煤礦越級跳閘事故原因分析誤區(qū)及解決方案

摘要：對短路本質(zhì)進行了剖析，分析了現(xiàn)在對越級跳閘問題的幾種錯誤認識，對幾種解決方案進行了比較，并提出了現(xiàn)階段內(nèi)最好的解決方案。

關(guān)鍵詞：煤礦供電；越級跳閘；光纖縱差；繼電保護

煤礦企業(yè)用電設(shè)備集中，供電線路短，整體負荷變化大，電壓波動幅度大，井下環(huán)境復(fù)雜，除以上幾點另外井下供電系統(tǒng)的放射式拓撲結(jié)構(gòu)也決定了要做好煤礦供電工作不可避免的要面對越級跳閘問題。

1 原因分析

要解決越級跳閘問題，就必須深入理解短路故障的本質(zhì)和短路電流的變化過程。

1.1 短路故障分析

短路故障發(fā)生時，短路電流中包含兩個部分：周期分量iP與非周期分量iaP，在發(fā)生短路的瞬間，三相中一相電流幅值偏高；短路故障進入穩(wěn)態(tài)后，只剩周期分量iP，并且三相電流對稱。

假設(shè)在供電網(wǎng)絡(luò)的F點發(fā)生三相短路，各項數(shù)據(jù)滿足以下方程式：

方程解為

在煤礦高壓供電系統(tǒng)中，由于供電線路很短，電阻較小，R■＜■X■，故?漬F≈90°，當F=50Hz時，短路電流達到峰值時間為0．01秒（此值為最不利的情況下達到峰值的最快時間），非周期分量的衰減時間通常不超過0.2S。

1.2 開關(guān)跳閘分析

現(xiàn)在使用的保護裝置都是單片機控制的電子式保護，單片機具有很高的工作頻率，使得電流、電壓檢測周期大大縮短，只需要達到2~3個周波，信號確認時間只需要0.03~0.04秒，總體跳閘執(zhí)行完成時間一般在0.07到0.09秒（根據(jù)不同保護和執(zhí)行機構(gòu)有一些差異）。

1.3 分析誤區(qū)

誤區(qū)一：認為由于井下環(huán)境潮濕，高壓防爆開關(guān)機構(gòu)卡澀、不靈活，增加開關(guān)的固有動作時間，造成當發(fā)生短路故障時，地面的高壓開關(guān)柜動作快于井下的高壓防爆開關(guān)，而造成井下越級跳閘。

錯誤原因：速斷保護跳閘只要達到定值，會立即執(zhí)行無時限速斷，保護動作不會返回，所以越級跳閘與開關(guān)機構(gòu)卡澀沒有關(guān)系。

誤區(qū)二：保護定值計算不正確或者不準確，造成保護范圍過大，引起保護沒有選擇性跳閘。

錯誤原因：首先，由于煤礦供電線路程放射狀，供電線路短，由于存在井上井下兩套設(shè)備，造成在很短的線路上有多臺開關(guān)，一旦發(fā)生短路，上級所有保護測得的短路電流差別不大，均會速斷保護跳閘出口動作；其次，本身速斷保護的保護范圍就比較小（保護線路的60-80%），若增大速斷保護的定值，保護范圍會進一步縮小，甚至變成0，反而起不到保護作用；最后，在很短的線路（一般不超過1km）上精確的確定保護范圍，非常困難，目前各類繼電保護裝置的保護定值的設(shè)置準確度無法達到此要求（準確度只有0.1A）。

1.4 原因綜述

基于由以上分析，下面試述越級跳閘原因：如果按照標準的繼電保護定值計算方法，按照三段式保護的配置原則，由于煤礦供電線路較短，計算結(jié)果將導(dǎo)致供電線路上下級開關(guān)Ⅰ、Ⅱ段保護的定值大小會比較接近，一旦線路末端發(fā)生短路故障，整條線路的短路電流變化曲線較平緩，也就是說離短路點較遠和較近的地點的電流變化不大，上下級開關(guān)的Ⅰ段保護都達到動作值，速斷保護只要達到定值，會立即執(zhí)行無時限速斷，保護動作不會返回，上下級開關(guān)會立即同時跳閘，Ⅱ段保護在多數(shù)情況下也會同時啟動延時，由于Ⅱ段保護在上下級之間一般有0.5s的時間差，故在此可忽略。

Ⅰ段無時限速斷保護即要符合繼電保護整定原則中快速性的要求，又要滿足選擇性的要求，在此就遇到了兩難的境地，快速性和選擇性發(fā)生矛盾。

2 解決方案

如果井下因為某回路短路，采區(qū)變電所越級跳閘，會造成采區(qū)大面積停電，影響采區(qū)局扇供風(fēng)，引起瓦斯積聚，直接危及一線采煤工人生命安全。如果引起地面變電所下井回路甚至變電所進線斷路器跳閘，將會造成井下大面積停電甚至整個煤礦生產(chǎn)系統(tǒng)癱瘓。這就要求我們在進行保護配置時，必須要保證選擇性，保證選擇性的目的就是要把故障影響范圍控制在最小。

2.1 幾種常用解決方案的分析

2.1.1 電氣閉鎖方式。首先，該方式使用485通訊方式，該方式可靠性差，容易受外部干擾，在遠距離傳輸時無法保證數(shù)據(jù)的準確性，容易造成錯誤，在短路發(fā)生時容易出現(xiàn)拒動、誤動等問題；其次，該方式需要實現(xiàn)多個出線與一條進線的閉鎖關(guān)系，這就需要較復(fù)雜的電纜連接，且數(shù)量較多，由于煤礦供電必須是雙回路，在正常或檢修時，都會改變現(xiàn)有運行方式，造成邏輯閉鎖程序設(shè)計復(fù)雜；最后，該系統(tǒng)的自檢部分并不完善，通訊故障時無法很快倒切。以上可以看出，這種方式在實際運用中問題較多，可靠性較差。

2.1.2 分站集中控制方式。該方式預(yù)先將供電網(wǎng)絡(luò)劃定若干區(qū)域，在區(qū)域內(nèi)安裝集控分站，分站與區(qū)域內(nèi)所有開關(guān)建立通訊。當發(fā)生短路時，開關(guān)將短路電流信息傳給分站，分站通過內(nèi)部的比較程序確定距離短路點最近的開關(guān)，發(fā)跳閘命令。該方式對通信的可靠性要求極高，通訊網(wǎng)絡(luò)故障時，供電系統(tǒng)將失去無時限速斷保護，分站變?yōu)榭刂坪诵模沧優(yōu)樽畋∪醐h(huán)節(jié)。在實際使用過程中中經(jīng)常無法起到防止越級跳閘的作用。

2.1.3 基于全網(wǎng)數(shù)據(jù)共享的數(shù)字化變電站方式。該方式是最有發(fā)展前途的方式，它在將來不僅限于繼電保護，還有可能會和物聯(lián)網(wǎng)結(jié)合，可以將整個供電系統(tǒng)進行深度的整合，可以將全網(wǎng)的數(shù)字信息共享，通過光纖數(shù)字接口，將各個設(shè)備的各項信息進行智能處理，將故障信息，跳閘命令通過光纖輸出控制跳閘。但是這種系統(tǒng)性的設(shè)計，需要數(shù)字化的CT和PT，以及其他數(shù)字化的信息采集裝置相配合，鑒于我國目前數(shù)字化設(shè)備的技術(shù)水平和裝備現(xiàn)狀，投入十分巨大，目前無法實現(xiàn)，只能做小范圍的試驗。現(xiàn)在將解決煤礦越級跳閘問題與全網(wǎng)數(shù)據(jù)共享的數(shù)字化變電站聯(lián)系起來，還為時尚早。

2.2 現(xiàn)階段解決方案的提出

通過以上分析，筆者在此提出一種現(xiàn)有的簡單方式解決越級跳閘問題，我們可以借鑒線路光纖縱差保護技術(shù)原理，該技術(shù)在地面普遍使用，技術(shù)成熟，可靠性有保證，光纖信號抗干擾能力強，傳輸速度快，可以保證無時限速斷的執(zhí)行速度，針對煤礦上下級開關(guān)多，且多采用放射狀供電網(wǎng)絡(luò)，在上下級變電站之間，變電所內(nèi)部進線與饋出線之間安裝光纖縱差保護裝置，讓光纖縱差保護替代無時限速斷保護，定時限速斷作為后備保護。光纖縱差保護將煤礦供電系統(tǒng)智能化的分成幾個部分，當故障發(fā)生時，可以迅速判斷故障點位置，識別區(qū)內(nèi)故障和區(qū)外故障，跳開距離故障點最近的上級和下級開關(guān)，有效地控制了由故障引起的跳閘范圍擴大。另外通過編程，實現(xiàn)對系統(tǒng)運行方式的智能判斷，當運行方式發(fā)生變化（母聯(lián)位置變化）時可以重新建立上下級區(qū)間關(guān)系，做到故障時及時處理。

這種保護原理能兼顧快速性和選擇性，可以很好的解決煤礦越級跳閘問題，符合我國現(xiàn)階段電力系統(tǒng)和高壓開關(guān)設(shè)備的現(xiàn)狀，是現(xiàn)階段最理想的解決方案。

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作者簡介：李恒濤（1982－），河南焦作人，助理工程師，2007年畢業(yè)于河南理工大學(xué)電氣工程及其自動化專業(yè)，現(xiàn)從事機電管理和技術(shù)工作。