煤礦井下供電防越級跳閘系統的研究與應用

梁紅平 LIANG Hong-ping

（上海大屯能源股份有限公司龍東煤礦，徐州 221600）

1 概述

煤礦供電系統是礦井安全生產的重要組成部分。隨著龍東煤礦服務年限的延長，采煤工作面向井下大巷遠距離延伸，供電系統從地面35kV 變電所到井下-285 水平中央變電所、各采區變電所以及工作面移動配電點之間多采用如圖1 所示垂直供電模式。這種供電模式電氣距離短，線路始端和末端發生短路故障時流過的電流往往相差小，當某一處短路時能導致井下多級開關同時跳閘，進而引發大面積停電事故。一旦發生大面積停電事故，不僅影響礦井正常生產，還威脅井下施工人員的生命安全。

圖1 井下高壓供電系統圖

針對這種情況，龍東煤礦結合現有井下供電監控系統，以安全、可靠和經濟為原則，通過研究分析，建立一套井下供電防越級跳閘系統，確保礦井安全生產。

2 煤礦供電防越級跳閘解決方案現狀

目前國內成熟的供電防越級跳閘解決案例不多，大都在理論研究階段，提出的解決方案有以下幾種：

2.1 接點閉鎖的短路保護

接點閉鎖的短路保護是當煤礦井下出現短路故障時，同一電源線上各級保護均啟動，下級保護在本級啟動的同時通過繼電器接點向上級保護發送閉鎖信號，屏蔽上級保護不出口。該原理邏輯簡單，通過逐級閉鎖一定程度上可以實現瞬時速斷和保護選擇性，達到防止越級跳閘的目的，但在實際生產應用中卻很難達到預期效果。首先在復雜電磁環境下，繼電器接點本身可靠性低; 尤其井下供電網絡級數較多時，繼電器接點傳輸距離變長，閉鎖回路接線復雜，電磁環境下傳輸可靠性大幅度降低。其次需要敷設大量閉鎖信號電纜，投資大，維護量大，且電纜容易被破壞，可靠性差。最后，該方案缺乏完善的自檢功能，信號電纜出現故障時不能及時發現和報警，檢修維護困難，因此該方式可用性較差。

2.2 光纖縱差保護

光纖縱差保護技術是在各級變電所級聯供電線路之間配置光纖縱差保護，利用光纖通信將輸電線路兩端的電流幅值及相位信息通過專用的光纖網絡傳送到對端進行比較，判斷本線路范圍內是否發生短路故障，線路外部故障時縱差保護不動作，內部故障時光纖縱差保護動作。該保護原理簡單明了，上下級配電線路的保護測控裝置動作電流值不需要相互配合，技術成熟，能快速可靠的切除故障，但存在以下缺點:

①煤礦井下供電網絡存在T 型接線等方式，一路電源故障時另一路電源要能夠接入全部負載，供電網絡發生變化時，縱差保護很難適應。

②光纖縱差需要接入保護范圍內的全部差流，復雜電網結構使得光纖縱差配置非常繁雜，系統擴展性能差，應用場合受到限制。

③開關拒動時需要依靠后備延時保護切除故障，由于后備延時無法階梯整定，所以很容易引起多級開關同時跳閘，擴大停電范圍。

④需要敷設單獨的差動通信光纜，投資大，維護量大，獨立光纜容易被破壞，可靠性差。

因此該保護實用性不強。

2.3 集控式保護

集控式保護需要在每個變電所安裝獨立的集中式電流保護分站，不同變電所的分站通過光纖連接，分站與變電所內的綜合保護裝置都建立通信聯系，當某條線路出現故障時，各分站收集保護裝置檢測到的故障信息，根據線路級聯關系確定故障級后，對故障級綜合保護裝置發出跳閘指令，實現故障的有選擇性切除。該保護原理清晰，由分站集中判別故障并下達跳閘指令，一定程度上可以實現瞬時速斷和保護選擇性，達到防越級跳閘目的，但存在以下缺點：

①一旦分站網絡中斷或分站故障，會使整個區域防越級保護判別失效，引起越級跳閘。

②適應性差，后期維護成本高，如分站區域內供電網絡變化時，需要重新設置分站的線路級聯關系模型和防越級判別邏輯，分站更新程序不但存在安全隱患，而且還受制于分站廠家，增加維護成本。

③需加裝獨立的防越級分站或集中式電流保護分站，成本高，維護量大，可靠性低。

④光纖接頭多，熔接困難，系統后期維護困難。

因此該方式可實施性較差。

2.4 基于KXJ100B 閉鎖控制器的短路保護

通常煤礦井下供電線路的上下級開關短路保護延時都為零，沒有時間差，短路故障發生時，在故障點與電源之間的所有保護控制器都會流過較大的短路電流，保護控制器本身不具備判別自己是否離故障點最近的能力，因此容易導致越級跳閘。針對此問題，一種基于KXJ100B 閉鎖控制器的短路保護新技術具有選擇性，該技術以龍東煤礦現有的井下供電監控系統為基礎，將變電所實時跳閘信號用于傳送閉鎖信號，實現煤礦井下供電系統故障的選擇性跳閘。該方案結合現有的供電監控系統，具有便于實現、抗干擾能力強、可靠性高、成本低等優點。

2.5 “三位一體”供電防越級跳閘技術

“三位一體”是指從線路短路、接地和電壓波動三方面入手避免供電越級跳閘現象發生。該技術將防越級網絡與光纖環網融為一體，采用網絡智能識別保護方式，防越級網絡不容易被破壞，可靠性高，能真正做到全方位防止供電越級跳閘，但該技術涉及發明專利技術，需要將現有的高低壓開關保護裝置全部更換成專利廠家的保護裝置，具有施工周期長，投資成本高的特點。

綜上所述，考慮安全、可靠和經濟性后，最終龍東煤礦選擇建立一套基于KXJ100B 閉鎖控制器的井下供電防越級跳閘系統。

3 基于KXJ100B 閉鎖控制器的防越級跳閘原理

在開關綜合保護裝置中內置短路電流采集模塊，采用邏輯閉鎖實現短路防越級跳閘保護功能，故障識別時間小于10ms，動作時間小于35ms，最大支持防越級級數為十二級。當線路某處短路時，短路點的所有上級開關都通過短路電流，開關綜合保護裝置可以接收來自下級開關的閉鎖信息，也可以自己發送信息閉鎖上級開關。距離短路點最近的開關會瞬動并發出閉鎖信號，通過KXJ100B 閉鎖控制器的傳輸，它的上級開關會根據接收的信號計算需要閉鎖的延時時間，同時向上級發出閉鎖信息，上級開關順延閉鎖。

短路點的下級開關不通過短路電流，開關內的短路電流采集模塊檢測不到短路電流，則不會發出閉鎖信號，不閉鎖上一級開關的短路保護功能。這樣，只有最靠近短路點的一級開關因下級開關不發出短路閉鎖信號而不被閉鎖，使之短路跳閘，切斷短路線路。短路線路切斷后，短路電流消失，各級開關信號返回，解除閉鎖功能。

當最靠近短路點的上方的一級開關因故障拒動跳閘時，它的上一級開關保護器延時（閉鎖延時功能）一個固有跳閘時間（50～100ms，根據開關斷路器跳閘速度決定），延時到時后，上一級開關跳閘，切除短路電路，作為下級開關的后備保護。從而既切除了短路電路，使供電線路得到了保護，又避免了越級跳閘。

4 KXJ100B 閉鎖控制器結構特征與工作原理

4.1 外形結構圖

4.2 主要結構特征

閉鎖控制器的外觀尺寸及結構如圖2 所示，上蓋出廠時已經用螺絲固定，箱門上有一個矩形觀察窗，通過矩形觀察窗可觀察到液晶顯示屏的顯示內容和電源及輸入輸出的狀態指示。外殼上共裝有20 個出線嘴，供輸入、輸出電纜引線用。

圖2 閉鎖控制器的外觀尺寸及結構

4.3 工作原理

閉鎖控制器主要由閉鎖控制板、轉換板，顯示板、開關電源、尾纖盒、電源開關等部分組成。閉鎖控制器將接收到的閉鎖信號處理后輸出，實現閉鎖電信號和閉鎖光信號之間相互轉換，具有狀態指示和故障信息遠傳功能。

5 系統組成

防越級跳閘系統主要由四個部分構成，即地面監控系統、信號傳輸分站、KXJ100B 閉鎖控制器、開關保護裝置。其中開關綜合保護裝置安裝在高壓開關內，替換原有的保護裝置，信號傳輸分站替換原有的集控分站，KXJ100B 閉鎖控制器安裝在井下各變電所，一主一備兩套監控系統布置在地面監控室。

6 系統安裝

①安裝前分別將信號傳輸分站、閉鎖控制器運輸到井下各變電所。

②提前批好停電報告，將需要安裝調試的高壓開關停電。停電前，將高壓開關合分閘數次，確認開關合分閘功能正常。

③待停電十分鐘后，將開關前門打開，拉出小車，閉鎖掛牌。

④打開開關后腔蓋，操作人員必須穿絕緣靴、戴絕緣手套對所有停電設備進行停電、驗電、放電、掛接地線。

⑤將開關內的綜合保護裝置拆下，換上GZB-ARM-9112 智能型高壓綜合保護裝置，新老保護裝置外部接線插頭通用，不需另外改線。同時，對信號傳輸分站和閉鎖控制器進行接線。

⑥將開關的閉鎖控制線和通訊線通過小喇叭口接到JHH6 隔爆接線盒，在從接線盒分別引出到分站和閉鎖控制器。

⑦接線完畢后，檢查接線是否正確和完好。

⑧將分站和閉鎖控制器蓋板蓋上，并上緊螺絲。

⑨將開關后蓋蓋板蓋上，并上緊螺絲。

⑩將開關前門蓋上關閉，閉鎖桿退出，合上隔離小車，通過箱體兩側的觀察窗觀察小車是否到位，主觸頭是否接觸完好。

?按開關的合閘按鈕，開關合閘，觀察保護器顯示是否正常。

?通過箱門按鈕設置開關參數。

?分別將分站和閉鎖控制器送電，觀察顯示是否正常。

?調試開關的通訊是否正常，并試驗開關合分閘。

?調試完畢后，將分站和井下變電所交換機連接，調試通訊是否正常。

?井下調試完畢，設備均運行正常后，在地面工控機上安裝好監控系統，確認開關狀態和電氣參數正確無誤。

7 試驗及應用情況

7.1 試驗情況

在不影響生產和不對井下供電網絡產生有害沖擊的情況下，選擇在井下變電所的分開關和其上級總開關之間進行試驗。分開關負荷平均啟動電流為60A，總開關為本段總開關，本段其它均為備用開關，滿足試驗條件。

試驗分三種方式，每種方式測試三次。

第一種：防越級跳閘系統退出，分開關狀態良好，給予分開關大于整定值的啟動電流，測試是否發生越級跳閘。

表1 第一種方式試驗情況表

第二種：防越級跳閘系統投入，分開關狀態良好，給予分開關大于整定值的啟動電流，測試是否發生越級跳閘。

表2 第二種方式試驗情況表

第三種：防越級跳閘系統投入，分開關無法分閘故障，給予分開關大于整定值的啟動電流，測試上級是否延時跳閘。

表3 第三種方式試驗情況表

試驗結論：滿足龍東煤礦井下供電防越級跳閘要求。

7.2 應用情況

該系統自2020 年8 月建成投運以來，運行穩定，通訊正常，具有監控系統基本的五遙功能，采集的供電參數、模擬量、開關量、故障數據、錄波數據準確，滿足龍東煤礦井下供電防越級跳閘和安全生產的要求。截至2021 年12月，已成功為龍東煤礦避免了2 次井下大面積停電事故，大大提高了礦井供電系統的安全可靠性，目前該技術方案已推廣至中煤集團大屯礦區其它三個礦。

8 結語

通過對基于KXJ100B 閉鎖控制器的井下供電防越級跳閘系統應用分析，可知該系統安全、可靠，投資少。符合最新版《煤礦安全規程》和煤礦供電防越級跳閘系統技術標準，滿足煤礦安全生產的要求，有效解決了龍東煤礦存在的供電短路越級跳閘問題，具有較高的推廣應用價值。