防止煤矿供电越级跳闸新方法的研究

孙国强,赵玉栋,刘琪

摘要：目前我国经济发展迅速，矿企为我国发展做出了很大贡献。矿井井下供电系统由于自身结构以及现有供电技术局限，在实际应用过程中时常出现越级跳闸，给矿井正常生产以及安全带来不利影响。为了有效避免矿井越级跳闸问题，将网络继电保护应用到矿井供电系统中，克服现有的过流值以及延时逐级保护方式存在问题。现场应用试验表明，网络继电保护不需要额外的增加通信电缆即可有效解决矿井越级跳闸问题，现场应用取得显著效果。

关键词：煤矿；井下供电；越级跳闸装置；应用研究

引言	流区段的短路保护装置会向上一级保护装置发出信号指令，使上一级供电
煤炭作为应用最广泛的能源资源，在国民经济发展中占据着十分重要的	区段保护装置实现闭锁，这样就避免了越级跳闸的发生。由于井下各级线
地位，随着煤矿井下综采自动化水平的不断提升，以采煤机、刮板输送机、	路区段一般都会有很多级保护装置，同时各级供电区段之间距离较远，当
液压支架等自动化程度高、稳定性好的综采机械设备不断投入应用，在设备	该种保护装置出现故障时，就会很难判定和检修到相应的故障点，而且保
启动、停止的过程中会产生极大的冲击电流，在应用过程中所消耗的电量大，	护级数越多，对于第一级的保护装置来说，相应的延时就会很大，发生故
给井下的供电系统的供电稳定性带来了极大的隐患，导致极易出现供电系统	障时的保护响应速度会很慢，导致这种电气闭锁电气闭锁式防越级跳闸技
短路等异常，由于多数井下供电线路的短距离布设结构导致系统很难及时对	术难以发挥较好的作用。
短路故障进行隔离，进而导致了连续性的越级跳闸事故，使故障范围迅速扩	3.3 电流纵联差动保护方案
大，同时由于大范围的网络故障，导致在排查事故和修复时需要耗费大量的	该方案的核心是电流纵联差动保护，以基尔霍夫电流定律为基础，在电
人力和物力，严重影响了煤矿井下的综采作业安全。因此本文提出了一种井	路两端进行保护装置的纵联，比较两个电流值，从而判断故障是发生在两处
下供电网络防越级跳闸装置，该装置采用了基于电流纵联差动保护原理和故	保护装置之间还是之外，即判断是外部故障还是内部故障。如果是内部故障，
障主动定位技术，能够迅速的对短路故障进行跳闸保护，防止事故的进一步	则将该段电路切除；如果是外部故障，则向外部继续判断。该方案判断内外
扩大，同时系统自动对故障位置和原因进行分析，便于维修人员快速处理网	部故障的原理如图 1 所示。当系统发生外部故障时，测得电路 A、B 两端的
络异常，根据实际应用表明该防越级跳闸装置具有可靠性高、稳定性好、故	电流值 IA 与 IB 一致，保护不启动，并继续寻找外部故障点 K1；当系统发生
障定位精确的优点，能够将供电网络故障的概率降低 73%，将故障处理时间	内部故障时，IA 与 IB 不一致，出现故障点 K2，即可对该段线路内部的开关
降低 90%以上，极大的提升了煤矿井下的供电稳定性和可靠性。	实施跳闸动作。通过内外部故障的准确识别来防止越级跳闸的出现。
1 煤矿供电系统概述
为了对煤矿供电系统防越级跳闸技术进行研究，以防止和减少越级跳
闸故障的发生，首先要对煤矿井下供电的特点进行细致的研究和了解。我
国典型配置的煤矿井下供电系统主要由井上变电所、井下中央变电所、采
区变电所、移动配电点和电网等几大部分组成。其中，井下中央变电所是
井下各个采区工作面、各终端负荷、终端设备等的电源供给；采区变电所
主要是将井下中央变电所传输过来的高压电转换成为采区工作面各使用设
备匹配等级的低压电；采区到各配电点的电网结构一般都是由多级短电缆
组成的干线式电网结构，两级供电之间的线缆长度一般都控制在 100～3000
ｍ，大多数线缆长度甚至都是在 500ｍ以下。这种短电缆的电网供电特点，
与地面上电力系统的架空线路动则几十千米的铺设长度相比而言形成明显
区别。而且在发生短路时，这种短线缆连接的两端电流几乎很少衰减，两
端电流相差不大，很难区别开来。因此，在电力系统中最为常用的短路保	图 1  电流纵联差动保护防越级跳闸原理图
护与阶段式电流保护互相配合，通过各级开关再按整定电流级差的方式来
进行选择的电路保护方式，难以满足这种由多级短电缆组成的干线式电网	3.4 电网故障主动定位技术
结构煤矿井下供电系统要求，就会造成当下一级线路有短路现象发生时，	为了对电网故障时的故障位置进行精确定位，提升矿井电网故障的处
上级保护开关自动启动的越级跳闸的故障发生。	理速度，确保井下综采作业的顺利进行，本文提出了一种基于工作电流相
2 造成煤矿供电系统越级跳闸的原因	位突变的电网故障主动定位技术，该技术的原理如图 2 所示。
（1）线路短路造成跳闸
矿井生产环境较为恶劣，且为了保证开采进度，一般矿井的供电网路级
数较多，电缆短，阻抗小，造成电缆在首、末两端的短路电流数值无差异性，
导致保护开关在短时间内断路，其保护功能失效，出现越级跳闸现象。
（2）上下级开关失效
电容电流受消弧线圈补偿、电缆长度以及运行方式影响，电缆在接地	图 2  电网故障主动定位技术原理示意图
连接时，其上下级保护开关的选线保护功能失效，选择功能失效，出现越
级跳闸现象。	由图 2 可知，当在线路 AB 段出现短路异常时线路起始端的电流 Iar和 If线
（3）开关欠压脱扣器动作	路内的负电荷电流的方向相同，线路 AB 段结束端的电流 Ibl和 If线路内的负电
短路故障、地面电网电压波动等导致母线短时欠压，在这种状态下出	荷电流的方向相反，而正常段 BC 内在线路的起始端和结束端的电流方向均和
现越级跳闸是因为大功率的开关欠压脱扣器处于解锁状态。	负电荷电流 If的方向相反。该现象表明在故障电路内，两侧的故障电流与线路
（4）上级开关后备保护动作	内的负荷电流无法同时满足超前或者落后，而正常线路两端的电流则可以同时
在恶劣环境下，高压开关跳闸机构灵敏度下降，甚至卡塞，导致高压	满足相对于负荷电流的超前或者之后，因此在防越级跳闸系统内即可利用该原
开关的跳闸动作不合理，上级保护开关引起后备保护动作，造成供电系统	理实现对故障位置的主动定位和报警，实现对供电异常的快速处理，根据实际
中越级跳闸现象的发生。	应用表明实现该系统后能够将供电网络故障的概率降低 73%，将故障处理时间
3 煤矿供电系统越级跳闸保护控制技术	降低 90%以上，极大的提升了煤矿井下的供电稳定性和可靠性。
3.1 分站集中控制技术	结语
该技术要求供电系统必须具备相应的分站装置及配套的防越级跳闸开	越级跳闸事故在矿井供电系统中较为常见，对矿井供电及安全生产造成
关。当供电系统出现短路时，首先分站的防越级跳闸开关会开始检查，然	较大威胁，必须妥善防治。基于实践经验，在总结实践及参考文献：的基础
后再将相关检查信息传递给分站，分站针对检查信息进行分析并发出命令，	上，分析了常见的越级跳闸原因，并详细阐述了电流纵联差动保护和通信级
对短路现象附近的防越级跳闸开关进行控制。该控制技术要求分站与防越	联闭锁两种防越级跳闸方案，对供电安全管理具有一定借鉴和指导意义。
级跳闸开关之间必须具有极高的关联性，如果这两者发生通信问题，将会	参考文献：
导致分站分析判断错误，进而影响到防越级跳闸开关有效发挥作用，最终	[1]罗娟，贠保记，雷富坤.防止煤矿供电越级跳闸新方法的研究[J].
导致煤矿供电系统越级跳闸事故的发生，因此通信信号传输的稳定性能否	西安科技大学学报，2014，34（1）：62‐66.
得到保证是分站集中控制技术的关键。	[2]赖平，周想凌，邱丹.小电流接地系统暂态电流频率特性分析及
3.2 电气闭锁式防越级技术	故障选线方法研究[J].电力系统保护与控制，2015，43（4）：51‐57.
对每一级供电区段的保护装置设置一定的延迟启动时间，且要保证上
一级比下一级延时启动。当某一供电区段发生短路故障时，检测到故障电