煤矿井下电网防越级跳闸系统的研究与应用

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[摘 要]煤矿安全生产对供电的主要要求为安全性和可靠性，其核心是保护系统的灵敏性和选择性，本文对煤矿井下电网越级跳闸原因进行了分析，对防越级跳闸系统原理、功能及实施特点等进行了介绍。

[关键词]井下电网 防越级跳闸 零时限电流保护 光纤差动保护

中图分陈类号：TD61 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2016）05-0247-01

一、防越级跳闸系统的研究背景

供电安全是煤矿安全生产的关键环节，当井下电网发生短路等故障时，经常发生越级跳闸事故，尤其高瓦斯矿井，无计划停电停风，常常导致采掘工作面瓦斯积聚，若各种措施落实不到位，更易酿成瓦斯爆炸事故，煤矿井下电网越级跳闸已成为影响高瓦斯矿井安全生产的重大隐患。

二、井下电网越级跳闸原因分析

井下电网越级跳闸是指当供电系统中发生故障时，故障线路以外的开关发生跳闸停电，导致非故障线路停电，致使故障影响范围扩大。其原因主要有以下几点：

1、过电压引起的越级跳闸

矿井井下供电线路为中性点不接地运行方式，如发生单相接地后，接地的线路相电压会瞬间降低，另两相电压升高，造成10KV（或6KV）三相电网不平衡，出现过电压导致井下高压防爆开关动作跳闸。此外，出现单相接地时，故障一般会持续一段时间，在发生单相接地故障时，会出现瞬间电弧放电，引发电能磁性的震荡，产生弧光过电压，使变电所的电压互感器一次励磁电流急剧增大，可能造成电压互感器烧损，使过电压保护失灵，烧损保护元件而造成越级跳闸。

2、保护整定不规范

因煤矿电气技术人员知识面深浅程度原因，进行线路继电保护整定计算时，或参照线路流过最大负荷电流，或参照线路的安全电流，或依据运行经验进行整定，然后再根据实际的保护动作情况进行再调整。也存在某些原因，比如负荷统计计算时，只能依靠最大负荷电流或进线开关保护整定值进行整定。如果速断保护按照躲过最大负荷电流整定，其整定值要比按短路电流整定值小的多，一旦线路上某点发生短路故障，该线路及沿线上级保护装置均会造成越级跳闸。

3、变电所熔断器、插销等机械故障

有的熔断器的熔丝经过长时间运行，特性变差，当线路故障，保护动作时，跳闸脉冲出现过电流时，使熔断器熔断，造成越级跳闸；当变电所某一线路控制电源高压开关的隔离插销插入插座松动时，产生弧光，造成弧光一相短路故障，从而发生越级跳闸；机械联动故障，如继电器接点烧损、接触不良、设备连片松动、机械传动不灵活、微机插件故障烧损接触不良等。

4、继电保护失灵

变电所对继电保护的要求是：选择性、快速性、灵敏性。如果达不到这些要求，就可能造成越级跳闸，如：定值计算错误、检修调试错误、接线错误等。

三、煤矿防越级跳闸保护原理

在传统的供电保护方案中，速断保护只依靠上下级电流定值和时间定值来实现选择性，但在供电线路距离短，不同级别的短路电流很接近情况下，上下级的电流、时间定值由于不能相差太大，导致短路时，上下级开关由于本身固有跳闸时间的差异，极有可能发生越级跳闸，造成大面积停电，影响井下安全生产。

鑫顺矿10KV供电系统和风机1.14KV线路装备了南京弘毅公司生产的防越级跳闸系统，井下电网防越级跳闸由“智能零时限电流保护”和“光纤差动保护”技术实现。

“智能零时限电流保护”主要原理为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，且不需要上下级保护定值的严格配合。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，并通过服务器光纤接口电路进行逻辑判断，同时逐级向上级保护传递保护故障信息，上级保护装置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。

“光纤差动保护”原理是通过光纤信道实现供电线路的纵联差动保护，为变电站线路提供绝对的选择性，实现故障隔离。

煤矿多级辐射状配电网络中，上下级电流保护之间实现了信息交换，当本级发生故障时，本级的保护装置启动，同时向上级保护发出闭锁信号，闭锁上级的电流速断保护，上级保护装置收到闭锁信号后闭锁本装置的速断保护。若本级开关跳开，闭锁信号自动消失。若上级保护装置判断闭锁信号持续50～1000ms，自动解除闭锁，开始动作，这样即使出现本级开关拒动，上级保护也可以在最小延时情况下动作，而且不需要将上下级的速断电流定值区分的很明显，这种通过光纤信号实现上下级电流保护间的信息交换，满足了保护动作选择性及速动性。

四、矿井防越级跳闸系统改造方案

鑫顺矿和南京弘毅公司在充分调研及可行性研究基础上，共同制订了矿井防越级跳闸系统改造方案，通过在调度室安装具有防越级跳闸功能的后台监控系统，在井下2个变电所加装防越级跳闸分站，在地面35KV变电站4面开关柜和井下变电所35台高压防爆开关加装具有防越级跳闸功能的微机保护测控装置，

为实现全电网防“越级跳闸”系统，井下供电系统与地面供电系统采取故障隔离措施，防止井下故障造成地面保护系统越级跳闸，组建井下光纤以太网和光纤保护网络，将KJ38-F电力监控分站接入光纤以太网；光纤保护网络用于保护信息传输，将KHL127通信服务器接入光纤保护网络，两网独立运行，保护通信网络与光纤以太网走相同的路径，保护网络使用光纤以太网光缆的纤芯。

五、矿井防越级跳闸系统主要功能

1、井下电网发生事故时防越级跳闸系统能迅速切除故障，实现了逐级后备和故障定位功能，避免了越级跳闸带来的无计划停风、停电，提高了供电系统的稳定可靠性。

2、智能零时限电流保护技术不需要定值和时限的严格配合，采用网络通信技术传递保护故障信息的方法实现保护的选择性。

3、智能零时限电流保护由于上下级存在配合关系，可简化定值整定，提高保护的灵敏性。

4、各开关的电流、电压等数据上传到地面调度监控中心，实现了实时电力监控功能。

5、保护终端采样精确、可靠，记录下了各种运行状态下的告警及事故信息，便于事故的分析处理。

六、矿井防越级跳闸系统实施效果

鑫顺矿井下电网防越级跳闸系统2014年4月投用以来，不仅实现了继电保护装置的选择性和速动性，同时电力监控系统的建立，实现了数据信息的集中采集和分析，为系统运行状况的诊断奠定了基础。

1、一年多来鑫顺矿防越级跳闸装置共发生两次2次动作记录，一次为2014年7月31日15101备用局扇电缆发生短路故障，采区变电所控制开关FK04动作，未越级造成其它开关动作；另一次是胶带下山带式输送机（3×710KW）启动异常，开机瞬间电流过高，开关保护动作，跳闸断电，同时防越级跳闸功能启动，避免了大面积停电事故。两次动作说明防越级跳闸装置运行正常，性能可靠，为矿井安全供电提供了保障。

2、矿井防越级跳闸系统可实现遥调、遥测、遥信、遥控等功能。

3、矿井防越级跳闸和电力监控系统的“记录告警及事故信息”功能，不仅为分析判断本系统事故原因提供依据，还为系统外故障的分析提供有力保障。

七、结论

煤矿井下电网防越级跳闸系统的成功运行，不仅实现了配电网络中上下级继电保护的配合和可靠的故障定位，避免了故障影响范围的扩大，而且实现了地面调度中心的监测监控，从而大大提高了煤矿供电的可靠性和安全性，为煤矿安全生产提供了保证，取得了良好安全效益和经济效益。

参考文献

[1] 朱声石.高压电网继电保护原理与技术[M].北京： 中国电力出版社，2005.

[2] MPR304S数字式矿用综合保护装置说明书，南京弘毅电气自动化有限公司，2009.

作者简介

赵建军.山西凌志达煤业有限公司机电科主任工程师、副科长，职称：工程师，正致力于煤矿机电设备自动化的研究。