防越級跳閘保護技術在煤礦供配電網中的應用

李 捷

（大同煤礦集團王村煤業，山西 大同037000）

0 引 言

近年來,煤礦開采的資金投入加大，煤礦安全問題得到有效緩解。但煤礦供電系統仍然會出現故障，停電事故的發生導致煤礦生產延誤，造成經濟損失，甚至大面積停電威脅井下工作人員的安全。為此，需要開展電力系統防“越級跳閘”的問題研究，排除線路故障的發生，保證礦井的安全生產。

本文結合王村煤礦供電系統情況，對當前繼電器保護引發的跳閘進行分析和研究，總結出解決跳閘的技術方案，分析該設計方案的組成和原理，并開展試驗研究，對于防止越級跳閘具有良好效果，對于煤礦井下電力系統的跳閘防護起到良好的效果。

1 越級跳閘原因分析

1.1 階段式過電流保護

當前，煤礦供電系統對用電安全的保護方式未繼電保護，即采用階段式電流保護[1]。其對電力系統電流的保護分為三階段式，包括過電流保護、限時快速熔斷、零時限速熔斷。在電力系統中，不同部位采取的保護方式不同。終端電路需要過電流保護和電流速斷保護；源進出線需要定限時速斷保護和零時限速斷保護，不同的保護共同作用，使電力系統正常工作。

圖1 限電流保護分級定時熔斷時限圖

1.2 煤礦電力系統保護分析。

王村煤礦電壓35 kV 變電所6 kV 線路采用三段式過電流保護，零時限速斷保護在電力系統I 段，該段線路依據電流最大值設計。如圖1 中DL-2 保護大于母線端C 最大短路電流，提高電力系統可靠性，采用可靠的電流熔斷裝置；電力系統II 段采用限速斷保護，使得電力系統的全部系統可以得到保護，電流值設定為最小短路電流系數，可以保護電流系統安全。根據用電部門安全使用要求，動作時需要小于6kV 總開關，為了避免大面積停電故障，影響礦井安全正常生產；電力系統III 段為過電流保護，用于最大負荷電流保護，保證電力系統正常工作，需要通過各個電力保護部分的結合來實現。

在電力保護過程中，王村煤礦井下變電所進行設計改進，高壓饋出線路過流方式為兩段式保護。煤礦井下環境復雜，生產要求獨特，電力系統的管理也有較高的要求。發生電力故障時，需要能夠快速切斷，減少生產損失，避免人員傷害。電力系統的保護主要是零時限速斷保護,電力系統的另外保護方式為過電流保護。主要的保護方式多是為了避免“越級跳閘”的發生，維護電力系統正常工作。

2 防越級跳閘的系統

2.1 針對該問題的解決方案

對于電力系統而言，礦井下和地面形成一個高速的電網系統，自動化接入了不同子系統，信息的傳輸速度快、效率高，能夠適應現代煤礦企業的生產，信息的干擾也較少。針對這種情況的通信傳輸，需要采用先進的方案才能開展問題的解決，提高生產效率和降低失誤的發生，具體方案如下：

1）引進智能網絡繼電保護方法。針對煤礦井下電力系統，設計一種能夠短路閉鎖的跳閘裝置，采用煤礦井下的高速光纖作為通訊方式，進行電力系統監測和繼電器保護。該裝置與電力系統的保護裝置形成“互鎖保護”功能，對電力系統的保護更加全面，能夠避免井下故障的出現。電力系統出現故障，距離其最近的開關跳閘，形成切斷保護，當電流較大時，產生越級跳閘。故障部位在越級跳閘發生前提示工作人員開展檢修，從而可以保證電力系統正常。

2）采用失壓延時保護技術。電力系統中，采用智能保護可以使得系統具有備用電源，為了使得電力系統正常工作，需要通過內部釋放線圈帶電或者控制欠壓帶電。為了躲避電壓波動，針對跳閘過程開展避免措施，更好的保護煤礦井下電力系統，采用失壓延時技術。保證短路系統可以及時修復，系統能夠減少故障時間。

2.2 系統設計

結合王村煤礦供電現場情況,為減少電力系統運行成本,需要改進新的方式。保護裝置的反應速度要快，信息在傳輸中盡量避免延時，及時發現問題，提高保護措施的有效性，采用了2 種數據信式：

1）對于一個變電所而言，當2 個不同的保護裝置較近時，可以采用雙絞線硬導線方式直接相連。這樣的連接方式不僅節約電力運行成本，而且能提高故障出現時的數據傳輸速度。

2）當2 個不同的保護裝置較遠時，不能采用雙絞線連接，此時可以依靠以太網實現數據傳輸，在以太網上建立信號關聯，使得2 個不同的保護裝置通過以太網的連接實現數據的及時傳遞，從而對電力系統的保護具有積極促進的作用。

2.1.2 田間生長性狀 由表2看出，播期因素中，出苗率各處理表現為P4>P3>P2>P5>P1，越冬率P5明顯低于其他處理。分蘗成穗率各處理均較低，其中P1明顯高于其他處理，表明早播能夠提高分蘗成穗率。P5處理由于最高莖數低(分蘗少)造成分蘗成穗率高于P2、P3及P4，冬前莖蘗及返青莖數表現為隨播期推遲而降低趨勢。分析認為，P4播期處理綜合表現較好。密度因素中，基本苗、穗數和株高隨密度增大而增大，出苗率呈下降趨勢；各處理越冬率表現為D5>D4>D2>D1>D3,分蘗成穗率表現為D1>D3>D5>D2>D4。結合出苗率、分蘗成穗率分析認為，D3、D4密度處理綜合表現較好。

2.3 系統組成

對于電力系統而言，防越級跳閘系統的組成較為復雜，主要由智能保護模塊、變電所監控分站、失壓延時模塊、短路閉鎖控制器、地面監控部分組成。不同的結構具有的功能不同，各自的功能共同保護電力系統運行。

1）智能保護模塊。該部位根據電力系統中數據及時調整，采用智能化的方式保護運行。

2）通信監控分站。對煤礦井下電力系統各部分是否正常進行監控，并收集監控數據，傳遞給主站。

3）失壓延時模塊。當電力系統出現電壓降低時，防止系統故障蔓延導致跳閘，采用欠壓線圈供電。

4）短路閉鎖控制器。當電力系統出現短路，該設備關閉上級開關，避免越級跳閘。

5）地面監控部分。煤礦井下環境復雜，對于電力系統的監控必不可少，該模塊對于正常工作和故障的電力系統均可實現在線實時監控。

6）隔爆型攝像儀。煤礦井下環境惡劣，有時會出現瓦斯爆炸等極端情況，采用防爆型攝像儀可以抵御復雜環境，并開展實時監控。

該系統具有多種應用功能，能夠保證煤礦井下電力系統不出現跳閘情況，也可作為繼電保護，同時含有監控功能，對于煤礦電力系統的安全具有極大的保障。

3 系統工作原理

當煤礦井下電力系統出現短路，短路電流通過開關，短路故障點由較大電流通過，多種保護設備開展保護，進行電流的封閉或線路斷開，保證電力系統不會出現更大的故障，甚至造成安全隱患。

出現故障的線路，在防越級跳閘系統中每個裝置都對電力的保護具有重要作用，紡織上級電流進入下一級，從而維護電力系統穩定，使得電力系統不能動作跳閘。短路故障開關遇到短路信號電流，切斷線路，保護其他部分，從而不會導致電流持續增大。當短路故障修復完成，電流在電路中的流通恢復，上一級開關啟動后，在合理的延時時間內，電力系統工作更持久，性能更好，一般延時30～100 ms 后，短路被切除，防止故障蔓延，用于后面電路的保護。因此，這種方法具有保護后備電路和切除故障的優點，能夠快速恢復電力系統的正常工作。

為了更好的分析，選擇某一供電回路，其防越級跳閘結構圖見圖2。

圖2 煤礦井下防越級跳閘結構圖

對于該防越級跳閘系統來說，其含有多個變電所，即中央變電所和其他變電所。工作原理如下：當井下變電所出現短路故障，故障點發生在d1 位置，8、1、7、5#開關流通的電流未受到影響。8#開關保護裝置獲得短路電流信息，電流信息被傳遞到短路閉鎖控制器，該控制器傳遞給7#總開關信號，閉鎖其速斷保護，保護線路。同理，7#開關將數據信號傳遞給5#開關，然后5#開關快速熔斷。

當電路出現故障時，防跳閘系統中的開關接收到電流信號，啟動保護裝置，對電力系統進行保護，切斷故障電路，防止故障蔓延和造成更大的損失。在故障發生時，如8 開關出現失效，7 開關在規定的時間內會進行故障的排除，并保證開關正常使用。在短路中，不同的設備在特殊條件下會產生放電效應，配合保護電力系統正常工作，提供井下作業的電力保障，有利于生產安全。

4 防越級跳閘應用實例

4.1 應用概況

王村煤礦供電體系主要分為2 個較大的部分，即煤礦地面部分和煤礦井下部分。防越級跳閘保護器是一種新型的保護裝備，本次設計采用的型號未ZBT-11c 分布式，能夠有效進行煤礦井下電力保護。對煤礦井下的電力系統進行保護，需要了解該電力系統的結構圖，分析故障原因，找到避免跳閘的條件，才能開展電力系統的保護工作，保證電力系統正常工作，電力系統結構圖見圖3。

圖3 電力系統結構圖

由圖3 可知，該電力系統包括控制中心、服務器、以太網、變電所等重要部分。保護電力系統，上下級母線都起到重要作用，明確不同線路關系，開展有效保護。當一條線路啟動保護，采集的數據信息通過以太網快速傳輸，設備在接收到信息后，做出打開閉鎖保護的動作。同時，被采集的數據傳輸到上級，然后繼續升級，該事件有嚴格的確定范圍，一般保證在10～30ms；從出現故障，到線路保護，電力系統能夠解決不必要的故障，從而保證傳輸信息，才能進行閉鎖保護。

4.2 防越級跳閘試驗

該型號的保護裝置用于電力系統中，保護效果如何需要進行試驗驗證。對于ZBT-11C 防越級跳閘保護器的保護效果進行試驗。選擇的試驗未驗證是否存在故障，測得數據如表1 所示。

表1 各級保護動作情況記錄表

圖4 防越級系統測試模擬系統主接線圖

電力系統出現故障后，短路電流值可達圖1 中A的位置，不同的變電區域呈現的不同。東采區3#變電所3#水泵高開的電流較大，可以短時間內達到400 A，東采3#變電所02#高開的電流更大，為800 A，中央變10#高開02#線電流最大，為1 800 A，該部分的電流低于保護電流的大小。

對于煤礦東采區3#變電所來說，位置02#高開10#和2#高開、428 開關工作仍然能夠保持穩定，監測結果顯示未出現跳閘故障。說明防越級跳閘對于電力系統故障導致的跳閘能夠起到阻止作用，避免跳閘的發生。僅東采區3#變電所10#高出現短路保護，電力系統未出現跳閘，試驗結果驗證了所設計的電力保護系統。

5 結 論

本文對煤礦井下電力系統進行分析，介紹防跳閘系統的組成原理，設計一種系統期待保護電力系統，并開展防越級跳閘試驗，結果顯示，設計的系統能夠減少跳閘的發生，避免礦井大面積停電，有利于保證安全用電，促進煤礦生產安全。