煤礦供電井下越級跳閘原因分析與解決思路

張晉平

（山西潞安集團　潞寧煤業有限責任公司，山西 寧武 036700）

煤礦供電井下越級跳閘原因分析與解決思路

張晉平

（山西潞安集團潞寧煤業有限責任公司，山西 寧武 036700）

摘要：通過對煤礦供電系統特點與越級跳閘現象原因分析，提出了采用線路光纖差動保護、采用同一變電所進出線開關閉鎖功能、建設或將現有的變電站改造為智能化數字變電站的方法，并對三種方法進行了比較，提出解決煤礦供電系統存在的越級跳閘問題，除要根據具體情況選擇適當的方案外，提高工作人員的業務素質、規范整定、加強管理、保證設備狀態良好都是防止越級跳閘的基礎性工作。

關鍵詞：光纖差動保護；閉鎖；數字變電站；越級跳閘

目前大部分煤礦供電是采用從地面35 kV降壓站以10 kV高壓電纜向煤礦井下供電，井下設各級變電所。供電系統，見圖1。

圖1 供電系統圖

在煤礦這種典型的供電系統中，時常發生末級線路或用電設備發生短路故障時，工作面配電點或采區變電所開關不動作跳閘，出現水平變電所開關、中央變電所開關，甚至35 kV降壓站的高壓開關全部或部分同時動作跳閘的現象，使停電范圍擴大，進一步影響煤礦的安全與生產。由此可見，對這種影響礦井安全供電、安全生產的跳閘現象，即越級跳閘進行分析并提出相應解決思路、方法很有必要。

1　原因分析

1.1保護裝置的設置不合理、主保護定值配合困難

煤礦10 kV供電系統以短路保護為主保護，按相關要求，國內繼電保護裝置的短路保護動作時間不大于0.2 s，這就造成了地面降壓站的開關設備和井下高爆開關在動作時限配合困難。

按煤礦規程的規定，速斷保護作為供電系統的主保護，要求配備，但線路短、速斷電流大且定值相近，難以區分是造成該類保護越級跳閘的主要原因。

CT變比選擇與短路電流大小不匹配，電流互感器飽而使保護裝置難以正確檢測出短路電流。

1.2定值整定不嚴謹

原有的保護煤礦整定規范在電壓等級、設備參數、保護裝置靈敏性等方面已落后于煤礦供電系統的發展現狀，規范的缺失導致了管理水平參差不齊。

煤礦生產的實際情況是隨著采掘工作面變化，負荷與供電結構的變化也相應頻繁，這就會導致保護定值的計算與調整工作量增加，而目前的狀況是大部分煤礦由于對保護整定重要性認識上的不足和專業人員業務素質、責任感有待提高，再加上手工計算與人工校驗的繁瑣，經常性導致相關工作不到位。為增加靈敏性，有些電氣工作人員通常會將作為主保護的速斷保護按躲過最大負荷電流或啟動電流整定，造成整定值比實際的短路電流要小的多，發生短路后上級沿線開關保護均啟動，導致越級跳閘現象的發生。

1.3設備干擾

系統內變頻設備、軟啟動設備及自動化設備的增多也導致諧波等不利的干擾增多。

1.4漏電保護難以比較

各支路零序電流只能根據自身情況進行判斷，無法實現與其它支路及上級支路進行比較判斷。

2　解決的思路方法

2.1采用線路光纖差動保護

將光纖縱聯差動保護作為變電所間連接電纜的主要保護，過流保護作為后備保護。差動保護原理圖，見圖2。

圖2　差動保護原理圖

縱差保護的保護區是被保護設備兩端的CT之間，不需考慮與其它域外設備保護定值的匹配，當任一相差動電流大于差流速斷定值時，瞬時動作跳閘。隨著微機保護技術和光纖傳播技術的發展，使的差動保護應用于電纜線路與架空線路，并快速而準確地切除故障成為現實。

目前市場上使用的光纖差動保護裝置，平均動作時間小于25ms。在動作和制動判據方面也逐步合理和成熟，從而有效地保證了動作的可靠性和準確性。裝置通常都具有通道鑒別功能，能及時發現光纖通道故障并發出信號，閉鎖差動保護；同時啟動以短路為主保護的常規保護系統，自動鑒別到通道正常后，通信恢復，光纖差動保護將自動投入。另外，保護裝置的CT斷線判別、交流采樣回路自檢功能也進一步保證了動作的可靠性。

2.2采用同一變電所進出線開關閉鎖功能

圖3為由開關閉鎖功能組成的防越級跳閘系統示意圖。

圖3 閉鎖防越級跳閘結構圖

各變電所各出線開關與進線開關之間均設置通信通道，當出線開關檢測到故障信息時，在約10 ms內輸出閉鎖控制信號至相應的進線開關，對進線開關的速斷功能進行閉鎖，同時啟動本出線開關的速斷跳閘功能迅速切除故障。當進線開關收到出線開關送來的閉鎖信號時，閉鎖本開關的速斷跳閘保護，防止越級跳閘現象的發生。通過設置毫秒級的短延時，進線開關仍檢測到故障的存在時（表示相應的出線開關速斷保護或開關機構拒動），即刻啟動速斷功能切除故障。

2.3建設或將現有的變電站改造為智能化數字變電站

智能化數子變電站是在智能化的一、二次設備及網絡化的二次設備的硬件基礎上，用標準通信協議建立的三層結構網絡，包括間隔層智能保護裝置組成的光纖網絡、光傳輸接口設備在內的光纖以太網、工業以太網。這種智能型的變電站能實現故障錄波、遠程配置保護模塊、修改定值、電能質量分析等功能。間隔層智能裝置將采集到的數據通過光纖網絡上送給礦用光傳輸接口設備，再合并打包后送至位于地面控制中心的保護主機，將模擬量及開關量全部集中到地面控制室的集成保護測控裝置上，通訊距離能達到40 km。在集成保護測控裝置內實現全站數據共享，并可以對系統內的任何設備，根據需要隨意選擇需要的數據進行保護配置。

對井下各變電所電源進線電纜配置差動保護護作為主保護，變電所各段母線配置差動保護和小電流接地選線功能。基于全站網絡數據共享的數字化變電站防越級系統軟件方面通常都具有CT飽和識別技術，能很好的解決由于CT飽和造成的保護誤動問題［1-2］。

在這種智能型的系統中，井下開關內的保護裝置應具備完善的就地保護功能，光纖網絡通訊中斷或工作不正常時，就地保護裝置能自動啟用以速斷作為主保護的常規保護功能，與遠后備保護共同構成了系統的多重保護。

3　方案比較

線路光纖差動保護組成的防越級跳閘系統其優點是改造簡單，能防止因非變電所電源線路故障導致越級跳閘現象。缺點是母線無法配置保護，要靠后備保護來完成對母線的保護；漏電故障還須由就地開關本身的漏電保護裝置無比較、無選擇的完成，造成開關誤動可能性增加。

開關閉鎖功能組成的防越級跳閘系統，上下級開關不需要保護定值嚴格配合；在變電所的進出線開關間，能避免漏電、短路造成的越級跳閘現象；母線無保護，要靠后備保護來完成，單一使用此種方法有一定的局限性。

基于全站網絡數據共享的數字化變電站技術的防越級跳閘系統，實現了保護和測控系統的全數字化，保護配置靈活，能徹底解決煤礦因短路和漏電造成越級跳閘問題。但投資大，需要建立專用的光纖網絡。

綜上所述，要治理煤礦供電系統的越級跳閘問題，除了要根據具體情況選擇一種或二種結合的適當方案外，相關電氣工作人員提高業務素質、規范整定，單位加強管理，保證設備狀態良好，重視諧波治理，都是防止越級跳閘基礎性工作。

4　應用實例

前文明煤業位于忻州寧武縣境內，設計年產90萬t的中小型煤礦，井下供電系統結構較為簡單，主要由地面變電站10 kV開關9103和9203開關經MYJV22－8.7/103×120 mm210 kV電纜1 370 m送饋電至井下中央變電所。中央變電所除就近饋電給3臺主水泵和相關局部通風設備用電源外，還由9302和9402開關通過兩條長度為84 m的MYPTJ-8.7/103×70mm2電纜饋電至井下采區變電所，組成采區配電系統；由9304和9404開關通過兩條長度為970m的MYPTJ-8.7/103×70mm2電纜饋電至井下牽引變電所，組成牽引配電系統，見圖4。

圖4前文明井下10 kV供電系統圖

根據統計，從2011年4 月-2013年6月之間，前文明礦發生越級跳閘現象5次，其中有2次造成主通風機短時間停止運行。考慮到礦井供電系統的規模和投資的大小，在對市場上的相關產品進行實地考察后，決定選擇在9103至 9301開關、9203至 9401開關、9302至9501開關、9402至9601開關、9304至9701開關、9404至9702開關之間的6回路電纜裝設線路光纖差動保護，替代原有的速斷保護作為線路的主保護，以保證上級變電所至下級變電所的電源出線開關不會因為保護區域外的短路故障而發生跳閘；同時在各井下變電所進出線開關之間采用開關閉鎖功能組成的防越級跳閘系統。

本次系統改造，從方案制定到改造完成在盡可能減小對生產影響的前提下，用時近20 d，投資近40萬元，經估算，約為采用智能化數子變電站基礎上組建的防越級跳閘系統投資的八分之一，費用主要用來更換各井下高開內的保護設備和購置光纖通訊裝置。

效果方面，改造完成至2015年3月，采區配電系統9503開關饋出線路發生短路故障2次，而短路電流值已超出9302開關的原整定值；井下牽引配電系統9707開關因所帶下級牽引電機堵轉一次，均未造成上級開關跳閘現象的發生。

參考文獻：

［1］褚曉銳，鄭發平.電力系統繼電保護技術［M］.北京：水利出版社，2013.

［2］賀全榮，車世安.局域網組建、管理及維護實用教程［M］.北京：清華大學出版社，2009.

（編輯：武曉平）

中圖分類號：TD611

文獻標識碼：A

文章編號：1672-5050（2016）03-070-04

DO I：10.3969/j.cnki.issn1672-5050sxmt.2016.06.021

收稿日期：2016-03-11

作者簡介：張晉平（1969-），男，山西長治人，大學專科，助理工程師，從事供電管理工作。

Cause Analysis and Solutions of Override Trip in Underground Power Supp ly in M ines

ZHANG Jinping
（Luning Coal Co.，Ltd.，Lu'an Group，Ningwu 036700，China）

Abstract：On the analysis of underground power supply system and causes of override trip，the paper proposes three solutions：optical differential protection，inlet-outlet interlocking in the same substation，and the construction or transformation ofan intelligentdigitalsubstation.By comparison of the three solutions，the study proposes that，in addition of an appropriate plan on the specific condition，we should strengthen foundationalwork，including improving staffs'professional quality，setting standards，reinforcingmanagement，and ensuring equipment in good condition，to prevent the override trip accidents

Keywords：opticaldifferentialprotection；interlocking；digitalsubstation；override trip