1、太原理工大学工程硕士研究生学位论文I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
2、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
3、，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，保护装置因不能实太原理工大学工程硕士研究生学位论文II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
4、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，实践应用太原理工大学工程硕士研究生学位论文IIIABOUT SHANXI WANGJIALING COAL CO.LTD.MINING AREA SUBSTATION DESIGNAND IMPLENTATION OF ANTI TRIPPING SYSTEMABSTRACTPower is the only way of production
5、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
6、 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
7、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
8、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 met
9、ers, 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
10、 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
11、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
12、 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 太原理工大学工程硕士研究生学位论文IVoperation environment of the mine and the development course, influenced by the mi
13、ne 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
14、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 import
15、ant 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 requirem
16、ents 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
17、. 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
18、, solve the protection configuration of low voltage power supply systems problem of stopping working.KEY WORDS： distribution network, anti tripping, current protection, application太原理工大学工程硕士研究生学位论文V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
19、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
20、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 .36太原理工大学工程硕士研究生学位论文VI4.4.6 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
21、.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太原理工大学工程硕士研究生学位论文1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
22、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
23、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
24、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，当太原理工大学工程硕士研究生学位论文2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
25、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
26、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
27、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，太原理工大学工程硕士研究生学位论文3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
28、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
29、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
30、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太原理工大学工程硕士研究生学位论文4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
31、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
32、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。
