摘要：电力是煤矿生产的主要能源，电力系统的运行状况直接关联着煤矿的生产和安全。煤矿井下巷道狭窄，空气潮湿，在此环境下使用的电器设备、供电电缆和电缆接头容易发生漏电和短路事故；采掘设备移动工作，供电线路在反复拖拽中易发生绝缘破坏、短路等事故。造成井下供电线路短路事故的原因复杂多样，井下供电线路短路事故时有发生。因此，解决煤矿井下供电系统短路引起的越级跳闸问题，对煤矿安全生产非常必要，意义重大。
关键词：煤矿供电；越级跳闸；技术探讨
1 矿井电网目前存在的主要问题
1.1矿井电网的保护“越级跳闸”问题，造成供电系统大面积停电
目前我国矿井电网普遍存在多级辐射状供电模式，其特点为：延伸级数多，电网给定的过流时限不足，以致保护时限无法配合；系统容量大、供电线路短，不同级别的短路电流接近，以致保护的电流定值无法配合。因此，无奈之际只能牺牲选择性而保证快速性，致使矿井电网的继电保护系统普遍存在 “越级跳闸”问题，系统出现短路故障时，易造成井下供电系统大面积停电，严重影响煤矿安全生产。
1.2矿井电网漏电保护的可靠性问题，影响供电可靠性
我国矿井电网多采用中性点不接地或经消弧线圈接地方式，这种小电流接地系统漏电保护（接地保护）的可靠性问题一直是困扰煤矿供电安全的技术难题。过去当系统发生单相接地故障时，只能采用逐线路拉闸停电的办法判断故障线路，影响供电可靠性，后来国内外研究了众多的漏电（接地）故障选线技术，这些技术中的某些方法在中性点不接地系统或采用集中的接地选线装置中应用效果尚好，有些方法在实际应用中可靠性较差，特别是在中性点经消弧线圈接地系统，由于受补偿方式及消弧线圈的影响，造成漏电保护功能不可靠，影响矿井电网的供电可靠性。
1.3井下电网的自动化水平偏低
随着科技的发展，矿井电网的地面变电站逐步实现了综合自动化系统，但由于井下电网的特殊性，井下电网的自动化应用水平偏低，井下供电系统保护技术不完善、软硬件应用技术平台落后，使用的协议、通信接口互不兼容，造成系统联网困难，整体技术管理手段落后。
以上问题已成为制约煤炭安全生产的技术难题，解决这些难题、提高矿井电网的可靠性已势在必行。传统的电流保护技术采用定值与时限配合的原则实现保护选择性，鉴于上述分析的原因，这种配合原则已无法从原理上解决煤矿电网的保护选择性问题。针对这些问题，结合现场实际，我公司通过调研，在煤矿上应用了智能零时限电流保护、光纤差动保护和改进型零序导纳原理的漏电保护技术，从而有效解决矿井电网的“越级跳闸”问题。
2 防止越级跳闸系统技术原理
2.1 智能零时限电流保护技术
智能零时限电流保护采用网络保护技术，通过保护装置间的智能通信，检测故障区域和故障定位，实现上、下级保护的配合。智能零时限电流保护系统由MPR304S智能终端和KHL127矿用通信服务器组成，保护原理如图所示。
将供电网中的MPR304S保护装置按物理位置（进线、出线和联络开关）划分为多级保护系统，每台MPR304S保护装置有两对光纤接口，其中一对光纤接口通过点对点通信方式与通信服务器对应母线的光纤接口板连接，联络保护装置的两对光纤接口分别与服务器对应母线的接口板连接，进线保护装置的另一对光纤接口与上级变电站的出线保护装置的一对光纤接口相连。系统中所有保护装置的速断保护均可设置为零时限，保护定值可按保证灵敏度整定，且不需要上、下级保护定值的严格配合。当系统发生短路故障时，相关的保护装置可能同时启动，当达到保护定值时，距离故障点最近的本级保护装置动作，并通过服务器的光纤接口电路进行逻辑判断，同时逐级向上级保护传递保护故障信息，上级保护装置收到保护故障信号后与下级保护装置建立通信，实时检测下级保护的动作情况，等待距离故障点最近的开关跳闸，若跳闸成功则故障信号自动消失，若跳闸不成功则经短延时（保护动作时间+断路器固有动作时间，可整定）由上级保护装置切除故障。
2.2光纤差动保护技术
光纤差动保护技术用于防“越级跳闸”系统。光纤差动保护通过光纤信道实现供电线路的纵联差动保护，为变电站供电线路提供绝对的选择性，实现故障隔离。光纤差动保护原理如图所示。
在上、下级变电站的进、出线开关成对配置MPR303S（DPR362L）光纤差动保护装置，并在保护装置间设置光纤通信信道。当供电线路发生区内故障时（D1、D2、D3），线路差动保护动作，供电线路两侧开关跳闸，切除线路故障；当发生供电线路区外故障时（D4、D5、D6），线路光纤差动保护不动作，而由对应的出线保护装置切除故障（但D6点的母线短路故障只能由G0或G1保护的时限过流后备保护切除），实现防“越级跳闸”功能。
光纤差动保护根据线路光纤差动保护采用传输模拟量向量交换数据的特点，综合区内故障、区外故障以及在TA饱和时线路两侧电流的相位关系的差别，在不牺牲装置动作灵敏度的前提下，有效提高了装置的抗TA饱和性能和动作的可靠性，解决了传统差动保护抗TA饱和与保护灵敏度不能兼顾的问题。
仅配置光纤差动保护的防“越级跳闸”系统存在明显的缺陷。在这种配置中，为实现保护配合功能，则各变电所的进线开关不能设置速断保护功能，而只能设置过流后备保护，以致变电所母线存在保护死区，故障切除时间延长，例如上图中D6点故障时，只能靠G1或G0的过流后备保护切除。
2.3智能零时限电流保护配合光纤差动保护的防“越级跳闸”技术
为解决仅配置光纤差动保护的防“越级跳闸”系统存在的缺陷，需在变电所与变电所之间采用光纤差动保护，实现保护配合，而变电所内部采用智能零时限电流保护实现保护配合。保护配置原理如图所示。
当供电线路D1处发生故障时，G2与G1智能零时限保护配合，保证G2处保护动作，G1处配置的速断保护不动作，D1处于光纤差动保护的区外，G0，G1光纤差动保护不动作；当母线D2处发生故障时，G1智能零时限保护保护动作，D2处于光纤差动保护的区外，G0，G1光纤差动保护不动作；当供电线路D3处发生故障时，D3处于光纤差动保护的区内，G0，G1光纤差动保护动作；系统通过智能零时限电流保护、光纤差动保护配合实现“防越级跳闸”功能。
2.4 零序导纳原理的漏电保护技术
当系统出现接地故障时，保护装置测量线路的对地导纳Y=g+jb。非故障支路的零序测量导纳位于导纳平面的第一象限；对中性点不接地系统，故障支路的零序测量导纳位于导纳平面的第三象限；对中性点经消弧线圈接地系统，当为过补偿方式时，故障支路的零序测量导纳位于导纳平面的第二象限，当为欠补偿方式时，故障支路的零序测量导纳位于导纳平面第三象限。非故障支路的零序测量导纳位于第一象限，其他各种接地方式的故障支路的零序测量导纳位于第二、第三象限，由此区分接地故障，完成接地故障检测。
目前许多在用的矿用保护装置所采用的漏电保护原理仍使用“功率方向型”、少数采用其他漏电保护原理。由于矿井电网的规模越来越大，系统电容电流远大于《煤矿安全规程》规定的允许值，因此，矿井电网大多采用消弧线圈接地方式，用以补偿系统电容电流，在这种状况下，如仍使用功率方向型漏电保护原理的保护装置，则势必造成系统漏电保护“误动”现象频繁发生。
MPR304S高压矿用综合保护装置包含改进型零序导纳原理的漏电保护技术，通过采用选择性漏电保护技术、优化设计的保护算法和提高漏电信号的采样精度等技术措施，改善了漏电保护系统的功能特性，确保了漏电保护功能的可靠性，可有效避免因保护误动造成的“越级跳闸”事故。
2.5 电网电力监控系统组成
电力监控系统融入了智能零时限电流保护、光纤差动电流保护、改进型零序导纳原理的漏电保护等多项创新技术，形成矿井电网变电站综合自动化系统，结构如图所示。
井下防“越级跳闸”系统采用光纤差动保护和智能零时限电流保护技术实现。MPR304S智能零时限电流保护装置、KHL127矿用保护通信服务器和专用保护通信网络组成井下防“越级跳闸”系统。MPR300S系列矿用保护装置、KJ38-F电力监控分站和电力监控通信网络组成井下电网电力监控系统，与电力监控中心配合实现井下电网电力监控系统。
电力监控中心根据规模配置操作员站、工程师站、视频监控站、Web服务器及数据服务器，负责采集、处理、储存矿井电网的监控信息，实现矿井电网的遥测、遥信、遥控、遥调功能。
3 防“越级跳闸”系统的应用
我公司X煤矿井下10KV供电系统应用防“越级跳闸”系统，解决井下电网的“越级跳闸”问题。系统设计示意图如图所示。
MPR304S数字式矿用综合保护装置内置智能零时限电流保护和光纤差动保护功能，可通过保护装置的菜单设置保护功能。设计在工广35KV变电所的下井线路5106#柜、5107#柜、5108#、5109#柜、5306#、5307#、5308#柜5309#柜增设8台DPR391LF数字式线路保护装置，立风井10KV配电室下井线路5108#、5109#、5208#、5209#柜增加4台DPR391LF数字式线路保护装置，与井下I01、I02采区变电所、2煤机头变电所、中央变电所的进线开关保护装置配合实现智能零时限保护功能。
智能零时限电流保护功能需要MPR304S矿用综合保护装置和KHL127矿用电流保护控制器配合完成，井下每台高压防爆开关安装MPR304S综合保护装置、每个井下变电所需配置1台KHL127控制器。KHL127控制器可配置多块光纤通信服务板，采用点对点通信方式与MPR304S保护装置通信，KHL127控制器具备后备电源功能，可提供不小于3小时的后备电源输出。保护通信网络具有通道监视功能，当通信中断时不影响MPR304S保护装置的本身的常规保护功能，并可在保护装置上显示通信中断信息，同时通过监控网络将信道中断信息上传至电力监控中心。
防“越级跳闸”保护系统通信网络和电力监控通信网络使用独立的网络信道，以保证系统具有可靠的通信。
MPR304S数字式综合保护装置除具备防“越级跳闸”功能外，还具有常规的三段式电流保护、反时限过载保护、相不平衡保护、过欠压保护、非电量保护（风电、瓦斯闭锁）、辅助保护和电缆绝缘监视等保护功能。
MPR304S综合保护装置具有改进型零序导纳原理的选择性漏电保护功能，能够自适应中性点不接地和消弧线圈接地方式。保护系统配置专用零序电流互感器采集零序故障电流，使用防爆开关内的电压互感器采集故障零序电压，采用分级配置原则设置保护定值，根据故障线路和非故障线路的零序导纳特性不同区分故障线路，实现漏电保护的可靠动作。
4 结束语
近几年，我公司逐步在下属部分矿井安装了“防越级跳闸”系统，此系统不仅有效解决了短路故障引起的越级跳闸问题，同时对系统功能进行不断完善，实现了井下变电所无人值守，在监控后台即可对保护装置的定值进行查询、调整，同时把计量管理融入该系统中，可自动生成用电报表。此系统由于保护可靠、操作简便、界面清晰、使用方便，具有较先进的技术价值，是提高矿井供电可靠性的有效手段，是智慧矿山建设必不可少的一部分，能为提高矿井供电管理水平提供参考。
参考文献：
[1] 刘建华.煤矿供电安全技术交流一防越级跳闸[z].徐 州：中国矿业大学信电学院电气安全与智能电器研究所.
[2] 吴文瑕，陈柏峰，高燕.井下电网越级跳闸现象的研究及 解决建议[J].工矿自动化，2008，6（12）：1~5.
[3] 张文超.煤矿供电防越级跳闸保护系统的应用研究[D].阜新：辽宁工程技术大学，2011.
作者简介：
王锦鹏（1967-），男，宁夏银川，大学、高级工程师，毕业于西安矿院工业电气自动化专业，现工作于神华宁夏煤业集团有限责任公司机电管理部，主要从事煤矿井下机电管理工作。
论文作者:王锦鹏
论文发表刊物:《电力设备》2018年第12期
论文发表时间:2018/8/9
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