礦井供電系統防越級跳閘的應用

安徽理工大學 錢張康

文章簡要討論礦井供電系統的越級跳閘問題，防越級跳閘方案以及應用中的注意事項。

引言：隨著時代的進步，電力的發展尤為迅速。我國以火力發電為主，煤礦的開采必不可少。擁有一個安全穩定的供電系統對于礦井作業是極為重要的，本文簡要討論了礦井供電系統中常出現的越級跳閘的問題，防越級跳閘的具體方案以及該技術在實際應用中的注意事項。

1 礦井作業出現的越級跳閘事故的原因

煤炭事業的發展總是伴隨著不少事故災難。礦井作業環境十分惡劣，井中道路狹窄以及常年潮濕的空氣環境，使得礦井供電系統設備，線路更容易氧化漏電，甚至有頻繁的短路事故，導致大面積停電.其次我國礦井供電系統大多采用的是復雜的供電線路極短，延伸級數多的多級輻射狀的供電網絡。這種復雜的電力線網絡使得各線路的短路電流非常接近，只要一處發生短路，此處的短路電流就會以最短的時間急速上升至幾千安培。這種情況便會超出各級保護的動作電流，使得各級靈敏度紊亂。假使上級速斷保護的靈敏度高于本保護，那么上級保護優先做出動作，提前本保護跳閘，導致越級跳閘。如果短路電流因為某些干擾因素而突破幾萬安培，嚴重的極有可能導致礦井中供電系統的總閘跳開，使得井下作業全面癱瘓。

礦井短路電流分析：

在礦井作業中，由于環境惡劣，經常出現的短路導致產生的短路電流數值很大。所以計算短路電流值對電力系統分析來說是一件不可缺少的環節。這里以位處宜興地區的5-2煤盤區為例進行簡要說明。針對此礦井供電系統運行狀態的分析，首先要計算出短路電流，短路全電流等基本要素。這里要注意的是，一般情況下電氣設備以及載流導體的熱穩定性是通過短路全電流的最大有效值來衡量的。以某機構提供的信息，甲礦井是110kv的變電站，母線電壓也為110kv，計算母線的總阻抗（這里使用標幺值計算）：

因此可以利用本礦井變電站母線短路電流26.99kA以及該電廠的母線短路電流16.57KA來計算短路電流。35KV供電線長度、基準容量以及基準電壓依次取值為3千米、100MVA，平均電壓。短路電流計算結果如表1所示。

經過簡要分析，礦井供電系統超載跳閘有多種原因。1）礦井中供電系統的線路分布的不合理，短路保護整定不易。由于較短的供電線路，供電系統首末端短路電流差幾乎為零，并且電力線路中電流的變化相對平緩，這就使得繼電保護的范圍減小。速斷保護不能正確作用，進而出現上級速斷動作更快而導致的越級跳閘（肖立強,王曄,閏葉俊.煤礦井下高壓電網越級跳閘的原因及防治措施[J].煤礦現代化,2010,6(3):31）。2）礦井中供電系統的開關分配不合理。礦井作業中經常產生易燃易爆的瓦斯等氣體，因此安裝了高壓防爆開關。防爆開關的動作時間與繼電保護裝置的動作時間及其固有動作時間密切相關。礦井中，潮濕的環境會延遲高壓防爆開關本身固有的動作時間，因此，當發生短路事故時，地下防爆開關的移動速度比地面高壓防爆開關慢，從而導致礦井供電系統的越級跳閘（戶守巖.煤礦井下高壓電網越級跳閘防治措施[J].山東煤炭科技,2016(8):112-113）。

表1 短路電流計算結果

2 防越級跳閘電路基本原理簡述

（1）現今礦井防越級跳閘系統線路的設計，正常都是嚴格按照IEc61850 G00sE國際規約進行安排的。信息傳遞上針對以往傳輸通道進行改進，采取IEC 61850 GOOSE技術完成以太網IEc 61850 IEC6187、5、104、隔爆交換機、工業以太網、地面監控、監控，保護系統之間的信息傳遞工作。由于礦井中環境惡劣，礦井中的保護設備會定期維護更換，當出現保護效果更好的新設備，礦井中的保護裝置全部都會立即被替換掉。裝置與所有交換機的信息傳遞全部通過礦井中鋪設的電纜線路完成，利用電纜線路傳遞信息的快速準確性，保護裝置與地面的交換機可以第一時間完成信息交流，極大的減少短路故障時信息采集時間和處理時間，這使得距離故障點最近的保護裝置可以最快速度做出反應，切斷故障線路，盡可能地相對擴充上級保護所需要的延遲時間，避開越級跳閘。

（2）有信息采集就離不開信息采集后的數據分析，礦井供電系統中針對電路的網絡結構主要采用評估法。當電路某線路發生故障時，通過分析保護裝置與交換機之間的傳遞信息，以及各級保護開關的狀態，估算出故障線路的原因與具體線路位置，保證距離故障點最近的保護設備快速切斷故障線路，幾乎無時差的解決故障帶來的問題，保護礦井供電系統正常線路的穩定運行。由于保護設置的零時差保護，防越級跳閘系統更加及時準確。如圖2所示，防越級跳閘系統由網絡交換機、電纜線路、聯縱差保護器結構組成。該系統中各級的縱差保護器的差動通訊時直接連在一起的，簡單，有效的構成信息交流網。在通過網絡交換機，光纜等元件的連接，構成完整的信息交流縱差環狀網絡。針對網絡的運行狀況，通常情況下通過監控通訊網絡對地面交換機的電力調度要求，達到礦井供電系統的實時監控（劉躍.防越級跳閘技術在煤礦供電系統的應用[J].能源與節能,2017）。

（3）供電系統中繼電保護拋棄了傳統的過電流速斷保護系統，采用多使用集中式的保護方法，將電網絡中的各種信息集中傳遞到地面的控制系統中，并且添加了差動保護彌補過電流速斷保護的空缺，形成了一種新型的主保護體系。該體系通過保護檢測裝置，利用地面主機的差動保護，實現保護系統的零時差動作，達到縱差保護的目的（劉躍.防越級跳閘技術在煤礦供電系統的應用[J].能源與節能,2017）。

圖1 防越級跳閘系統組成圖

3 礦井供電系統防越級跳閘的方案分析

（1）礦井供電系統線路分布合理化。針對礦井供電系統中排水閥等場所，使用單獨的電源或雙回路電源。所以當電源線短路時，另一個供電回路可以立即啟動，以降低地下大停電的可能性。提高礦井供電系統的安全性和穩定性。

（2）礦井供電系統開關合理化分配。針對高雅防爆開關的延遲問題，改造高雅保護器，使傳統的電流三段保護發揮應有的作用，動作時間控制在毫秒單位，而且可以在0到3秒范圍內隨意調節。

（3）礦井供電系統速斷方案合理化。為了供電系統更加穩定安全，可以安裝微機綜合保護裝置。當線路某處發生短路，短路點上各級保護接收到短路信號，下級并沒有短路電流流過，下級保護不發出短路信號。短路鎖定信號連接至上位 微機綜合保護裝置的輸入端，直接阻斷上位開關快斷功能，防止其立即跳閘。而靠近短路點的一級開關因為下一級沒有發出短路信息而不被閉鎖，從而速斷，切除故障電路，防止越級跳閘的發生（戶守巖.煤礦井下高壓電網越級跳閘防治措施[J].山東煤炭科技,2016(8):112-113）。

4 防越級跳閘實際應用中的注意事項

在預防越級跳閘過程中要嚴格遵守以下幾點：1)礦井電力系統中任何保護裝置都必須經過國家部門檢驗合格，滿足井下防爆的標準；2）保護裝置以及電力線路分配合理，不能集中分配于一處，分離散開安置，提高安全系數，減小危險因素；3)提高礦井中的防爆裝置、保護裝置以及通訊裝置的抗干擾能力，盡可能優化井下環境，減少干擾因素；4）在設計時，防越級跳閘裝置應要有完整的故障波形記錄以及分析能力，要求準確性高，抗干擾能力強。

5 總結

我國礦井作業環境惡劣，空氣潮濕，且極易產生易燃易爆氣體，為了提高中國煤礦作業的安全，礦井供電系統的穩定性。應進一步提高防越級跳閘的靈敏性，可靠性，速動性，加強實時監測。