煤矿供电井下越级跳闸原因分析与解决思路

张晋平

（山西潞安集团　潞宁煤业有限责任公司，山西 宁武 036700）

煤矿供电井下越级跳闸原因分析与解决思路

张晋平

（山西潞安集团潞宁煤业有限责任公司，山西 宁武 036700）

摘要：通过对煤矿供电系统特点与越级跳闸现象原因分析，提出了采用线路光纤差动保护、采用同一变电所进出线开关闭锁功能、建设或将现有的变电站改造为智能化数字变电站的方法，并对三种方法进行了比较，提出解决煤矿供电系统存在的越级跳闸问题，除要根据具体情况选择适当的方案外，提高工作人员的业务素质、规范整定、加强管理、保证设备状态良好都是防止越级跳闸的基础性工作。

关键词：光纤差动保护；闭锁；数字变电站；越级跳闸

目前大部分煤矿供电是采用从地面35 kV降压站以10 kV高压电缆向煤矿井下供电，井下设各级变电所。供电系统，见图1。

图1 供电系统图

在煤矿这种典型的供电系统中，时常发生末级线路或用电设备发生短路故障时，工作面配电点或采区变电所开关不动作跳闸，出现水平变电所开关、中央变电所开关，甚至35 kV降压站的高压开关全部或部分同时动作跳闸的现象，使停电范围扩大，进一步影响煤矿的安全与生产。由此可见，对这种影响矿井安全供电、安全生产的跳闸现象，即越级跳闸进行分析并提出相应解决思路、方法很有必要。

1　原因分析

1.1保护装置的设置不合理、主保护定值配合困难

煤矿10 kV供电系统以短路保护为主保护，按相关要求，国内继电保护装置的短路保护动作时间不大于0.2 s，这就造成了地面降压站的开关设备和井下高爆开关在动作时限配合困难。

按煤矿规程的规定，速断保护作为供电系统的主保护，要求配备，但线路短、速断电流大且定值相近，难以区分是造成该类保护越级跳闸的主要原因。

CT变比选择与短路电流大小不匹配，电流互感器饱而使保护装置难以正确检测出短路电流。

1.2定值整定不严谨

原有的保护煤矿整定规范在电压等级、设备参数、保护装置灵敏性等方面已落后于煤矿供电系统的发展现状，规范的缺失导致了管理水平参差不齐。

煤矿生产的实际情况是随着采掘工作面变化，负荷与供电结构的变化也相应频繁，这就会导致保护定值的计算与调整工作量增加，而目前的状况是大部分煤矿由于对保护整定重要性认识上的不足和专业人员业务素质、责任感有待提高，再加上手工计算与人工校验的繁琐，经常性导致相关工作不到位。为增加灵敏性，有些电气工作人员通常会将作为主保护的速断保护按躲过最大负荷电流或启动电流整定，造成整定值比实际的短路电流要小的多，发生短路后上级沿线开关保护均启动，导致越级跳闸现象的发生。

1.3设备干扰

系统内变频设备、软启动设备及自动化设备的增多也导致谐波等不利的干扰增多。

1.4漏电保护难以比较

各支路零序电流只能根据自身情况进行判断，无法实现与其它支路及上级支路进行比较判断。

2　解决的思路方法

2.1采用线路光纤差动保护

将光纤纵联差动保护作为变电所间连接电缆的主要保护，过流保护作为后备保护。差动保护原理图，见图2。

图2　差动保护原理图

纵差保护的保护区是被保护设备两端的CT之间，不需考虑与其它域外设备保护定值的匹配，当任一相差动电流大于差流速断定值时，瞬时动作跳闸。随着微机保护技术和光纤传播技术的发展，使的差动保护应用于电缆线路与架空线路，并快速而准确地切除故障成为现实。

目前市场上使用的光纤差动保护装置，平均动作时间小于25ms。在动作和制动判据方面也逐步合理和成熟，从而有效地保证了动作的可靠性和准确性。装置通常都具有通道鉴别功能，能及时发现光纤通道故障并发出信号，闭锁差动保护；同时启动以短路为主保护的常规保护系统，自动鉴别到通道正常后，通信恢复，光纤差动保护将自动投入。另外，保护装置的CT断线判别、交流采样回路自检功能也进一步保证了动作的可靠性。

2.2采用同一变电所进出线开关闭锁功能

图3为由开关闭锁功能组成的防越级跳闸系统示意图。

图3 闭锁防越级跳闸结构图

各变电所各出线开关与进线开关之间均设置通信通道，当出线开关检测到故障信息时，在约10 ms内输出闭锁控制信号至相应的进线开关，对进线开关的速断功能进行闭锁，同时启动本出线开关的速断跳闸功能迅速切除故障。当进线开关收到出线开关送来的闭锁信号时，闭锁本开关的速断跳闸保护，防止越级跳闸现象的发生。通过设置毫秒级的短延时，进线开关仍检测到故障的存在时（表示相应的出线开关速断保护或开关机构拒动），即刻启动速断功能切除故障。

2.3建设或将现有的变电站改造为智能化数字变电站

智能化数子变电站是在智能化的一、二次设备及网络化的二次设备的硬件基础上，用标准通信协议建立的三层结构网络，包括间隔层智能保护装置组成的光纤网络、光传输接口设备在内的光纤以太网、工业以太网。这种智能型的变电站能实现故障录波、远程配置保护模块、修改定值、电能质量分析等功能。间隔层智能装置将采集到的数据通过光纤网络上送给矿用光传输接口设备，再合并打包后送至位于地面控制中心的保护主机，将模拟量及开关量全部集中到地面控制室的集成保护测控装置上，通讯距离能达到40 km。在集成保护测控装置内实现全站数据共享，并可以对系统内的任何设备，根据需要随意选择需要的数据进行保护配置。

对井下各变电所电源进线电缆配置差动保护护作为主保护，变电所各段母线配置差动保护和小电流接地选线功能。基于全站网络数据共享的数字化变电站防越级系统软件方面通常都具有CT饱和识别技术，能很好的解决由于CT饱和造成的保护误动问题［1-2］。

在这种智能型的系统中，井下开关内的保护装置应具备完善的就地保护功能，光纤网络通讯中断或工作不正常时，就地保护装置能自动启用以速断作为主保护的常规保护功能，与远后备保护共同构成了系统的多重保护。

3　方案比较

线路光纤差动保护组成的防越级跳闸系统其优点是改造简单，能防止因非变电所电源线路故障导致越级跳闸现象。缺点是母线无法配置保护，要靠后备保护来完成对母线的保护；漏电故障还须由就地开关本身的漏电保护装置无比较、无选择的完成，造成开关误动可能性增加。

开关闭锁功能组成的防越级跳闸系统，上下级开关不需要保护定值严格配合；在变电所的进出线开关间，能避免漏电、短路造成的越级跳闸现象；母线无保护，要靠后备保护来完成，单一使用此种方法有一定的局限性。

基于全站网络数据共享的数字化变电站技术的防越级跳闸系统，实现了保护和测控系统的全数字化，保护配置灵活，能彻底解决煤矿因短路和漏电造成越级跳闸问题。但投资大，需要建立专用的光纤网络。

综上所述，要治理煤矿供电系统的越级跳闸问题，除了要根据具体情况选择一种或二种结合的适当方案外，相关电气工作人员提高业务素质、规范整定，单位加强管理，保证设备状态良好，重视谐波治理，都是防止越级跳闸基础性工作。

4　应用实例

前文明煤业位于忻州宁武县境内，设计年产90万t的中小型煤矿，井下供电系统结构较为简单，主要由地面变电站10 kV开关9103和9203开关经MYJV22－8.7/103×120 mm210 kV电缆1 370 m送馈电至井下中央变电所。中央变电所除就近馈电给3台主水泵和相关局部通风设备用电源外，还由9302和9402开关通过两条长度为84 m的MYPTJ-8.7/103×70mm2电缆馈电至井下采区变电所，组成采区配电系统；由9304和9404开关通过两条长度为970m的MYPTJ-8.7/103×70mm2电缆馈电至井下牵引变电所，组成牵引配电系统，见图4。

图4前文明井下10 kV供电系统图

根据统计，从2011年4 月-2013年6月之间，前文明矿发生越级跳闸现象5次，其中有2次造成主通风机短时间停止运行。考虑到矿井供电系统的规模和投资的大小，在对市场上的相关产品进行实地考察后，决定选择在9103至 9301开关、9203至 9401开关、9302至9501开关、9402至9601开关、9304至9701开关、9404至9702开关之间的6回路电缆装设线路光纤差动保护，替代原有的速断保护作为线路的主保护，以保证上级变电所至下级变电所的电源出线开关不会因为保护区域外的短路故障而发生跳闸；同时在各井下变电所进出线开关之间采用开关闭锁功能组成的防越级跳闸系统。

本次系统改造，从方案制定到改造完成在尽可能减小对生产影响的前提下，用时近20 d，投资近40万元，经估算，约为采用智能化数子变电站基础上组建的防越级跳闸系统投资的八分之一，费用主要用来更换各井下高开内的保护设备和购置光纤通讯装置。

效果方面，改造完成至2015年3月，采区配电系统9503开关馈出线路发生短路故障2次，而短路电流值已超出9302开关的原整定值；井下牵引配电系统9707开关因所带下级牵引电机堵转一次，均未造成上级开关跳闸现象的发生。

参考文献：

［1］褚晓锐，郑发平.电力系统继电保护技术［M］.北京：水利出版社，2013.

［2］贺全荣，车世安.局域网组建、管理及维护实用教程［M］.北京：清华大学出版社，2009.

（编辑：武晓平）

中图分类号：TD611

文献标识码：A

文章编号：1672-5050（2016）03-070-04

DO I：10.3969/j.cnki.issn1672-5050sxmt.2016.06.021

收稿日期：2016-03-11

作者简介：张晋平（1969-），男，山西长治人，大学专科，助理工程师，从事供电管理工作。

Cause Analysis and Solutions of Override Trip in Underground Power Supp ly in M ines

ZHANG Jinping
（Luning Coal Co.，Ltd.，Lu'an Group，Ningwu 036700，China）

Abstract：On the analysis of underground power supply system and causes of override trip，the paper proposes three solutions：optical differential protection，inlet-outlet interlocking in the same substation，and the construction or transformation ofan intelligentdigitalsubstation.By comparison of the three solutions，the study proposes that，in addition of an appropriate plan on the specific condition，we should strengthen foundationalwork，including improving staffs'professional quality，setting standards，reinforcingmanagement，and ensuring equipment in good condition，to prevent the override trip accidents

Keywords：opticaldifferentialprotection；interlocking；digitalsubstation；override trip