煤矿井下供电防越级跳闸系统的研究与应用

梁红平 LIANG Hong-ping

（上海大屯能源股份有限公司龙东煤矿，徐州 221600）

1 概述

煤矿供电系统是矿井安全生产的重要组成部分。随着龙东煤矿服务年限的延长，采煤工作面向井下大巷远距离延伸，供电系统从地面35kV 变电所到井下-285 水平中央变电所、各采区变电所以及工作面移动配电点之间多采用如图1 所示垂直供电模式。这种供电模式电气距离短，线路始端和末端发生短路故障时流过的电流往往相差小，当某一处短路时能导致井下多级开关同时跳闸，进而引发大面积停电事故。一旦发生大面积停电事故，不仅影响矿井正常生产，还威胁井下施工人员的生命安全。

图1 井下高压供电系统图

针对这种情况，龙东煤矿结合现有井下供电监控系统，以安全、可靠和经济为原则，通过研究分析，建立一套井下供电防越级跳闸系统，确保矿井安全生产。

2 煤矿供电防越级跳闸解决方案现状

目前国内成熟的供电防越级跳闸解决案例不多，大都在理论研究阶段，提出的解决方案有以下几种：

2.1 接点闭锁的短路保护

接点闭锁的短路保护是当煤矿井下出现短路故障时，同一电源线上各级保护均启动，下级保护在本级启动的同时通过继电器接点向上级保护发送闭锁信号，屏蔽上级保护不出口。该原理逻辑简单，通过逐级闭锁一定程度上可以实现瞬时速断和保护选择性，达到防止越级跳闸的目的，但在实际生产应用中却很难达到预期效果。首先在复杂电磁环境下，继电器接点本身可靠性低; 尤其井下供电网络级数较多时，继电器接点传输距离变长，闭锁回路接线复杂，电磁环境下传输可靠性大幅度降低。其次需要敷设大量闭锁信号电缆，投资大，维护量大，且电缆容易被破坏，可靠性差。最后，该方案缺乏完善的自检功能，信号电缆出现故障时不能及时发现和报警，检修维护困难，因此该方式可用性较差。

2.2 光纤纵差保护

光纤纵差保护技术是在各级变电所级联供电线路之间配置光纤纵差保护，利用光纤通信将输电线路两端的电流幅值及相位信息通过专用的光纤网络传送到对端进行比较，判断本线路范围内是否发生短路故障，线路外部故障时纵差保护不动作，内部故障时光纤纵差保护动作。该保护原理简单明了，上下级配电线路的保护测控装置动作电流值不需要相互配合，技术成熟，能快速可靠的切除故障，但存在以下缺点:

①煤矿井下供电网络存在T 型接线等方式，一路电源故障时另一路电源要能够接入全部负载，供电网络发生变化时，纵差保护很难适应。

②光纤纵差需要接入保护范围内的全部差流，复杂电网结构使得光纤纵差配置非常繁杂，系统扩展性能差，应用场合受到限制。

③开关拒动时需要依靠后备延时保护切除故障，由于后备延时无法阶梯整定，所以很容易引起多级开关同时跳闸，扩大停电范围。

④需要敷设单独的差动通信光缆，投资大，维护量大，独立光缆容易被破坏，可靠性差。

因此该保护实用性不强。

2.3 集控式保护

集控式保护需要在每个变电所安装独立的集中式电流保护分站，不同变电所的分站通过光纤连接，分站与变电所内的综合保护装置都建立通信联系，当某条线路出现故障时，各分站收集保护装置检测到的故障信息，根据线路级联关系确定故障级后，对故障级综合保护装置发出跳闸指令，实现故障的有选择性切除。该保护原理清晰，由分站集中判别故障并下达跳闸指令，一定程度上可以实现瞬时速断和保护选择性，达到防越级跳闸目的，但存在以下缺点：

①一旦分站网络中断或分站故障，会使整个区域防越级保护判别失效，引起越级跳闸。

②适应性差，后期维护成本高，如分站区域内供电网络变化时，需要重新设置分站的线路级联关系模型和防越级判别逻辑，分站更新程序不但存在安全隐患，而且还受制于分站厂家，增加维护成本。

③需加装独立的防越级分站或集中式电流保护分站，成本高，维护量大，可靠性低。

④光纤接头多，熔接困难，系统后期维护困难。

因此该方式可实施性较差。

2.4 基于KXJ100B 闭锁控制器的短路保护

通常煤矿井下供电线路的上下级开关短路保护延时都为零，没有时间差，短路故障发生时，在故障点与电源之间的所有保护控制器都会流过较大的短路电流，保护控制器本身不具备判别自己是否离故障点最近的能力，因此容易导致越级跳闸。针对此问题，一种基于KXJ100B 闭锁控制器的短路保护新技术具有选择性，该技术以龙东煤矿现有的井下供电监控系统为基础，将变电所实时跳闸信号用于传送闭锁信号，实现煤矿井下供电系统故障的选择性跳闸。该方案结合现有的供电监控系统，具有便于实现、抗干扰能力强、可靠性高、成本低等优点。

2.5 “三位一体”供电防越级跳闸技术

“三位一体”是指从线路短路、接地和电压波动三方面入手避免供电越级跳闸现象发生。该技术将防越级网络与光纤环网融为一体，采用网络智能识别保护方式，防越级网络不容易被破坏，可靠性高，能真正做到全方位防止供电越级跳闸，但该技术涉及发明专利技术，需要将现有的高低压开关保护装置全部更换成专利厂家的保护装置，具有施工周期长，投资成本高的特点。

综上所述，考虑安全、可靠和经济性后，最终龙东煤矿选择建立一套基于KXJ100B 闭锁控制器的井下供电防越级跳闸系统。

3 基于KXJ100B 闭锁控制器的防越级跳闸原理

在开关综合保护装置中内置短路电流采集模块，采用逻辑闭锁实现短路防越级跳闸保护功能，故障识别时间小于10ms，动作时间小于35ms，最大支持防越级级数为十二级。当线路某处短路时，短路点的所有上级开关都通过短路电流，开关综合保护装置可以接收来自下级开关的闭锁信息，也可以自己发送信息闭锁上级开关。距离短路点最近的开关会瞬动并发出闭锁信号，通过KXJ100B 闭锁控制器的传输，它的上级开关会根据接收的信号计算需要闭锁的延时时间，同时向上级发出闭锁信息，上级开关顺延闭锁。

短路点的下级开关不通过短路电流，开关内的短路电流采集模块检测不到短路电流，则不会发出闭锁信号，不闭锁上一级开关的短路保护功能。这样，只有最靠近短路点的一级开关因下级开关不发出短路闭锁信号而不被闭锁，使之短路跳闸，切断短路线路。短路线路切断后，短路电流消失，各级开关信号返回，解除闭锁功能。

当最靠近短路点的上方的一级开关因故障拒动跳闸时，它的上一级开关保护器延时（闭锁延时功能）一个固有跳闸时间（50～100ms，根据开关断路器跳闸速度决定），延时到时后，上一级开关跳闸，切除短路电路，作为下级开关的后备保护。从而既切除了短路电路，使供电线路得到了保护，又避免了越级跳闸。

4 KXJ100B 闭锁控制器结构特征与工作原理

4.1 外形结构图

4.2 主要结构特征

闭锁控制器的外观尺寸及结构如图2 所示，上盖出厂时已经用螺丝固定，箱门上有一个矩形观察窗，通过矩形观察窗可观察到液晶显示屏的显示内容和电源及输入输出的状态指示。外壳上共装有20 个出线嘴，供输入、输出电缆引线用。

图2 闭锁控制器的外观尺寸及结构

4.3 工作原理

闭锁控制器主要由闭锁控制板、转换板，显示板、开关电源、尾纤盒、电源开关等部分组成。闭锁控制器将接收到的闭锁信号处理后输出，实现闭锁电信号和闭锁光信号之间相互转换，具有状态指示和故障信息远传功能。

5 系统组成

防越级跳闸系统主要由四个部分构成，即地面监控系统、信号传输分站、KXJ100B 闭锁控制器、开关保护装置。其中开关综合保护装置安装在高压开关内，替换原有的保护装置，信号传输分站替换原有的集控分站，KXJ100B 闭锁控制器安装在井下各变电所，一主一备两套监控系统布置在地面监控室。

6 系统安装

①安装前分别将信号传输分站、闭锁控制器运输到井下各变电所。

②提前批好停电报告，将需要安装调试的高压开关停电。停电前，将高压开关合分闸数次，确认开关合分闸功能正常。

③待停电十分钟后，将开关前门打开，拉出小车，闭锁挂牌。

④打开开关后腔盖，操作人员必须穿绝缘靴、戴绝缘手套对所有停电设备进行停电、验电、放电、挂接地线。

⑤将开关内的综合保护装置拆下，换上GZB-ARM-9112 智能型高压综合保护装置，新老保护装置外部接线插头通用，不需另外改线。同时，对信号传输分站和闭锁控制器进行接线。

⑥将开关的闭锁控制线和通讯线通过小喇叭口接到JHH6 隔爆接线盒，在从接线盒分别引出到分站和闭锁控制器。

⑦接线完毕后，检查接线是否正确和完好。

⑧将分站和闭锁控制器盖板盖上，并上紧螺丝。

⑨将开关后盖盖板盖上，并上紧螺丝。

⑩将开关前门盖上关闭，闭锁杆退出，合上隔离小车，通过箱体两侧的观察窗观察小车是否到位，主触头是否接触完好。

⑪按开关的合闸按钮，开关合闸，观察保护器显示是否正常。

⑫通过箱门按钮设置开关参数。

⑬分别将分站和闭锁控制器送电，观察显示是否正常。

⑭调试开关的通讯是否正常，并试验开关合分闸。

⑮调试完毕后，将分站和井下变电所交换机连接，调试通讯是否正常。

⑯井下调试完毕，设备均运行正常后，在地面工控机上安装好监控系统，确认开关状态和电气参数正确无误。

7 试验及应用情况

7.1 试验情况

在不影响生产和不对井下供电网络产生有害冲击的情况下，选择在井下变电所的分开关和其上级总开关之间进行试验。分开关负荷平均启动电流为60A，总开关为本段总开关，本段其它均为备用开关，满足试验条件。

试验分三种方式，每种方式测试三次。

第一种：防越级跳闸系统退出，分开关状态良好，给予分开关大于整定值的启动电流，测试是否发生越级跳闸。

表1 第一种方式试验情况表

第二种：防越级跳闸系统投入，分开关状态良好，给予分开关大于整定值的启动电流，测试是否发生越级跳闸。

表2 第二种方式试验情况表

第三种：防越级跳闸系统投入，分开关无法分闸故障，给予分开关大于整定值的启动电流，测试上级是否延时跳闸。

表3 第三种方式试验情况表

试验结论：满足龙东煤矿井下供电防越级跳闸要求。

7.2 应用情况

该系统自2020 年8 月建成投运以来，运行稳定，通讯正常，具有监控系统基本的五遥功能，采集的供电参数、模拟量、开关量、故障数据、录波数据准确，满足龙东煤矿井下供电防越级跳闸和安全生产的要求。截至2021 年12月，已成功为龙东煤矿避免了2 次井下大面积停电事故，大大提高了矿井供电系统的安全可靠性，目前该技术方案已推广至中煤集团大屯矿区其它三个矿。

8 结语

通过对基于KXJ100B 闭锁控制器的井下供电防越级跳闸系统应用分析，可知该系统安全、可靠，投资少。符合最新版《煤矿安全规程》和煤矿供电防越级跳闸系统技术标准，满足煤矿安全生产的要求，有效解决了龙东煤矿存在的供电短路越级跳闸问题，具有较高的推广应用价值。