防越級跳閘技術在煤礦供電系統中的應用

田 麗

（晉能控股煤業集團挖金灣煤業公司，山西 大同 037000）

挖金灣煤業公司在該礦原供電系統的基礎上，設計并應用“防越級跳閘”系統[1-5]，分析、研究由當前繼電器引發跳閘的原因，提出防越級跳閘系統設計。通過實際應用，有效解決了挖金灣煤礦井下供電系統越級跳閘的問題，取得較好的效果。

1 越級跳閘原因分析

1.1 階段過電流保護

煤礦供電系統的保護方式為階段式過電流保護，即傳統繼電保護方式[1]。該保護方式分三個階段動作：第一、第二階段為零時限速斷保護及限時速斷保護，主要應用在源進出線；第三階段為過電流保護，主要應用在電路終端。

因井下供電系統線路短而復雜，限時速斷保護主要通過兩級時間差配合動作，設定下級線路限時電路速斷保護時間為0 s，上一級電路熔斷保護時間為0.4～0.6 s，通常取0.5 s，通過該時間差實現限時速斷功能。另外，限時速斷保護通過流整定值配合，與兩級時間差配合共同作用，保證系統具有選擇性及靈敏性，杜絕系統出現故障。限時速斷保護示意圖如圖1。

圖1 限時速斷保護示意圖

1.2 礦井供電系統保護分析

挖金灣煤礦地面設有35 kV 變電所，配套安裝6 kV 線路，采用三個階段式電流保護。其中Ⅰ段按最大承受電流值進行設計，安裝零時限速斷保護，如圖1 中DL-1 保護電流較源進線短路電流大，提高供電系統的可靠性；Ⅱ段按最小短路電流值進行設計，安裝限時速斷保護，對整個供電系統及其電流系統進行保護；Ⅲ段按6 kV 線路最大負荷電流設計，安裝過電流保護，避免出現大面積停電事故，保證供電系統正常工作及礦井的安全生產。

挖金灣煤礦結合井下環境、生產需要及供電系統高標準的要求，在井下變電所高壓線路安裝兩段式保護。主要采用零時限速斷保護，通過快速切斷功能，減少生產延時，保證作業人員安全。其次采用過電流保護，兩種保護共同作用，切實避免系統出現越級跳閘現象，保證其安全可靠運行。

2 防越級跳閘系統設計

2.1 解決方案

結合電力系統實際條件，地面和井下供電系統及其子系統呈高速、一體化的運行體系，信息受干擾程度低且傳遞速度快，以此為基礎，確定采用以下兩個具體方案，提高工作效率，預防故障的發生。

（1）實現繼電器保護智能化。以高速光纖傳送信號，采用對短路具備閉鎖功能的跳閘裝置。該裝置與原保護裝置配合，實現相互閉鎖保護，更全面地對電力系統進行保護。當系統出現故障時，距離故障處最近的開關動作，出現跳閘，形成切斷保護；當線路電流達到限值時，系統將產生越級跳閘，在越級跳閘前，故障信號通過光纖傳遞至監測系統，工作人員及時對故障進行處理，保證系統正常運行。

（2）實現系統失壓延時技術。電力系統具備雙源熱備，為保證電力系統正常工作，一方面是電力系統內部釋放線圈，使線圈帶電；另一方面是對欠壓帶電進行控制。同時，通過采取措施避免電壓波動，保證供電系統及時修復短路問題，提高處理故障效率。

2.2 系統設計

為使解決方案順利實施，必須保證保護裝置及跳閘裝置的反應靈敏性，同時實現信號無延時傳輸。采用兩種通訊方式：

（1）對于一個變電所內兩個距離近的保護裝置，使用雙絞線連接，既降低了材料投入，又提高了故障信息的傳輸速度。

（2）對于兩個距離較遠的保護裝置，采用雙絞線連接無法滿足信息傳輸需要時，對兩個裝置建立信號關聯，利用以太網進行連接，確保信息傳輸的及時性，極大提高供電系統的保護功能。

2.3 系統組成

防越級跳閘系統由智能保護模塊、通信監控站、地面監控及隔爆型攝像儀等六大結構組成，六大結構功能各異，共同保證供電系統正常運行。六大結構應用功能見表1。

表1 六大結構應用功能表

由表1 可知，防越級跳閘系統六大結構共同作用，發揮繼電保護基礎功能，杜絕井下供電系統出現越級跳閘現象，同時對供電系統實現實時監控，保障供電系統的安全。

3 系統工作原理

當井下供電系統發生短路，出現較大電流通過故障點及開關，則多種保護裝置啟動，切斷線路或者封閉電流，保證其他非短路區域正常工作，避免產生安全隱患。

系統的每個裝置，對于故障線路均發揮保護作用，通過切斷線路或者封閉電流，使供電系統不出現越級跳閘，保證供電系統穩定運行。當短路信號電流經過開關時，開關跳閘，切斷線路，保護下一級供電系統，防止電流持續增大。當處理完短路故障，電流恢復流通，啟動上一級開關，供電系統在延時40～90 ms 確認短路被切除后，恢復供電系統工作，延時啟動既保護后備電路，又保證供電系統的性能及持久性。防越級跳閘結構示意圖如圖2。

如圖2所示，系統中含地面變電所、中央變電所、采區變電所及其他變電所。假設d1位置出現短路故障，則流通8#、7#、5#開關的電流正常，未受到影響。短路電流信息依次被傳遞到8#開關保護裝置、短路閉鎖控制器及7#總開關，閉鎖7#開關速斷保護，保護線路正常供電。同理，5#開關獲得7#開關傳遞的信息后，閉鎖5#開關速斷保護。由此可知，當故障發生時，開關獲得信息后保護裝置啟動，切斷故障電路，防止故障蔓延，避免對電力系統造成進一步的損失。電路出現故障時，若8#開關失效，7#開關判斷8#開關傳遞的信息后排除故障，確保開關正常工作。電路出現短路時，在特殊條件下，系統中的不同設備將產生放電效應，維持供電系統正常運行，為安全生產提供電力保障。

圖2 防越級跳閘結構示意圖

4 應用效果分析

4.1 應用情況

挖金灣煤礦供電系統主要由井下及地面兩部分組成。本次防越級跳閘設計采用ZBT-11C 分布式保護器，該保護器為一種新型裝備，對井下電力系統的保護效果顯著。在開展該項工作之前，需了解、掌握電力系統的架構，確定防止跳閘的條件，進一步分析故障出現的原因，使得電力系統正常運行。電力結構架構圖如圖3。

圖3 電力系統架構圖

由圖3 可知，該系統主要由變電所、以太網、控制中心等部分組成。在電力系統中，上下級母線明確不同線路之間的關系，有效保護電力系統。當一條線路保護裝置啟動，設備通過以太網接收保護裝置信息。設備接收信息后，閉鎖本級保護裝置，同時，信息繼續向上級傳遞且升級。如線路出現故障，電力系統在5～25 ms 內啟動線路保護裝置，保證了正常的信息傳輸，實現閉鎖保護的目的。防越級系統主接線如圖4。

圖4 防越級系統主接線圖

4.2 防越級跳閘試驗效果分析

針對本次設計的ZBT-11C 分布式保護器進行試驗驗證其保護效果。各級保護動作情況見表2。

表2 各級開關動作記錄表

供電系統出現短路故障后，短路電流可流通至圖4 中A 位置，不同區域的短路電流值不同。如在東采區3#變電所，3#水泵高爆開關流通的短路電流在極短的時間內達到400 A，02#高爆開關達到800 A，中央變電所10#高爆開關最大電流達到1800 A，均低于保護電流值。通過監測發現，3#變電所內僅10#高壓開關出現短路保護，其中428#開關、02#高爆開關及10#高爆開關仍能穩定工作，未發生跳閘故障。說明當電力系統出現故障時，防越級跳閘系統能阻止跳閘的發生，試驗結果證明防越級跳閘系統設計的科學性、合理性及實用性。

5 結論

（1）挖金灣煤礦通過對井下供電系統階段式過電流保護方式進行分析，制定以實現繼電器保護智能化及采用系統失壓延時技術為核心的解決方案，確定了防越級跳閘系統設計、結構及工作原理，并進行了防越級跳閘試驗。實踐證明，當供電系統出現短路后，系統保護裝置啟動，切斷線路或者封閉電流，輔助以失壓延時技術，切實杜絕越級跳閘現象的發生，維持供電系統正常運行。

（2）通過應用防越級跳閘系統，礦井越級跳閘事故較去年同期減少90%，避免大面積停電事故的發生，為安全生產提供電力保障。挖金灣煤礦成功研究及應用了防越級跳閘系統，為其他類似條件下礦井提供了理論、實踐依據及一定的借鑒意義。