统的功率方向型漏电保护技术，该技术已不能适应因供电系统容量增大而日益增多的消弧线圈接地系统，以致造成井下漏电保护“拒动、误动”现象的频繁出现。当系统出现漏电故障时，造成供电系统大面积停电，影响供电系统的整体可靠性。解决这些技术难题需要技术进步。1.2 国内外研究现状及发展意义所谓防“越级跳闸”技术，即研究应用有别于传统继电保护选择性配合方法的新型继电保护配合理论，解决目前配电网保护选择性配合问题的技术方法。本次所设计的防“越级跳闸”技术涉及继电保护技术和接地（漏电）保护技术。电力系统的安全可靠运行与所配置的继电保护系统有密切的关系。对电力系统事故的主要对策是“防患于未然”，即预防事故或减少事故，但电力系统发生短路是不可避免的，一旦发生短路事故，采取保护措施、防止事故扩大就成为其首要任务。继电保护就是监视电力系统的运行状态、防止事故扩大的装置，其主要任务有二：当电力线路或设备发生故障时，继电保护装置能自动地、迅速地动作于断路器，有选择地将故障线路或设备切除，使系统迅速恢复正常供电；当电力线路或设备发生不正常运行状态时，继电保护装置及时发出信号，以便运行人员及时处理。继电保护技术伴随电力系统的发展而发展。20世纪初，继电器开始应用于电力系统的保护，被认为是继电保护技术发展的开端。随后，继电保护技术经历了从电磁式保护、晶体管保护、集成电路保护到微机保护的发展历程。20世纪60年代，就有了计算机实现继电保护的设想，但限于小型计算机价格昂贵，难于实际应用，但由此开始了对继电保护计算机算法方面的大量研究，为后来微机保护的发展奠定了理论基础。20世纪80年代，随着微处理技术的快速发展，微机保护在硬件和软件技术方面的发展趋于成熟，进入90年代，微机保护在我国电力系统广泛应用，其软硬件技术得到进一步发展，主运算器和数据处理器件从8位机、16位机，发展到32位处理器及数字信号处理（DSP）技术，这种由计算机构成的继电保护称之为数字式继电保护。20世纪90年代后期，在数字式继电保护技术和调度自动化技术的支撑下，变电站自动化技术和无人值守运行模式得到迅速发展，融测量、控制、保护和数据通信为一体的变电站综合自动化装备，已成为目前我国新建变电站的标准二次装备，继电保护技术与其它学科技术的交叉与渗透日益深入，并向着数字化、智能化和自动化综合应用的方向发展2。作为终端用户的矿井地面电网基本能跟上电力系统继电保护技术的发展趋势。本世纪初，矿井电网开始广泛应用微机保护及变电站综合自动化系统。但矿井井下电网继电保护技术的发展与地面电网相比存在较大差距，限于煤矿井下特殊的生产环境、防爆技术要求及特殊的电网结构等原因，井下电网继电保护及自动化技术水平相对落后，保护装置的硬件平台多采用16位单片机，运算能力及可靠性水平不高。另外，在电力系统继电保护技术和装置飞速发展的同时，而继电保护整定配合理论则基本沿用传统的阶段式保护配合方法，特别是在中压配网系统。这种以时间为代价的保护配合方式，在当今复杂的电力系统结构中，为维持系统稳定而逐渐缩短动作时限的趋势下，已不能适应继电保护的可靠性需求，使得配电网的保护配合越来越困难3。在这种状况下，当系统发生短路故障时，继电保护因无选择性配合或配合不可靠而造成保护“越级跳闸”，不符合当前智能电网故障快速自愈的发展要求，成为配电网普遍存在的技术难题，亟需研究新型继电保护技术和配合方法。国内外中压配电网广泛采用中性点小电流接地方式，以避免发生单相接地故障时跳闸造成供电中断。中性点小电流接地系统发生接地故障时，由于故障电流微弱、接地电弧不稳定和随机因素影响等原因，接地故障选线和定位比较困难，一直缺乏可靠的故障选线方法和高准确度的小电流接地故障选线和定位装置，至今许多变电站仍使用人工拉路的方法查找故障线路，影响供电可靠性。20世纪80年代以来，随着计算机技术的不断发展成熟，多种微机在线自动选线装置被研制开发出来，采用了如零序电流幅值法、零序电流比相法、零序无功功率方向法、零序有功分量法、零序电流群体比幅比相法、五次或多次谐波分量法、首半波法、注入信号法等多种接地故障选线技术4。这些技术的某些方法，在中性点不接地系统或针对某种特定的中性点接地方式、采用集中的接地选线装置、使用多种接地选线方法综合比较等应用条件下，效果尚可，而某些方法实际应用效果很差。据有些地区供电部门对接地选项装置的使用统计，因选线不准确而退出运行的接地选项装置高达80以上。煤矿井下高、低压电网的接地（漏电）保护装置，因要求系统发生单相接地故障时迅速跳闸，则对接地（漏电）保护的可靠性要求更高，且限于井下供电设备结构等方面的原因，一般要求在单装置中实现可靠的漏电保护功能，很难采用如地面配电网那种集中的接地选线装置。随着矿井电网容量的增大，多数矿井为解决系统接地电容电流增大的问题，均采用了中性点经消弧线圈补偿接地方式，受补偿方式（过补偿或欠补偿）及消弧线圈脱谐度等因素的影响，井下电网实现高可靠性漏电保护的难度进一步加大。因此，有必要下大力气研制新型的适应矿井电网各种中性点接地方式的漏电保护检测方法5。防越跳系统设计是从提高矿井电网供电可靠性的总体目标出发，研究井下电网应用的新型选择性继电保护及监控技术，并与地面电网构成一体化的防“越级跳闸”系统。该设计的研究领域涉及电力系统前沿的新技术应用以及矿井电网的多个技术难题，成功应用这些新技术并解决矿井电网目前的技术难题，对煤炭行业供电系统的技术进步能起到积极的推动作用。因此，具有广泛的现实意义及价值。1.3 本文的主要工作及任务安排本文主要讲述了防越跳系统设计的基本理论，同时简要介绍了传统保护配合方法，新型的网络保护配合方法，智能零时限电流方法，改进型零序导纳轨迹方法在漏电保护中的应用及综合比较。1、对该系统设计的原则，方案设计进行描述。应用新型的网络保护技术和漏电保护技术，以创造性、先进性、可靠性、易用性为原则，通过对比、研究传统的保护配合方法与新型网络保护配合方法，进行新系统方案的设计，从技术上解决矿井电网的保护“越级跳闸”问题，提高矿井电网的运行可靠性。2、着重介绍了防“超级跳闸”系统地面模拟实验。利用四台高压开关安装MPR304S综合保护装置，将保护装置设置相同的保护定值，用升流器同时对四台开关施加相同的电流，检查每级保护的动作情况，3、系统在王家岭煤业中的安装部署。王家岭煤业“防越级”跳闸供电系统涉及到的有地面110KV变电所、10KV工业场地变电所及部分下井线路和采区变电所，采区变电所需配置一台电流保护控制器KHL127和一台监控分站KJ38-F来实现防越级跳闸及监控功能，地面110KV变电所和10KV工业场地变电所的部分下井线路则通过点对点的光纤传输直接对接来实现防越级跳闸功能，通过以太网直接进环网或是通过加交换机进环网来实现整个系统的通讯4、对井下系统试验方案进行了总结及实验验证。通过模拟采区变电所高压开关正常运行时、拒动时的试验情况，确定该系统保护动作是否准确可靠，为进一步提高井下高压开关保护动作的可靠性和准确性，解决越级跳闸以及一个回路短路故障引起全变电所开关全部跳闸等问题提供保障，从而提高供电可靠性；实现地面调度对井下变电所的遥测、遥控、遥信和遥调，为实现变电所无人值班，打造数字化矿井打下基础。5、介绍该系统的设计成果及技术评价，最后给出了防越跳系统的应用前景总结。本课题研究的防“越级跳闸”系统，技术新颖，方法可靠，采用光纤差动保护技术配合智能零时限电流保护技术，能有效解决继电保护的选择性配合问题，具有行业推广价值。该课题仍需要进一步总结、研究、完善，在现有研究应用的基础上，完善网络保护的配合理论，加强现场应用的技术培训，进一步完善系统的可靠性第二章 系统设计内容与技术途径2.1设计研究目标1）设计应用新型的网络保护技术和漏电保护技术，解决矿井电网继电保护选择性与速动性的矛盾，提高继电保护和漏电保护系统的可靠性，从技术上解决矿井电网的保护“越级跳闸”问题，提高矿井电网的运行可靠性。2）在数字化变电站和防“越级跳闸”系统研究的基础上，开发应用矿井电网集成的监控技术，实时监控矿井电网的运行状态，提高运行效率和经济效益。3）针对王家岭煤业有限公司井下配电网络中普遍存在的电流保护无法满足选择性及速动性要求，导致的越级跳闸的问题，采用光纤传输信号实现上下级电流保护间的信息交换，从而解决上下级保护配合问题的方法。该方法能够解决电流保护的选择性问题，同时还不失其速动性，从原理上解决系统越级跳闸问题。采用该原理的电流保护同时可作为母线故障的主保护，解决中低压供电系统母线故障保护配置存在死区的问题。2.2井下防“越级跳闸”系统设计内容1）设计应用新型继电保护选择性配合理论，重点解决王家岭公司井下电网的保护选择性配合问题；2）设计应用新型漏电保护技术，重点研究井下高低压电网的接地（漏电）保护的可靠性和选择性，解决因保护不可靠造成的井下电网“越级跳闸”问题；3）防“越级跳闸”系统与地面电网保护装置的接口技术研究，实现一体化的防“越级跳闸”系统。2.3技术途径本设计以坚实的理论基础为指导，吸收借鉴电力系统自动化技术发展过程中的成功经验和教训，在现有技术研究的基础上，结合王家岭公司井下现场实际情况，制定可行的研究方案，形成课题的理论研究，并通过实验验证、现场实际试验和工业运行的方法，检验研究理论与设计效果，并逐步进行改进和完善。本次采用的技术路线如图2-1。图2-1 技术路线示意图Figure 2-1 Technology roadmap schematic2.4系统设计原则1）创造性：具有新颖的解决现场技术问题的思路和方法，具备可实现的技术理论基础；2）先进性：根据当前研究课题的最新发展状况，结合矿井电网的发展趋势，研究应用的技术与当今技术发展同步；3）可靠性：鉴于矿井电网对煤矿生产的重要性，对系统的可靠性需求是第一位的。系统开发过程中，应从技术方法、产品及器件应用的各个层次上采用可靠性设计方法；4）易用性：调研现场操作使用习惯，系统设计时考虑易用性，达到便于管理、便于使用和维护的目的。系统设计开发流程如图2-2所示。图2-2系统设计开发流程Figure 2-2 System design and development process2.5防“越级跳闸”系统设计2.5.1传统保护配合方法在中压配电网中，传统的继电保护采用阶段式电流保护或电压保护技术，即上下级保护电流或电压定值的配合和上下级时限的配合，实现保护的选择性动作6，如图23所示。（a）保护装置配置；（b）动作时限配合图（a）Protection device configuration（b）The picture of action and time图2-3 定时限电流保护装置的动作时限配合Figure 2-3 Movements with definite time and current protection device这种阶段式电流保护对于供电线路一般设置三段保护：第一段为无时限电流速断保护，为实现保护配合，其定值应按躲过下级母线的最大短路电流整定，如DL-2保护应躲过C母线的最大三相短路电流，因此，它只能保护线路的一部分，假如定值偏小，则保护范围可能延伸至下级母线，系统故障时则可能造成“越级跳闸”；第二段为时限速断保护，它应该保护线路的全长，因此，其定值应按下级母线的最小短路电流校验灵敏系数符合保护要求，但必须依靠动作时限，实现上下级保护配合；第三段为过电流保护，作为各段或各级保护的后备或远后备保护，依靠动作时限实现配合。三段式电流保护在实际应用时，有时第一段保护因线路较短，上下级短路电流电流相差不大，造成无时限速断保护无保护区，而不设置第一段保护，仅采用时限速断和过电流二段保护。而目前矿井电网的实际应用情况为：故障时为保证保护装置动作的快速性，设置无时限速断保护；因矿井电网的特殊结构，供电级数多，无法配合而不设置时限速断保护；设置过电流保护实现后备。仅设置无时限速断电流保护作为线路或设备的主保护，则其保护定值必然延伸到下级母线，造成上下级保护范围重叠且无时限配合，发生故障时必然造成保护“越级跳闸”。2.5.2新型的网络保护配合方法目前我国煤炭企业电网供电系统中普遍存在多级辐射状的供电模式，其特点为供电线路短，延伸级数较多，不同级别的短路电流很接近，不同级别保护的电流定值无法配合，不能满足故障切除的选择性要求7。煤矿井下供电的特点是变电所多、馈出线多、母线分段多，存在大量的短线路，这种线路长度为200m2km不等，从变电站出线到最终负荷点需要安装34级保护。由于线路短，首、末端短路时故障电流无明显变化，一般只能靠时间上来满足保护的选择性。由此带来严重故障无法快速切除，易引发开关爆炸、母线扭曲，变电站停电、起火等等，造成事故扩大化。在类似中低压系统中对于重要短线路保护往往配置光纤差动保护，光纤差动保护作为短线路的主保护，动作选择性和灵敏度都很高，一般无需与其它级保护配合，但由于煤矿井下供电系统中大量存在多端“T”接线路，高爆柜中的CT不能满足差动保护的要求，在实际应用存在问题。在类似系统中另一个问题是系统保护配置中中低压母线的快速保护问题。煤炭企业供电系统出线多，电机起动频繁，另外由于设备和技术力量等原因，系统故障也较电力系统同等规模的变电站多。但由于目前国内煤矿中低压电网一般不配置专用的快速母线保护，而是依赖上一级保护的后备保护切除母线短路故障，为保证选择性，经几级时限配合后，后备保护的动作时间大约是1秒以上，这种情况下如果发生母线故障，因故障切除时间过长，加重了设备的损伤程度，破坏严重时可能造成事故进一步扩大，威胁电力系统的稳定运行8。光纤差动保护因为具有绝对的选择性，因此对于母线处故障无法起到保护，只能依靠后备保护切除故障，在保护配置上存在死区。电力作为煤炭开采活动的主要动力，在煤炭生产过程中占有重要地位，矿井电网的运行安全和可靠性是煤炭安全生产的重要保障，特别是对于高瓦斯矿井，因无计划停电、停风而导致的瓦斯、煤尘等重大恶性事故时有发生。煤炭井下供电系统对于故障快速切除有严格的要求，在井下发生故障时，“越级跳闸”的情况是普遍存在的，矿井电网的供电可靠性问题已成为影响煤矿安全生产的重大安全隐患。对于煤矿供电系统传统的电流保护从原理上无法满足选择性及速动性要求，迫切需要一种新原理的保护来解决这个问题。本次设计涉及的智能零时限电流保护方案可以提供类似系统的理想解决方案，对提高供电系统的安全性具有重大的意义。2.5.3智能零时限电流保护采用单装置检测短路故障参数的配合方法，在当今复杂的供电网络中，实现可靠的保护选择性配合，十分困难。数字化变电站技术的发展，使继电保护装置不再是孤立计算、独立运行的保护装置，通过保护装置间的网络互联，实现跨间隔的互操作性是数字化变电站的技术特征之一9。基于这种技术特征实现网络保护的配合方法，是较为自然的想法，我们将其定义为智能零时限电流保护技术。智能零时限电流保护的定义为：采用光纤网络通信技术，通过上下级保护间的信息交换，实现故障定位，满足动作选择性及速动性要求的保护方法。主要技术特征：速断保护定值和时限不需要严格的配合；可实现逐级快速后备保护；简化保护配置、消除保护死区。智能零时限电流保护工作原理：在多级辐射状配电网络中，若上下级电流保护之间可以实现信息交换，在下一级保护范围内发生故障时，下级保护发出逻辑信号至上级保护，上级保护逻辑中该信号参与判断，则上级保护将不会越级动作，从而在不牺牲上级保护动作快速性的前提下，保证保护动作的选择性；考虑到光纤通信技术成熟、可靠及低成本等特点，采用光纤传输保护信号，实现上下级保护之间的配合。这种通过光纤信号实现上下级电流保护间的信息交换，从而满足保护动作选择性及速动性的方法。将配电网络系统中保护装置按照物理位置划分为多级方式，当下级发生故障时，下级的保护装置启动，当判断到故障电流幅值到本级的动作定值时向上级保护发出逻辑信号，上级保护装置收到信号后短时闭锁本装置的速断保护，若下级开关跳开，闭锁信号自动消失，上级保护装置判断闭锁信号持续80150ms（为保护动作时间，断路器分断时间之和，并预留一定裕度）后自动解除，这样即使出现下级开关拒动，上级保护可以在最小延时情况下动作。各级保护装置速断延时定值均可整定为0s，并且不需要将上下级的电流定值区分的很明显，此方案可以解决特定配电网络中继电保护保护的选择性和速动性配合问题，并且提高了保护的灵敏度。同时由于各级保护装置速断延时定值均整定为0s，进线的速断保护同时可作为母线故障的主保护，解决了保护配置存在死区的问题。如图2-4所示智能零时限电流保护系统结构图中实线为电力电缆，虚线为光纤，箭头表示数据流向，分A、B、C三个故障点分析：1）C点故障，K、K1、K13智能单元同时启动，K13零时限动作，K、K1即时收到K13动作状态后返回，K、K1不动作，保护装置间光纤通信数据流向如图中虚线所示；2）C点故障，K13智能单元由于某种原因故障而不能跳闸，K、K1仍同时启动，因未收到K13动作状态，此时K1零时限跳闸，K不动作，保证系统仍可切除故障，并将影响限制在最小范围；3）C点故障，K13智能单元正常动作，K13开关因故未能跳开。因故障未消失，K1在规定时间内重新启动并跳闸，并将动作状态传递给K；4）B点故障，K、K1智能单元启动，K13不启动。此时K1零时限动作，K即时收到K1动作状态后返回。5）A点故障，K智能单元零时限动作。图2-4 智能零时限电流保护系统结构Figure 2-4 Thearchitecture of intelligent zero limit current protection system 智能零时限电流保护方法的特点是：智能零时限电流保护克服现有技术的缺陷，提供一种解决辐射型配电网络上下级继电保护配合问题，能够在保证电流保护的选择性同时不失其速动性的方法。1）保护装置间通过专用光纤通信服务器实现高速通信，可实现互操作，所有的保护装置为零时限动作，通过光纤信号传递实现保护动作的选择性；2）保护装置可组网成保护系统。此保护系统除具有100选择性、无死区外，整个系统仍具有零时限动作等特性，尤其适用于煤矿应用场合，解决传统保护越级跳闸或动作速度慢等问题；3）智能零时限电流保护可作为母线故障的主保护，解决了传统保护配置存在死区的问题；4）由于上下级存在配合关系，可以简化定值整定，将电流定值降低，提高保护的灵敏性；5）保护系统具有容错和自恢复能力。当某单元出现故障，保护系统能够实时检测并自动选择上一级保护零时限切除故障点，将故障影响降低到最小；6）光纤通信可以实时自检网络状态，通信方式灵活且速度快，可实现系统规模大且装置多时的信号传输，系统具有良好的扩充性和可维护性；7）煤矿系统井下等具有防爆要求的特殊应用场合，光纤由于材质的原因，不存在防爆的问题。图25 智能零时限网络保护Figure 2-5 Intelligent zero limit current network protection 如图25所示，供电系统中的各保护装置按其位置连接成一个网络通信结构，依靠保护装置间的通信接口传递保护信息，实现保护配合。2.5.4改进型零序导纳轨迹法原理的漏电保护技术根据前述介绍，接地（漏电）保护有多种检测技术，而矿井电网井下漏电保护多沿用传统的零序功率方向性检测技术，这种检测技术仅适用于系统中性点不接地方式。随着矿井电网容量的增大，越来越多的系统采用了中性点经消弧线圈接地方式，因此，有必要研究应用适应于各种接地方式漏电保护检测技术。1）系统接地故障分析矿井电网中性点接地方式有：a）中性点不接地；b）中性点经消弧线圈接地（又分为过补偿方式和欠补偿方式）。如图26所示，为消弧线圈接地系统的接地故障模型。图26 消弧线圈接地系统故障模型Figure 2-6 The model of extinction coil grounding system fault 其中：Lk：为非故障线路；L1：为故障线路；gk、bk：分别为非故障线路Lk的对地电导和容纳；gs、bs分别为消弧线圈的电导和容纳；i01：为故障线路零序电流；i0k：为非故障线路零序电流；i0s为消弧线圈零序电流。系统各元件的导纳分析：非故障线路：线路Lk的对地导纳：（2-1）零序电流： （2-2） 消弧线圈：对地导纳： （2-3）零序电流： （2-4）故障线路：对地导纳： （2-5）零序电流： （2-6）因此，系统发生单相接地故障时的特征：a）全系统出现零序电压；b）非故障线路上有零序电流，其数值等于本线路对地零序电流，流向接地点；c）在故障线路上有零序电流，为全系统非故障元件零序电流之和，由接地点流回。几种常用的漏电保护方法分析：a）零序电压（流）法原理：故障时故障相产生零序电压（流）。缺点：不具有选择性，非故障相也有零序电压（流）。b）零序电流功率方向法原理：中性点不接地系统的高压长线路（），非故障相零序电流超前零序电压，故障相零序电流滞后零序电压。缺点：不适用于消弧线圈接地方式，因为过补偿该方法相位关系不再满足。c）零序有功分量法原理：经消弧线圈串、并电阻的接地系统，在发生单相故障时，给故障线路提供了零序电流有功分量，而非故障线路无有功电流分量。缺点：不适用于中性点不接地系统。2）改进型零序导纳轨迹法原理分析：根据非故障线路和故障线路的导纳公式（1）、（5），对不同的接地方式分析如下：a）中性点不接地系统：高压长线路，。非故障线路，零序导纳在第一象限90度附近；故障线路，零序导纳在第三象限-90度附近。低压短线路，可比较。非故障线路，零序导纳在第一象限；故障线路，零序导纳和非故障线路相反，在第三象限。b）经消弧线圈接地系统高压长线路，非故障线路，零序导纳在第一象限90度附近；欠补偿方式：故障线路，零序导纳在第三象限-90度附近；谐振补偿方式：故障线路，零序导纳在负实轴上；过补偿方式：故障线路，零序导纳在第二象限90度附近。其它线路非故障线路，零序导纳在第一象限；欠补偿方式：故障线路，零序导纳在第三象限；谐振补偿方式：故障线路，零序导纳在负实轴；过补偿方式：故障线路，零序导纳在第二象限。其向量图如图27所示。图中：非故障线路的测量导纳；不接地系统故障线路的测量导纳；高阻接地系统故障线路的测量导纳；谐振接地系统故障线路的测量导纳；欠补偿接地系统故障线路的测量导纳；消弧线圈接地系统测量导纳随脱谐度变化的趋势。图27 各种接地系统故障导纳图Figure 2-7 The picture of various grounding system fault admittance 3）改进型零序导纳轨迹法原理的优势零序导纳是小电流接地系统单相接地故障时最有效的特征量，在各种类型线路各种运行方式下，故障线路和非故障线路都有着有效的分界线；采用零序导纳法原理的漏电保护技术，通过改进的保护算法，结合接地暂态算法分析，提高互感器精度等措施，可得到满意效果。2.5.5系统方案设计本次设计的防“越级跳闸”系统由综合保护装置、通信服务器和通信网络组成。1）智能零时限电流保护技术方案在井下变电所的高压防爆开关中安装MPR304S综合保护装置。将供电网中的综合保护装置按物理位置（进线、出线或联络）划分为多级保护层次，每台综合保护装置有两对光纤接口，其中一对光纤接口通过点到点通信方式与通信服务器对应母线的光纤接口板连接，联络保护装置的两对光纤接口分别与服务器对应母线的接口板连接，进线保护装置的另一对光纤接口与上级变电站的出线保护装置的一对光纤接口相连。系统中所有保护装置的速断保护均可设置为零时限，保护定值可按保证灵敏度整定，不需要上、下级保护定值的严格配合9。当系统发生短路故障时，相关的保护装置可能同时启动，当达到保护定值时，距离故障点最近的本级保护装置动作，并通过服务器的光纤接口电路进行逻辑判断，逐级向上级保护传递保护故障信息，上级保护装置在收到保护故障信号后与下级保护装置建立通信，实时检测下级保护的动作情况，等待距离故障点最近的开关跳闸，若跳闸成功则故障信号自动消失，若跳闸不成功则经短延时（保护动作时间+断路器固有动作时间，可整定）由上级保护装置切除故障，并实现逐级快速后备保护功能。图28 智能零时限电流保护配置原理Figure 2-8 Configuration principle of smart zero limit current protection 对于存在“T”接线或串级供电的复杂供电系统，可采取类是交换机级联的方式，实现信