井下防越级跳闸技术的研究与应用

符晓

【摘要】越级跳闸是影响煤矿供电系统安全、稳定运行的主要因素之一，针对矿井电网普遍存在的越级跳闸问题，提出通过综合保护装置的专用防越级跳闸通信接口及专用通信网络，采用线路光纤差动保护技术及基于网络智能识别的保护技术，解决矿井电网的继电保护越级跳闸问题，并在最短的时间内准确、安全的消除故障，避免越级跳闸，对于实现煤矿供电系统和生产设备的全面自动化监控具有重要的指导作用。

【关键词】越级跳闸；供电系统；综合保护装置；通信；自动化；应用

引言

随着煤炭工业的快速发展，矿井电网的规模也越来越大，各种重装备、新设备的不断投入，使矿井电网的运行环境更为复杂。因而，矿井电网的可靠运行对于井下安全、高效开采具有重要意义。由于煤矿特殊的生产环境，受矿井供电负荷增长、供电距离延伸及井下多级供电结构的特殊性等因素的影响，井下电网基本不能应用传统的三段式电流保护，而只能使用速断、过电流两段电流保护作为井下电网的主保护和后备保护，以致电网保护系统的选择性和灵敏性不能兼顾，当系统出现短路故障时，造成继电保护越级跳闸，影响井下电网的供电可靠性。越级跳闸不仅造成井下区域性的停电事故，更影响矿井各大系统的正常运行，如通风系统、运输系统等，威胁着井下的安全生产和从业人员的人身安全。因此，研究井下防越级跳闸技术对于保障矿井安全生产和提高煤炭行业效益具有重要意义。

1、越级跳闸原因分析

由于井下环境较为复杂，造成井下越级跳闸事故的因素较多，主要有继电保护方式原因、短路电流值较大、开关机构配置不当、电压波动和电气干扰等。

1.1继电保护方式原因。电力行业常用的三段式过流保护方法并不适用于煤矿供电系统，而煤矿井下使用的逐段延时跳闸的时间级差整定方法存在较多问题，该方法级数多、短路保护动作耗时较长，当发生过流事故时，开关会同时启动跳闸功能，造成上级开关越级跳闸。现有的纵差保护方法一般适用于长距离线路的短路保护，煤矿供电系统不仅需要保护变电所电源线路不发生越级跳闸，更需要在支路发生短路故障时避免总开关越级跳闸，造成其他非故障支路停电，而纵差保护不适用于煤矿供电系统一条进线多支路的情况，不能避免支路故障时总开关越级跳闸。

1.2短路电流值较大。由于煤矿供电系统的线路长度普遍较短，线路的电阻值小，出现了始端和终端电流差值较小的现象，由于上、下级的短路电流很难区分，速断保护范围基本为零，此时速断保护作用不大。当系统发生短路故障时，短路电流值超过上级开关所设设置的最大电流值会导致上、下级保护同时启动，甚至上级抢先动作而造成越级跳闸。

1.3开关机构配置不当。随着煤矿产量的不断提高和负荷的不断增加，煤矿井下所选用的高压防爆开关也在不断的更换，因此在选型上很难做到与地而变电所的供电设备合理配合。煤矿井下目前使用的高压防爆开关动作时间由两部分组成，一部分为继电保护装置的动作时间，包括采样时间、单片机的处理时间以及继电器信号输出时间；另一部分为高压防爆开关的同有动作时间，包括跳闸电磁铁的动作时间、跳闸机构动作时间和真空断路器动作时间。由于井下环境潮湿，很容易造成高压防爆开关机构卡涩、不灵活，以至于增加开关的固有动作时间，加之开关质量不佳、机构复杂、部件较多容易出现机构动作不灵敏的现象，造成当发生短路故障时，地面的高压开关柜动作快于井下的高压防爆开关，造成了井下越级跳闸现象。

1.4电压波动和电气干扰。煤矿电气设备运行环境潮湿，空间狭小，目前煤矿使用变频器、软启动器等非线性设备较多，电网中的谐波、浪涌等干扰，会通过电源和通信线路干扰保护器的工作，目前煤矿开关的保护器抗干擾和电磁兼容性设计不完善，抗干扰能力差，多数没有经过国家级的电磁兼容检验，外界干扰极易造成保护器的误动跳闸，保护器对外的干扰输出也会造成同一线路上的保护器误动跳闸，这是造成突发越级跳闸的主要原因之一。同时，由于供电系统扰动、大设备启动、雷击干扰、接地等原因都会造成供电系统瞬时电压波动，当瞬时电压波动范围低于额定电压65%，由于失压脱扣器的动作特性，系统中的开关失压保护动作跳闸，造成不确定位置的开关跳闸。

2、矿井防越级跳闸技术的应用

2.1矿井防越级跳闸技术。为了解决井下越级跳闸问题，通过综合保护装置的专用防越级跳闸通信接口及专用通信网络，采用线路光纤差动保护技术及基于网络智能识别的保护技术，解决矿井电网的继电保护越级跳闸问题。为实现试验系统的继电保护选择性动作，保护装置设计专用的防越级跳闸光纤通信接口，采用光纤差动保护和基于网络智能识别的保护技术实现继电保护的选择性动作。该防越级跳闸技术应具有高实时性，采用专用的保护通信网络传递保护故障信息，实现系统故障定位。防越级跳闸技术利用综保设备间的信息联系简单、可靠的解决常规矿井供电中普遍存在的“故障越级跳闸、操作越级跳闸、失压群跳”等严重影响供电安全的问题，通过先定位后隔离手段缩小事故情况下的停电范围。防越级跳闸的关键技术之一是矿井的防越级跳闸网络建设，安装于煤矿井下高压防爆柜中的保护终端必须具备高速光纤数据通信接口，采用光纤网络通信技术，通过上下级保护间的信息快速交互，实现故障定位，满足保护选择性及速动性要求，保护技术基于电流、时间、网络互操作等要素综合分析，实现故障定位，起到防止越级跳闸的功能，减小故障时的停电范围。在开关设备出现故障导致开关拒动时可实现逐级快速后备保护，简化保护配置，消除保护死区，电网中的所有保护装置均设置为零时限，防越级跳闸系统网络必须保证实时可靠性，不能影响保护固有性能。保护终端需配置完善的功能，在防越级跳闸网络未建成或光纤通信中断时不影响系统的安全运行。防越级跳闸网络可实时在线监视，在网络故障时通过电力监控接口实现故障报警。

2.2防越级跳闸技术展望。考虑到继电保护系统传输快速性的要求，按照数字化变电站建设网络的要求，在同一个井下变电所内保护终端与防越级通信服务器采用点对点光纤通信，变电所间的保护信息交互可以借用环网设备敷设的光缆中的备用光纤芯进行数据交互，在环网设备光缆建设时需要充分考虑系统扩展的需求。此外，防越级跳闸技术还需采用新型可靠的选择性漏电保护原理，自适应中性点不接地或者经过消弧线圈接地方式，实现漏电保护的可靠动作，解决由于漏电保护功能不可靠影响矿井电网的供电可靠性的问题；井下防爆柜采用可靠的后备电源系统，实现失压保护的准确动作，防止系统电压瞬变时出现的失压群跳现象，确保系统失压、近端故障时能可靠断开开关并完成与监控平台的信息交换。

3、结论

综合保护装置的专用防越级跳闸通信接口及专用通信网络，采用线路光纤差动保护技术及基于网络智能识别的保护技术，能在最短的时间内选择出系统内的故障，并切除故障线路，有效解决了目前煤矿常出现的越级跳闸的现象，保证了煤矿供电系统的安全性、可靠性、经济性，具有显著的社会效益和经济效益。

参考文献

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