煤礦供電系統防越級跳閘技術的分析及應用

殷 鵬

（西山煤電集團有限責任公司新產業有限公司， 山西 太原 030053）

1 煤礦防越級跳閘方法

煤礦供電系統一旦發生多級開關跳閘的問題，就會出現礦山大面積停電現象，這不僅影響著礦上的經濟效益，同時大面積的停電現象嚴重威脅著礦山工作人員的人身安全。所以為了盡可能地解決此類問題，研究人員將研究的方向逐步朝著避免越級跳閘的方向轉化。產生越級跳閘的原因較多，但主要是由于線路較短、電路的阻抗值較小、電磁及諧波的干擾較大、整定的方式不合理、電路漏電保護性能差等[1]。所以在現如今的解決方案中，主要為：縱聯差動保護，其原理是將電路兩側的保護裝置進行縱向連接，當發生線路的短接時，系統可以快速比較兩側的相位及電流大小，迅速完成故障位置的確定，然后做出近故障區的跳閘，達成故障區域隔離，防止出現越級跳閘現象。此方法的優點是現有的理論較為成熟，方法的使用效果不錯，只需要在電路系統中安裝相應的保護裝置就可以達到相應的保護效果。但此方法最大的問題為線路母線的故障無法得到有效的排除，且發生縱向漏電時無法鎖定及保護線路；第二種方法為通信級聯閉鎖方法，此方案主要是利用差動保護裝置及網絡閉鎖相結合對越級跳閘進行保護，當線路發生短路現象后，短路位置的下降從站由于檢測不到故障信號，所以會差動啟動，保護裝置的延時差動時間約為10～50 ms[2-3]，且向上級主站傳輸閉鎖信號。當保護裝置在一定的時間內并沒有接到下級發出的閉鎖信號時，自動解除閉鎖，在本級及時進行合閘。這種方案的優點是保護裝置與通信裝置的統一結合，有效地保證了系統的安全性與可靠性。但此方法需要在保護裝置的基礎上進行網絡加入，所需的工程量較大，且每級的保護裝置均需要一定時間傳輸信息，對礦山的經濟效益有一定的損失。第三種方法是在GOOSE 的基礎上進行防越級跳閘保護方案。GOOSE 是一種報文傳輸機制，此方案在一定程度上與通信級聯閉鎖方法較為類似，但此方法的信息傳輸時間小于2 ms[4]，明顯高于通信級聯閉鎖的傳輸時間，大幅度減少了時間的消耗，減小了時間損耗帶來的危害。相比方案一和方案二，方案三種方案的結構更為簡單，且選擇性與及時性都有了一定的優化。但仍存在一定的缺點，采取方案三時需要更換井下開關的保護裝置，工程量較大，所以三種方案下均具有各自的優缺點，所以在進行方案選擇時需要充分考慮礦山自身的情況，選擇合適的防越級跳閘方案。

圖1 煤礦防越級跳閘監控系統的結構示意圖

2 三位一體供電防越級跳閘監控系統結構與特點

2.1 系統結構

本文介紹的防越級跳閘監控系統是由防越級監控分站、保護裝置、輔助信號源及監控服務器等組成。煤礦防越級跳閘監控系統的結構示意圖如圖1所示。礦用的防越級保護裝置同時具備礦山供電保護、遠程監控及防越級跳閘功能。防越級監控分站需要實現供電的遠程監控及防越級跳閘監控功能。監控服務器需要實現遠程的監控及故障的分析記錄報警等功能。

系統選用了三位一體的防越級跳閘的解決方法，從短路越級跳閘、電壓波動越級跳閘和漏電防越級跳閘等三個方面對防越級跳閘進行監控，對防越級跳閘實現了無死角的監控。常見的防越級跳閘事故多為短路防越級跳閘。三位中的一體意味著防越級跳閘保護及常規保護的統一；光纖環網與防越級跳閘網絡進行統一；供電監控及防越級跳閘監控的合二為一。三位一體的供電防越級跳閘監控系統實現了井下無人監管，提升了防越級跳閘的可靠性與自動性。

2.2 系統特點

1）三位一體的供電防越級跳閘監控系統的可靠性較高、維護簡單且成本較低。在井下的光纜極易發生破壞，維修量較大且維修成本很高，所以本文的三位一體電防越級跳閘監控系統選用光纖環網復用技術，有效地提升了防越級跳閘的可靠性。

2）系通采用零時限網絡保護的越級防跳閘。通過防越級保護裝置的分區網絡進行智能通信及智能識別故障區域，并且零時限的切斷故障電路，避免了由于短路引起的跳閘。這項技術主要特點是不依賴后臺的監控系統及監控分站，而是通過保護裝置之間自動智能組網，當發生網絡中斷時，礦用防越級跳閘將會自我切斷故障位置的網絡，從而進行重新的組網，有效地解決了電流斷電保護的選擇性、快速性及可靠性之間協調問題，防止了短路造成的越級跳閘。

3）選擇信號源選線技術的漏電防越級跳閘。常見的供電系統中性點均不接點或者在連接消弧線圈后接地，所以常見的漏電選線方法很難保證選線的精確性。三位一體的供電防越級跳閘監控系統選用輔助信號源介入選線信號，同時接入能夠網絡識別的智能選線技術，保證選線的精確性達到100%，較好地解決了漏電引起的超級跳閘問題。

4）電壓智能波動識別技術是防止電路中電壓發生波動引起的超級跳閘。三位一體供電防越級跳閘監控系統通過加載電壓波動保護模塊與防越級跳閘欠壓識別模塊對電壓波動造成的超級跳閘進行限制，保證了開關系統的可靠性。

5）根據智能連跳及拒動定位技術設計的開關拒動防越級跳閘時通過網絡識別、拒動定位等技術自動識別和組建開關上級的聯動計劃，實現了切除線路中故障線路的可行性，將故障造成的影響降到最低，同時可以將拒動信息及時的報警，便于快速解決問題。

6）對開關的異常進行及時的檢測，由于開關發生異常造成的事故常有發生，且發生故障總是難以發現。所以本文加入了開關異常檢測系統，當系統檢測到開關動作異常會及時進行報警，進行報警檢修，有效的檢測了開關動作異常，降低了系統發生故障的幾率。

7）系統具有供電方式的自我識別及適應功能，可以有效地識別及適應母線分列運行、并列運行及其他供電方式，保障了越級跳閘的可靠性。同時三位一體供電防越級跳閘監控系統可以在地表面對地下的繼電器保護值進行整定，避免井下人員由于工作失誤而影響供電性能。

2.3 系統的現場應用效果

在2017 年某礦發生巷道的片幫，碎石導致移動變電站的電纜發生損壞，發生相接短路。發生事故后電路的電流過大超過2 300 A，但是移動變電站給采區35 號開關箱的整定值只有400 A。而30 號高壓開關箱的總控開關整定值為1 200 A，采區上級變電所的開關速斷整定值1 600 A，所以此級的電路速斷整定值全部小于短路電流2 300 A，系統防越級跳閘系統開啟，僅在本段的35 號開關箱速斷跳閘，本級開關箱的總開關機上一級的開關均未出現跳閘。充分驗證了設計系統的可行性。

3 結語

根據煤礦供電出現的越級跳閘故障的原因，設計了三位一體供電防越級跳閘監控系統，有效地解決了煤礦超級跳閘現象，實現了開關設定值的遠程整定，實現了變電所的無人化監管，為煤礦供電的安全奠定基礎。