常村煤礦變電所防越級跳閘系統設計與應用 *

劉棟升

(潞安化工常村煤礦電力科，山西 屯留 046100)

0 引 言

煤炭資源需求量的增加，使煤礦井下作業工作量較大，對煤礦井下供電系統的工作穩定性提出了更高的要求[1]。煤礦井下供電系統沿巷道掘進方向存在多級供電開關，由于井下供電系統使用的線纜阻抗數值不大，各級開關之間的短路電流極為接近，保護整定極為困難[2-3]。常規的供電保護系統普遍存在動作慢、參數調整難和可靠性差等問題，經常出現供電保護系統誤動作和越級跳閘情況，不僅導致煤礦井下大范圍停電事故，還會增加煤炭企業的供電系統運行維護成本，造成較大的經濟損失，必須引起高度重視[4-6]。

常村煤礦N3采區1#變電所近兩年在井下供電時經常出現越級跳閘事故，極大的限制了企業煤炭產量的提高，并且極大的增大了煤炭開采成本，亟待解決其越級跳閘問題。因此針對常村煤礦N3采區1#主變電所供電系統經常出現越級跳閘故障的問題，開展防越級跳閘系統設計與應用工作具有重要意義。

1 越級跳閘常見原因

常村煤礦N3采區1#變電所供電系統較為復雜、供電級數較多，各變電所之間使用的連接線纜線芯為同材質，阻抗較小，最近的輸電線纜近相距300 m，根據常村煤礦N3采區1#主變電所供電系統的實際情況，不考慮供電設備的故障因素，總結得出引起越級跳閘的原因包括以下幾種。

1.1 短路速斷保護整定值不合理

井下供電系統出現越級跳閘的主要原因是上下級變電所之間的短路電流較為接近，一旦發生短路故障，就是出現上下級變電所速斷保護均會動作。以地面35 kV變電站和井下主變電所為例，各級的母線短路時的電流大小分別為6.2 kA、5.4 kA、5.3 kA，基于此設置的短路速斷保護整定值十分接近，一旦末端電路出現短路，各個短路速斷保護系統均已達到跳閘限值，無法保證最末級斷路器動作，越級跳閘現象便會發生。

1.2 變電所間時間級差無法配合

相關供電管理部門規定，煤礦井下供電系統使用斷路器的最大動作延時在0.8～1 s之間，若微機綜合保護裝置所用斷路器動作時間為0.2 s的話，那么煤礦所用的35 kV變電站6 kV出線側過電流保護的延時最大值為0.4 s，極大的限制了煤礦井下供電系統延時時間。依然以地面35 kV變電站→井下變電所為例，其供電線路中存在35 kV變電站6 kV饋線斷路器、井下主變電所6 kV進線斷路器、井下主變電所6 kV饋線斷路器等3級開關，出現短路保護動作的時間極為接近，僅僅采用時間級差的方法難以避免出現越級跳閘情況。

1.3 運行方式影響選擇性

煤礦供電系統饋線保護方式常常采用三段式，在較長的輸電線路具有較大的阻抗，首尾兩端出現短路時的電流差別較大，相鄰短路保護整定值區別明顯，短路保護效果較好。但是，井下供電系統往往輸電線路不長，線纜自身阻值較小，收尾兩端短路電流相差無幾，按尾部最大負荷情況計算得出的短路電流整定值較小，靈敏度較低，較小負荷運行時的速斷保護有效，較大負荷運行時的短路電流將會滿足多級開關的動作條件，不可避免出現越級跳閘情況。

2 井下主變電所防越級跳閘系統配置設計

2.1 防越級跳閘系統組成

常村煤礦N3采區1#主變電所內部設置有16臺隔爆高壓真空配電保護裝置，每臺裝置內部均有微機綜合保護裝置。變電所內部供電線路中設置2臺短路閉鎖控制器，其主要作用是完成各段母線上所帶隔爆高壓真空配電裝置的閉鎖信號，井下主變電所防越級跳閘系統如圖1所示。

圖1 井下主變電所防越級跳閘系統

2.2 防越級跳閘系統工作原理

井下主變電所防越級跳閘系統中，編號為HV1～HV7和HV9的隔爆高壓真空配電保護裝置連接在一根母線，HV8為進線柜；編號為HV11～HV16的隔爆高壓真空配電保護裝置連接在另一根母線，HV10為進線柜。HV1～HV7和HV9隔爆高壓真空配電保護裝置的短路閉鎖信號與短路閉鎖控制器1相連，運行時輸出的短路閉鎖信號控制HV8進線柜的電流速斷功能的啟停。HV8進線柜短路閉鎖信號經由短路閉鎖控制器1和110 kV變電站10 kV I段母線的短路閉鎖控制器自帶了光電轉換接口，實現閉鎖上級饋線開關的電流速斷功能。HV11～HV16隔爆高壓真空配電裝置的短路閉鎖信號實現防越級跳閘功能的實現與HV1～HV7和HV9隔爆高壓真空配電裝置的工作原理一樣，此處不再贅述。

3 閉鎖邏輯關系

3.1 閉鎖保護流程

井下主變電所防越級跳閘系統設計基于電流速斷區域閉鎖法完成，其具體的閉鎖流程如圖2所示。系統啟動之后進入初始化環節，然后由微機綜合保護裝置內置短路電流檢測裝置進行供電線路電流數據的實時采集，一旦檢測得到供電線路存在短路情況，電流值將會迅速增大，立即進入電流信號比對程序，得出電流數值是否超過設置完成的整定值。

圖2電流速斷區域閉鎖流程

但供電線路中的實際短路電流大于設定整定值時，即可判定供電線路出現了短路故障，微機綜合保護裝置發出跳閘信號，即可切斷故障線路，與此同時，發出短路閉鎖信號到閉鎖控制器，閉鎖母線進線開關，閉鎖信號繼續上傳至上級變電所饋線柜，實現逐級閉鎖。短路電流采集模塊不間斷的采集檢測電流，當主回路中的短路電流消失之后即可判定故障線路已被切斷，若較大的短路電流一直存在，則表明本級開關柜未動作，短路電流采集模塊閉鎖信號解除；上級開關跳閘回路閉鎖信號解除可正常跳閘，切除故障線路。

3.2 短路閉鎖控制器配置及動作過程

以常村煤礦N3采區1#主變電所為例，介紹電流速斷區域閉鎖法具體配置及工作流程。煤礦井下主變電所高壓供電系統運行為單母線分段方式，兩組回路的電源均來自地面6 kV開閉所6 kV母線。變電所內布置2臺短路閉鎖控制器，分別控制兩組回路電源線路的短路電流采集和閉鎖信號發送動作，具體的防越級跳閘系統閉鎖示意圖見圖3。若煤礦井下供電系統主變電所的HV7柜下端出線某處短路時，主變電所短路點的上級開關均有短路電流經過，短路閉鎖控制器檢測得到較大短路電流時，發出短路信號和閉鎖信號，優先斷開HV7柜的供電線路，避免出現越級跳閘問題。

圖3 防越級跳閘系統閉鎖示意圖

4 應用效果評價

為了驗證防越級跳閘系統的設計效果，將其應用于常村煤礦N3采區1#主變電所供電系統進行防越級跳閘試驗，對系統實際運行情況進行了為期半年的跟蹤記錄。結果表明，防越級跳閘系統運行穩定可靠，滿足供電系統防越級跳閘功能要求。統計結果現顯示，供電系統運行半年內出現跳閘故障10余次，均未出現越級跳閘情況。相關專業人士估計，防越級跳閘系統的應用，降低了近12%采區供電系統的運行維護成本，提高了近15%的井下用電設備利用率，預計將為煤炭企業新增經濟效益近200萬/年，取得了很好的應用效果。

5 結 語

井下供電系統作為煤炭用電采掘設備正常工作的基礎，其工作的安全性和穩定性至關重要。針對常村煤礦N3采區1#主變電所供電系統經常出現越級跳閘故障的問題，分析了越級跳閘故障產生的可能原因，開展了防越級跳閘系統設計工作。應用結果表明，防越級跳閘系統運行穩定可靠，解決了井下供電系統越級跳閘問題。常村煤礦N3采區1#主變電所供電防越級跳閘系統的應用，降低了近12%采區供電系統的運行維護成本，提高了近15%的井下用電設備利用率，為企業新增經濟效益近200萬/年。