煤礦高壓電網越級跳閘問題及處理措施研究

謝傳立

（兗州煤業股份有限公司東灘煤礦，山東鄒城 273512）

0 引言

礦井工作環境復雜，供電系統較易出現故障，常見的故障有單相接地故障、相間短路故障等。煤礦高壓電網故障會造成越級跳閘，防越級跳閘系統能有效解決這一問題，還能滿足煤礦高壓電網對可靠性、經濟性的要求。礦井電網經常應用短電纜組成多級的供電系統，在下級線路出現短路的情況下會形成較大電流，就形成了越級跳閘。引起越級跳閘的原因比較多，只有充分分析這些因素，才能實施有效的處理措施。

1 評價和分析煤礦電網的意義

基于煤礦電網的發展，其結構缺少合理性，因此故障防范水平較低，這不利于電網運行的穩定和安全，也加重了供電運行管理者的工作負擔，如持續擴容之后的系統導致電網具備復雜結構、難以處理故障、難以整定繼電保護、難以分析事故因素等。此外，一部分煤礦供電系統還存在高低壓越級跳閘事故、短路故障導致線路出現調整事故、接地故障無選擇性跳閘事故等。為了與電網的快速發展相適應，安全管理務必由傳統管理轉變為現代化管理，安全工作需要由事后處理轉變為過程控制，切實注重預防，明確危險因素和薄弱之處，確保胸有成竹，實時采取處理措施。不少煤礦企業的供電系統存在安全隱患，需要將其在萌芽時期杜絕。為此，非常有必要評價和分析煤礦供電高壓電網供電系統尤其是越級跳閘的現象，這樣才能夠保障煤礦企業生產的安全性。

2 煤礦高壓電網越級跳閘的后果

越級跳閘指的是礦井出現電力故障的情況下，切除故障經由保護整定優先跳閘的斷路器進行，然而因為故障問題通過上級變電所斷路器跳閘而對故障進行切除的跳閘動作。出現越級跳閘會導致范圍較大的上級變電所或者是采區停電現象，這非常不利于礦井生產的進行。倘若水泵以及風井發生斷電的情況，那么將會造成礦井積存廢水和聚集瓦斯，從而使瓦斯爆炸的風險提升，這會嚴重損壞設備、危險人身安全，甚至會使礦井整體損毀，導致嚴重的后果。

3 煤礦高壓電網越級跳閘的因素

結合實地調研、信息資料以及筆者自身的實際經驗，下面分析煤礦高壓電網越級跳閘的影響因素。

3.1 未適當布置礦井供電線路

結合電路分析能夠明確，在供電線路非常長的情況下，比較大的短路電流差值會形成于供電系統的末端與開端，以及線路電流存在陡峭變化的情況，繼電保護之范圍較廣。對于較短的供電線路情況下，其末端以及開端的短路電流差基本是零，以及線路電流的改變比較平緩，這樣繼電保護具備比較狹小的范圍。因為煤礦開采比較特殊，礦井的供電網絡多數是比較短的多段電纜線路，這造成顯著的短路電流差值不存在于電路系統上下級間，從而使繼電保護的范圍顯著縮小，設置的速斷保護難以體現。在應用過程中，如果下一級的電路出現短路的情況，并且形成的短路電流都在上下級繼電保護的范圍當中，那么速斷設備將會被啟動，使上級的速斷設備具備更加迅速的動作，進而形成越級跳閘。

3.2 未合理配置礦井供電開關

礦井生產過程中會形成易爆易燃的瓦斯等氣體，以安全性作為視角，需要礦井將高壓防爆開關應用于供電系統中。并且，應根據礦井的產量以及電能荷載實時更換高壓防爆開關，然而這樣一來，難以有效地配合地面變電所的供電裝置。繼電保護設備動作時間會影響當前礦井應用的高壓防爆開關的動作時間。而應用電流互感器對電磁的感知即是確定了繼電保護設備的動作時間，因為各電流互感器存在不一致的磁化曲線，所以造成其缺少較高的保護準確性，保護整定值跟動作值的誤差存在。此外，礦井環境的潮濕因素不利于高壓防爆開關靈敏性的提升，使開關動作時間存在延遲的情況，在發生短路的情況下，地面高壓開關的動作要明顯快于礦井高壓防爆開關，這樣就形成了越級跳閘現象。

3.3 不科學的供電速斷方案

0.5s 的級差階梯存在于上下級是速斷保護的原則，即與上級速斷保護設備相比較，下級速斷保護設備動作時間會明顯地提升0.5 s。然而，對于煤礦企業的生產過程而言，其主要目標主要有兩個：一是迅速解決電路系統存在的故障；二是倘若0.5 s的級差被速斷保護設備所應用，那么電纜的消耗將不斷增加，從而增加煤礦的投入，也不利于提高供電安全系數和電纜管理的容易度。有鑒于此，通常設置上下級電流速斷保護設備時間級差的值為0 s，這樣在煤礦供電系統電路出現故障時，導致越級跳閘的情況。

3.4 不合理的礦井供電欠電壓釋放保護回路

礦井生產條件復雜化，也應用非常多的電機，需要的啟動電流值往往較大。對于一部分規模較大的綜采工作面而言，為了實現采煤效率的提升，不斷提升機械化應用水平，應用不少功率較大的綜采裝置，以及都安置于供電線末端位置上。在進行啟動的時候，末端電壓迅速減小，這樣一來末端斷路器電壓會比較低，從而導致斷路器的跳閘以及閉鎖現象形成，如此的現象屬于斷路器誤動作范疇。這樣會使地面位置上的變電所母線三相電壓明顯減小，不利于母線位置上其他電機的順利運行。為了使母線恢復，需要同時啟動很多臺功率比較大的電機，這樣會導致啟動地面線路過荷載保護，那么在進行延時之后，就形成了越級跳閘的現象。

4 煤礦高壓電網越級跳閘處理措施

針對煤礦開采實際存在的高壓電網越級跳閘問題，可以采取下面的一些處理措施。

4.1 選用適宜的高壓防爆開關

在開采煤礦時，由于工作環境較為復雜，造成經常損壞高壓防爆開關。因此，應時常更換高壓防爆開關，在進行更換時選擇匹配的開關。需要確保礦井開關與地面供電所開關的互相匹配，這樣才能夠在礦井復雜的環境中降低短路現象，進而有效降低煤礦高壓電網越級跳閘的出現次數。

4.2 選用雙回路供電或單獨的供電方式

在供電方式的選擇上，應使用雙回路供電或單獨的供電，這樣如果其中一個回路暫停運行，那么另外一個回路還可以供電。然而在供電時，由于環形供電倒閘具備較為復雜的構造，因此能夠使環形供電級數減少，也能降低越級跳閘的頻率。在礦井工作過程中，還存在一種停電的情況，在停電出現時，一個電源集中了全部的荷載，太大的荷載也會造成越級跳閘。鑒于此，需要將雙回路供電設置在關鍵荷載（瓦斯抽泵站、通風機等）處，從而很好地防范越級跳閘現象。

4.3 科學制定礦井供電的速斷措施

為了確保礦井供電安全，應在確保選擇性的前提條件下，盡量縮短速斷保護設備上下級的時間級差。而智能化微機保護裝置的科學應用，能夠做到這一點，并且可以實現延時準確性的大大提升。相關實踐研究證實，為了確保防爆開關動作時間的選擇性，應達到至少100 ms 的時間級差。因此，結合微機保護設備設計為100～300 ms 的防爆開關速斷動作以及限時速斷的時間級差，而上下級過電流保護裝置的時間級差是100～200 ms。這樣，最后一級防爆開關安裝速斷保護設備與過電流保護設備時間后的延時時間是100～200 ms，明顯少于以往的0.5 s，不但使系統的穩定性與安全性提升，而且可以更加敏捷地切斷電路故障。此外，作為智能變電站的一種衍生系統，防越級跳閘系統有利于礦井作業一體化、安全化、高效性的開展，為打開礦底層提供共享數據。其運行的根本在于給變電站配置線實施差動保護的功效，以及可以對故障區的一系列相關信息進行自動判斷和反饋，基于智能電網系統推動升級為高級數字化的變電站構造，從而共享整個礦區的信息，很好地防范越級斷電和無選擇性漏電等，結合此系統能夠加速升級軟件系統的功能，從而實現系統抗干擾性和可兼容性的提升。

4.4 確保具備合理的礦井供電欠電壓保護回路

對礦井欠電壓釋放保護回路低電壓動作值進行調整，將延時增加于欠電壓回路上，以使限時電壓保護形成。通常設置礦井欠電壓釋放保護回路低電壓動作值是額定電壓的60%～70%，為了防止直接啟動供電線路末端的大功率電動機造成斷路器的誤動作，能夠整定礦井供電線路最末端級別的欠電壓動作值為額定電壓的60%～70%，再分別對母線欠電壓動作值進行整定。當今礦井的高壓防爆柜欠電壓釋放保護不存在時間制約，出現欠壓情況下能夠迅速切斷電路，導致誤動作。在全面兼顧增加欠電壓釋放保護回路的時限以及電流速斷保護設備動作時間基礎上，能夠整改低電壓速斷保護為限時電壓保護，配合應用電流速斷保護?？梢栽黾忧冯妷横尫疟Ｗo回路時限，在直流線圈的單相全波整流完成之后，將并聯的電容失壓之后放電延時返回。結合如此手段，能夠增加至少500 ms 的欠電壓釋放保護回路時限，便于操作、應用安全。

5 結束語

基于持續提升礦井生產的自動化水平，煤礦供電發展的一個方向和趨勢是數字化變電站技術，其非常有助于礦井供電系統運行的穩定和安全。然而，越級跳閘現象依舊是影響煤礦安全供電的一個技術性難題。為此，供電管理技術人員需要有效把握礦井供電系統的特點以及結構，進一步分析當今煤礦新型防越級跳閘供電技術的發展問題，確保合理規劃、適當統籌，防患于未然。這樣才能很好地防范越級跳閘故障，保障礦井供電系統運行的穩定與安全。