摘要：煤矿井下供电由于供电面积相对较小、各供电点之间距离较短的原因，导致传统的三段式电流速断保护定值无法整定、按照常规的整定计算方式在煤矿供电系统必然存在着“越级跳闸”问题，在井下发生高压短路故障时经常会越级到地面变电所（或开闭所）的入井线路间隔，造成矿井停电面积的扩大，因此“越级跳闸”是影响煤矿井下可靠供电的一个重要因素。论文结合煤矿使用的几种防止“越级跳闸”方案进行比较，以不断完善煤矿井下供电的可靠性。
关键词：越级跳闸；可靠性；选择性；快速性
在煤矿井下供电系统中，由于其运行环境较为恶劣、影响因素较多，供电事故时有发生，除了自然气象因素（如雷击、输电线路倒杆等）外，还存在配用电电气设备制造上的缺陷、选型设计和安装调试不当、检修质量不高、以及运行维护措施不到位等引起。在煤矿井下供电系统中，除了需要结合井下供电负荷要求采取相应技术措施消除或减少供电事故发生外，还需要借助先进的测控保护技术措施和装备，尽可能在最短时间内将故障设备或线路从整个煤矿井下供电系统中有效切除，确保非故障性电气设备或线路部分能够高效稳定的运行，缩小事故影响范围，提高供电经济效益。
一、矿井电网存在“越级跳闸”的原因
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。目前，我国煤炭企业电网多为多级辐射状的供电模式，其特点为供电线路短，延伸级数多，不同级别的短路电流很接近，一旦线路某处短路，短路电流可达数千安到上万安，短路点上面的各级开关都满足电流速断保护跳闸条件，当上级开关跳闸灵敏度高时上级开关跳闸，造成越级跳闸，甚至会直接造成地面变电站开关越级跳闸，造成全矿井停电的恶性事故，甚至会出现主扇停风事故。传统的三段式过电流保护无法兼顾保护动作快速性和选择性的要求，当井下供电系统发生故障时，普遍存在“越级跳闸”现象，造成恢复供电时间延长，直接影响井下的安全生产。在煤矿供电电网中，造成越级跳闸的主要原因主要有以下几种：
1）短路保护难以整定。井下供电线路短、多级变电所级联导致拓扑结构复杂，短线路零秒的速断保护无保护区，在线路末端发生短路故障时，其上级开关及上几级开关感受的短路电流几乎差不多，各级开关的零秒速断保护无选择性跳闸而造成越级跳闸；井下供电系统没有时间级差，过流保护整定困难，在发生短路故障时，极易出现越级跳闸的情况。
2）失压保护延时难以整定、开关拒动。大多井下保护器的失压保护动作延时整定不合理，另外部分失压脱扣动作值不准确。馈线距离母线很近的地方发生短路故障时，母线电压短时失压，该段母线上其他开关的失压保护误动作也容易导致“越级跳闸”。煤矿井下高爆开关质量参差不齐，开关动作速度差异较大，由于开关拒动造成的越级跳闸也时有发生。
3）井下缺乏母线保护。母线上短路故障没有相应的快速切除保护措施，故障切除时间长，母线短路时，母线损坏严重，同时母线故障时也极易造成越级跳闸。越级跳闸导致停电范围扩大，严重影响了煤矿的安全生产，传统的基于单台开关数据过流保护原理的微机保护解决不了此问题。
4）漏电保护难以实现比较。井下传统的漏电保护的抗电磁干扰能力差，数据传输速率及处理速度慢，各支路零序电流只能根据自身情况进行判断，无法实现与其他支路及上级支路进行比较判断。电缆漏电后发展成短路故障，极易造成越级跳闸的发生。
二、防越级跳闸解决方案现状
2.1基于电气信号闭锁的短路保护
基于电气信号闭锁的短路保护理论简单、目的明确但实际使中却很难达到设计效果。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆首先，煤矿井下供电环节复杂、干扰较强，简单的电气闭锁信号的远距可靠传输无法得到保证，虽然也有采用屏蔽双绞线差分信号传输的方案提出，但传输距离仍然受限，其次，电气闭锁电缆众多，连接关系复杂，多条出线与进线开关之间的电气闭锁需要通过逻辑闭锁器实现，而且需要根据实际供电网络的变化动态调整闭锁逻辑，因而逻辑闭锁器设计复杂且电缆连接众多，施工困难；最后，该方式缺乏完善的自检功能，逻辑闭锁器或者信号电缆出现故障时无法及时发现和报警，检修维护困难。因此该方式实际可用性较差。
2.2光纤纵差及纵联保护
光纤纵差保护是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，从而决定是否动作切除本线路。光纤纵联保护与光纤纵差保护的原理基本相同，但通过光纤传送给对侧的不是电流幅值和相位，而是特定的逻辑信息。光纤纵差及纵联保护能可靠实现保护的选择性和快速性。光纤纵差保护需要实现线路两侧电流信息的同步处理，增加了现有矿用保护装置实现的技术难度；光纤纵差及纵联保护需要敷设大量的专用通讯光纤，目前煤矿供电系统线路还未敷设光纤纵差的专用通讯光纤，将导致供电系统网络设计复杂、增加供电网络成本；另外由于煤矿工作条件较差、环境比较恶劣，通讯光纤和电缆容易受到损伤和污染，导致光纤纵差及纵联保护丢失通信信道，进而导致纵差和纵联保护功能丧失。
2.3基于数字化变电站技术的集中式保护
数字化变电站技术需要将信息采集、传输、处理、输出过程由传统的模拟信息全部转换为数字信息，并建立与之相适应的通信网络和控制系统。基于数字化变电站技术的集中式保护要求所有井下保护控制单元具备光纤数字通讯接口，利用光纤网络将井下各测量控制点、地面变电所测量控制点的电气量信息传输到集中式保护控制器，在集中式保护控制器中实现故障位置识别和跳闸出口控制，井下的保护控制单元接收并执行跳闸出口命令断开相关的断路器，理论上可以实现故障的正确识别，避免越级跳闸问题。
因此，基于数字化变电站技术的集中式保护在煤矿供电系统中应用还需要一个比较漫长的过程，对目前急需解决的越级跳闸问题还不具备实现条件和基础。
三、煤矿井下供电系统越级跳闸处理技术措施
对于关系到煤矿井下安全生产作业的供电线路，应严格按照《煤矿安全规程》（2016）第四百三十八条中的规定，实行独立双回路供电方式，即当其中任一回路出现停止故障后，其余非故障回路可以继续为特殊负荷提供电能，确保井下供电安全。在保护装置选型设计过程中，其保护和动作性能要可靠及时，并要设置准确的下限参数。为了增强保护开关动作的选择性，应在上级开关中设置上限参数，这样完善的开关动作搭配，可以有效避免井下供电系统越级跳闸问题发生，提高供电系统控制保护开关动作可靠性和选择性。合理按照上下限动作保护参数选择保护控制开关，并选择带有实时通讯功能的保护器，以便井下供电系统运行人员在工作站就能实时观察和记录各级开关的动作运行参数情况，这样既可以保证在发生短路故障后，保护控制开关能够有序可靠性动作，同时又能提高保护开关动作的灵敏性和选择性。
四、结束语
煤矿井下环境差、各种电气设备种类繁多，电气故障时有发生。为了防止大面积停电所造成的越级跳闸现象，煤矿供电系统在选用防越级跳闸系统时，一定要保证其系统动作灵敏、传输速度快，便于升级，同时也便于动作行为分析，防越级系统还必须能够实时监控保护动作行为信息。
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论文作者:冯志科
论文发表刊物:《基层建设》2019年第18期
论文发表时间:2019/9/10
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