矿井高压电网防越级跳闸技术研究

曹敏行

(同煤集团 王村煤业公司，山西 大同 037000)

1 研究背景

王村煤业公司矿井井下供电系统电源引自乔村35 kV变电站，地面8回路(西风井通风机2回路；主井配电室2回路；副井提升机2回路；副井空压机房2回路)，井下4回路(罐底变电所2回路；东盘区一变电所2回路)，均为双回路供电。东盘区二变电所2回路供电线路来自东盘区第一变电所。

就矿井供电现状而言，从井上至井下不同采区变电所之间大多存在供电线路较短，采用多级变电所进行串联供电的现象，该供配电网络实际供电距离相对较短，易出现较大的短路电流。因各级供电网络首端短路电流与末端短路电流不会有太大差距，如果仍采用传统继电保护模式进行保护作业，则整定工作就会相对较困难，加之存在过多的供电级数，准确整定时间级差也很困难，因此，当电网出现短路故障时便易发生供电系统越级跳闸现象，而该故障的发生会严重影响到矿井通风设备、排水设备、采掘设备以及运输设备的正常运行，进而会对矿井的日常安全生产作业造成严重威胁[1]。

当前，为有效预防矿井高压电网发生越级跳闸故障，人们研究出了一系列预防越级跳闸故障的措施，这些措施在理论上都是可行的，但由于矿井生产环境恶劣，存在的干扰因素众多，在实际生产作业中，还应根据矿井高压电网越级跳闸原因对预防跳闸的措施进行科学、合理的选择，以便更好地保障矿井供电系统的连续可靠安全运行。

2 矿井高压电网越级跳闸原因探析

2.1 保护装置动作不可靠

一般矿井所用高爆开关种类较多，数量较大，这些高爆开关通常不是同一厂家制造的，即使为同一厂家制造，但随开关生产批次的不同其实际性能也会存在很大不同。当供电系统出现短路现象时，便时常会出现上一级线路开关比下一级线路开关先跳闸的情况，即出现越级跳闸故障。另外，很多高爆开关制造商在生产高爆开关时对开关的隔爆性较重视，加之矿井生产环境相对较差，当矿井出现短路故障后，通常地面开关会比井下开关较先动作，从而发生越级跳闸现象[2]。

2.2 整定方法不科学、不合理

在实际生产作业中，人们一般会应用电流三段式保护来进行煤矿电网线路的保护作业，现场技术人员通常会依据自身工作经验，并参照负荷最大时最大工作电流的3倍～5倍的量来整定地面变电站下井馈出线保护定值。当确定好此保护定值后，矿井其他线路参照该定值并逐级适当降低以确定下级保护定值。当采用该种方式来确定保护定值时，最终确定出来的保护整定值一般会相对较小，当矿井线路发生短路故障后，其沿线开关都会发出保护动作，易发生越级跳闸故障。

2.3 电缆线路较短，速断电流较大

当矿井供电电缆相对较长时，在供电系统发生短路故障的情况下，所用电缆的首端短路电流与末端短路电流便会存在较大差别，该短路电流属于一种“陡形”状，易实施保护作业。而当矿井供电电缆较短时，因首端短路电流与末端短路电流差别不大，这时的短路电流属于一种“平缓”状，上级短路电流与下级短路电流不易区分，实际保护范围较小，很难开展有效的保护作业，便易出现越级跳闸现象。图1为线路长度与短路电流具体情况关系图[3]。

图1 线路长度(L)与短路电流(I)关系图

当速断电流过大，处于保护装置可达最大速断电流之外时，在CT配置不当，出现饱和现象时，保护拒动，便易出现越级跳闸现象，最终会影响供电系统的正常运行。

2.4 欠压动作

矿井中使用的高爆开关很多都装有欠压脱扣器，当矿井实际电压大于85%的额定电压时该装置可迅速吸合；当矿井实际电压在65%～85%的额定电压之间时，欠压脱扣器可勉强吸合；而当矿井实际电压小于35%的额定电压时，便会出现可靠释放现象，此时动作延时便无法整定出现瞬动现象。而当出现短路故障致使电压逐步降至35%～65%的额定电压之间时，受沿线开关存在的欠压影响，此时脱扣器可能发生动作也可能不发生动作，便易出现越级跳闸现象；当短路故障出现于离母线较近处时，此时母线电压易出现较严重的瞬间失压现象，母线上装有的其他开关所配备的欠压脱扣器便易出现误动作，引发越级跳闸故障；此外在实际生产作业中，也有很多矿井易出现因高压变频器的欠压保护而引发的供电线路越级跳闸的现象[4]。

3 预防矿井高压电网越级跳闸故障的措施

3.1 对保护装置的性能进行定期测试

矿井所用的高爆开关实际切除故障时间应与综保装置动作时间以及断路器跳闸时间之和相等。在日常生产作业中，人们可用继电保护特性测试仪来准确测定综保装置动作时间，在进行测试作业时，可先卸下综保装置并将其带至地面后再实施测试作业；而对于断路器跳闸时间的测试，人们可借助简易的机械特性测试仪在井下直接测试。矿井所用高爆开关顺利切除故障的时长通常为200 ms左右，同时应留设100 ms左右的富裕量，一般人们会取0.3 s的时长作为Ⅱ段保护与过流保护之间的延时间隔。在实际生产作业中，为确保所装设的保护装置性能可靠，一方面应对保护装置的具体性能进行定期测试，另一方面应尽量选用同一厂家生产的高爆开关，这样才能更好地预防矿井高压电网发生越级跳闸故障。

3.2 合理整定保护定值

采用常用的电流三段式进行保护整定作业时，应先参照进线短路容量并充分结合线路参数、设备参数等来开展短路计算，其次再按照各线路的短路电流来进一步整定保护定值。

笔者基于继电保护操作规范，并充分结合自身工作经验建议依据下列原则来进行电流三段式保护整定作业：在整定电流速断保护时，可依据线路末端的最大三相短路电流进行整定；若变压器为线路末端，可依据变压器的其他侧母线中的最大短路电流进行整定；若遇到灵敏度不达标的情况，可依据确保本线路可达最小灵敏度1.5倍的值实施整定。此外在整定双侧电源线路时，应先在保护整定值相对较小的元件上装设功率方向元件后再实施整定作业。

在整定延时电流速断保护时，应采用与相邻线路电流的Ⅰ段保护充分配合的方式来进行整定，可将时限选择为0.3 s左右；若在整定作业中发现其灵敏度不达标时，可与相邻电流Ⅱ段时限充分配合来实施整定作业，可把级差选定为0.3 s左右[5]。

3.3 优化线路保护原理

当线路首端短路电流与末端短路电流没有太大差别时，此时电流保护便会较难整定，这时人们可通过配设其他保护原理的保护装置对其进行整定。以纵联差动保护为基础的保护和以光纤数字通信为基础的保护都十分有益于供电系统保护的数字化发展，有助于全网数据充分互联、共享。在矿井供电系统中装设光纤纵差保护或进行上级保护与下级保护的合理闭锁，可更好地预防矿井供电系统发生越级跳闸故障，同时也有利于矿井防越级跳闸技术的数字化发展，未来值得推广应用。

3.4 对CT的变比进行科学合理的选择

当选择矿井用于保护作业的CT时，应重点对CT变比(指电流互感器一次侧与二次侧电流大小的比例)与准确限值系数进行选择。所选择的CT在线路发生短路现象时，应符合动热稳定要求以及产生的误差不应超过10%的相关要求。

3.5 布设欠压延时避开电压暂降

当系统出现短路故障后，一般线路都会发生一电压暂降现象，而此时欠压脱扣器通常会瞬间动作，不能顺利避过此电压暂降。

基于上述现象，人们可在欠压线圈回路处并联一阻容部件，以使得欠压线圈尽量出现延时脱扣现象，从而更好地避过系统电压暂降；若矿井供电系统装有欠压保护器，当系统出现断电现象时所装设的欠压保护器能及时、准确地将断路器切断，这样便可避开欠压脱扣器，借助欠压保护器的延时功能成功避过系统电压暂降。此外，针对一些较重要的负荷变频器欠压动作，也可以借助合理的串联动态电压恢复器来对跌落电压进行适当补偿，从而把电压暂降现象成功消除[6]。

4 结束语

总之，确保矿井供电系统电能的连续可靠供应是保障矿井正常生产的基础。对此，在实际生产作业中，人们应从本矿井供电现状出发，找出矿井高压电网发生越级跳闸的原因，并采取一系列行之有效的防越级跳闸措施，只有这样才能更好地预防矿井供电系统发生越级跳闸现象，保障矿井供电系统的稳定运行。