供配电安全技术-第7讲煤矿防越级跳闸系统及数字化变电站

供配电安全技术第七讲:煤矿防越级跳闸系统及数字化变电站中国矿业大学信息与电气工程学院电气安全与智能电器研究所刘建华目录一、煤矿越级跳闸问题分析二、常规微机保护构造的防越级跳闸系统三、数字化变电站四、数字化变电站构造的防越级跳闸系统一、煤矿越级跳闸问题分析1、短路越级跳闸煤矿高压供电存在如下特点：短线路较多有的下井线路仅有100-500米；采区变到配电点仅有50-500米下井线路经过的开关级数多地面-井下中央-采区-配电点电力系统给定的速断定时限短（1-2秒）井下高压开关一般均装设速断保护井下高压开关一般均装设有低电压保护短路越级跳闸原因1整定方法不合理速断保护按躲过最大负荷电流整定，比按短路电流整定得到的值要小得多，发生短路后沿线保护均启动，跳闸取决于开关的机械特性。解决方法正确整定LIIzd1L1地面井下中央采区12.086.198.125.164.273.15下井电缆Id1'L1min’Imax短路越级跳闸原因2短线路造成保护定值无法区分短线路短路电流的变化平缓，始末端短路电流差值小，按躲过线路末端最大短路电流整定，一般保护灵敏度1。电力系统规程建议在灵敏度小于1的情况下不适宜装设电流速断保护，但是煤炭规程规定井下必须装设速断保护，不准甩掉不用。此时一般按同一灵敏系数法整定，造成线路在最小运行方式下有保护范围，然而在最大运行方式下可能发生越级跳闸。解决方法在短线路增设限流电抗器，注意端电压、井下条件限制。改变保护原理：差动保护短路越级跳闸原因2短线路造成保护定值无法区分1#2#ImaxIminLIId1Id1'L1minL1maxL1min’L1max’短线路短路越级跳闸原因3系统的运行方式差异较大系统运行方式差异较大，按躲过线路末端最大短路电流整定，一般保护灵敏度1。电力系统规程建议在灵敏度小于1的情况下不适宜装设电流速断保护，但是煤炭规程规定井下必须装设速断保护，不准甩掉不用。此时一般按同一灵敏系数法整定，造成线路在最小运行方式下有保护范围，然而在最大运行方式下可能发生越级跳闸。解决方法电力自动化系统：随运行方式切换保护定值改变保护原理：差动保护短路越级跳闸原因3系统的运行方式差异较大2#Id1Id1'L1maxL1min’L1max’ImaxIminI地面井下中央采区12.086.198.125.164.273.15下井电缆L短路越级跳闸原因4短路电流过大短路电流超出了保护装置短路电流的最大保护范围（现在井下高压综保一般为10倍），如线路末端母线的最大三相短路电流为3340A,而线路的CT的变比为200/5，也就是保护的最大电流只能选取2000A。解决方法改变CT变比加装限流电抗器改变保护原理：差动保护短路越级跳闸原因5失压保护延时难以整定导致的“越级跳闸”大多井下保护器的失压保护动作延时不能整定，为瞬动，另外部分失压脱扣动作值不准确。馈线距离母线很近的地方发生短路故障时母线电压短时失压，该段母线上其他开关的失压保护误动作导致“越级跳闸”。解决方法选择具有失压保护延时可整定或具有延时的保护装置；改变保护原理：差动保护短路越级跳闸原因6开关拒动煤矿井下高爆开关质量参差不齐，开关动作速度差异较大，开关质量差异较大。解决方法保证开关质量2、漏电保护无选择性跳闸煤矿80%以上供电事故均为单相接地故障造成中性点不接地系统中单线路单相接地故障判定存在技术实现难点单相接地故障判定原理较多中性点接地方式较多单相接地故障危害严重事故扩大为短路，降低供电可靠性事故引发过电压，导致事故扩大漏电保护误动或拒动原因1高压漏电保护选择性原理有效性零序过电流原理：适用于中性点不接地系统，且各出线电容电流差别不大。零序无功方向型原理：适用于中性点不接地系统。零序有功方向型原理：适用于中性点经并或串阻尼的消弧线圈接地。五次谐波原理：适用于中性点各种接地形式，但灵敏度较低，不适合单条线路应用。解决方法根据系统中性点运行方式，选择具有正确原理的保护装置。漏电保护误动或拒动原因1-保护原理IC1d(1)IC1IC1IC1IC1NO.1NO.2NO.3以母线流向线路电流方向为正..11cII漏电保护误动或拒动原因1-保护原理IC1IC2d(1)IC2IC1IC1IC2IC1IC2IC2IC1NO.1NO.2NO.3以母线流向线路电流方向为正..11..22ccIIII漏电保护误动或拒动原因1-保护原理IC1IC2IC3d(1)IC2IC1IC1IC2IC3IC1IC2IC2IC1NO.1NO.2NO.3..11..22...312()ccccIIIIIII漏电保护误动或拒动原因1-保护原理IC1IC2IC3d(1)IC2IC1IC1IC2IC3IC1IC2IC2IC1NO.1NO.2NO.3IL+IRIL+IRIL+IR...312....123.......3123()()()()ccLcccLRcccRIIIIIIIIIIIIII漏电保护误动或拒动原因2高压漏电保护整定方法不合理井下高压漏电保护同一条线路应按时限保证选择性。零序过电流原理：在中性点不接地系统应按躲过本支路电容电流整定。解决方法正确整定地面井下中央采区下井电缆0.5S1S漏电保护误动或拒动原因3接线不正确选择性原理必须依靠电压与电流方向的判别。电压互感器零序电压加、减极性接法不一。误以为漏电试验动作即检验了漏电保护可靠。解决方法做经电阻接地或直接接地试验验证接线正确性。QSQSTVQFACB零序电流互感器自检线圈10匝电网地AC100VAC100VU02abcK2K1MS10uF/400V200/30W漏电试验按钮LH1GND复位按钮GNDFW二、常规微机保护构造的防越级跳闸系统从地面到井下所有变电所连接线上光纤纵差保护线路纵差保护作为线路的主保护过流II段为后备保护高爆综合保护应改造为具有光纤差动保护的微机保护测控单元地面到井下所有变电所连接光纤防越级跳闸系统纵差保护原理正常运行和线路外部故障时线路内部故障bPJIIII22222JdJIIIIII双端供电单端供电（）（）防越级跳闸系统优缺点优点改造简单。缺点仅能实现短路防越级，无法解决漏电无选择性问题；无法实现母线短路速断保护，靠后备保护动作，存在一定危险性。三、数字化变电站数字化变电站是智能电网的核心。智能变电站（数字化变电站）数字化变电站数字化变电站是由智能化一次设备、网络化二次设备在IEC61850通信协议基础上分三层构建，即站控层、间隔层、过程层，两级网络，能够实现智能设备间信息数字化共享和互操作，可实现网络化二次功能、程序化操作、状态检修、电网故障分析隔离等功能的智能化的变电站。特点：•一次设备智能化•二次设备网络化•基础数据完备化•信息交换标准化•运行控制自动化•信息展示可视化•分析决策在线化•设备检修状态化•保护决策协同化•设备安装就地化•系统设计统一化•二次系统一体化数字化变电站设计模式1仅站控层遵循IEC61850标准。全国约有400座此类变电站。通常认为，这种仅站控层遵循IEC61850标准变电站，在技术上已经相当成熟。在浙江、湖北、广东等地已经作为新建或改造变电站的基本要求（如浙江海宁500kV变电站）。这种模式变电站仍属于常规性质的变电站设计。工作站1远动站工作站2传统互感器传统一次设备电缆CT/PT装置1装置n站控层间隔层以太网IEC61850-8-1数字化变电站设计模式2站控层遵循IEC61850标准、过程层采用GOOSE网络。一次设备采用常规互感器，在技术上规避了电子式互感器不成熟的风险，成本也相对较低。在华东等地区有应用（如浙江兰溪500kV变电站、浙江外陈220kV变电站）。这种变电站属于一种过渡性的变电站设计模式。工作站1远动站工作站2传统互感器智能断路器电缆CT/PT装置1装置n站控层间隔层过程层以太网IEC61850-8-1光纤以太网GOOSE智能接口数字化变电站设计模式3-全数字化站控层遵循IEC61850标准、过程层采用GOOSE网络。过程层设备全部为电子式CT/PT及智能开关。对110kV以下电网可采用电子式互感器。工作站1远动站工作站2以太网IEC61850-8-1电子式互感器智能一次设备装置nECVT装置1合并器单元智能接口站控层间隔层过程层过程层以太网数字化变电站与传统自动化变电站比较GOOSE网络什么是GOOSE及特点？GOOSE：面向对象的变电站通用事件（GenericObjectOrientedSubstationEvent）是IEC61850定义用于快速和可靠传送变电站自动化系统中实时性要求高的信息事件的通信模型。为什么需要GOOSE？在运行中，由于系统发生故障保护会产生：启动、跳闸、重合等动作；运行状态发生变化时出现电网结构、一次设备被控制切换会产生：启动、停止、闭锁、解锁、触发、解除、状态变化等动作及信号。以前这些快速动作命令信号基本上由继电器完成，随着信息化、数字化的技术进步发展，改由通信技术完成。非常规互感器非常规互感器优点优良的绝缘性能，造价低。不含铁心，消除了磁饱和、铁磁谐振等问题。低压侧无开路高压危险。暂态响应范围大。频率响应范围宽。没有因充油而产生易燃、易爆炸等危险。体积小、重量轻，运输方便。抗电磁干扰能力强。由于信息载体是光，用光纤传输信号，因此具有光学敏感和光纤传输的优点，例如耐腐蚀、耐老化等。适应了电力计量与保护数字化、微机化和自动化发展的潮流。电子式电流互感器ECT１１０kv系列１０kv系列电子式电流互感器开关柜安装的小信号模拟量输出的电子互感器防越级跳闸系统：地面数字化变电站模式四、数字化变电站构造的防越级跳闸系统防越级跳闸系统：井下数字化变电站模式防越级跳闸系统：数字化变电站模式特点：基于数字化变电站模式，三层网络结构，两层网络。具有数字化变电站典型特点，符合发展趋势。地面井下一体数字化实现方案。过程层设备：综合保护测控合并智能终端采用传统PT/CT。高爆开关中安装具有光纤通讯的综合保护测控合并智能终端，通信网络正常时，起数字化变电站合并器作用，当双光纤网络断开时，起微机综合保护作用。过程层与间隔层之间网络：将IEC61850标准的GOOSE网、采样值网、GPS同步网三网合一，集成在同一对光纤通道（双重化）上实现；以矿用光纤网络接入分站为核心构成（单台可接入最多39台智能终端）。防越级跳闸系统：数字化变电站模式间隔层设备：集成保护装置基于最新超大规模FPGA和多DSP内核并行处理技术，计算能力相当于100余台微机保护装置的保护主机。针对煤矿井下线路短，短路电流大的特点，开发了CT饱和识别技术，能避免穿越性故障时由于CT饱和导致的光差误动。功能软件化：保护功能软件化（可自由配置开关需要的软件功能，如线路纵差、母线纵差等），故障录波软件化（支持高达20次谐波分析，保存多达4096条故障记录，32套全网故障时的波形），接地选线软件化。线路纵差保护动作速度快，平均动作速度小于25ms。防越级跳闸系统：煤矿数字化变电站模式优点基于智能电网架构，第三代数字化变电站结构；全矿保护信息共享；可解决短路防越级、漏电无选择性问题；功能升级软件化，保护投资；电磁兼容性强，抗干扰能力强。防越级跳闸系统：集成保护装置界面防越级跳闸系统：集成保护装置界面防越级跳闸系统：集成保护装置界面防越级跳闸系统：集成保护装置界面