贾云胜

（霍州煤电集团悦昌项目部，山西 霍州 031400）

煤矿供电系统稳定是保证矿井正常生产的重要条件之一，受地下开采条件影响，矿井采用三级供电系统，由地面变电所延伸至中央变电所后再延伸至各个采区变电所，矿井特殊的工作环境决定其垂直多层级的供电模式[1-2]。这种供电模式下的配电网结构单一、相互之间影响程度高、输送距离短极容易发生越级跳闸事件[3]。例如：在配电网的某段电路一处发生短路故障并且母线开关检测到故障的发生，而由于矿井地面变电所设置的电路短路保护时间定值小，母线开关可能先于井下馈线开关动作，发生越级跳闸事故，导致井下大范围停电，从而影响矿井的正常生产，因此，研究矿井防越级跳闸技术对矿井的安全生产具有重要意义。

1 越级跳闸原因分析

越级跳闸现象是当供电系统出现短路故障时，非故障电路开关跳闸导致正常电路断电，停电范围扩大的现象。导致矿井供电系统出现越级跳闸现象主要因素包括以下5种：

（1）继电保护原因。井下供电线路多属于1～3km的短线路供电，由于短线路供电中的各个线路之间的电流相差小，线路的电流值不可以当做区分供电线路正常区与非正常区的标准，因此，与常规保护相比，井下供电系统采用逐段延时跳闸的手段对过流进行保护更为合适。该手段由于保护级数多、延迟较长，极容易造成整个供电系统的延迟时间比短路保护规定时间长，线路开关动作时间大于时间级差，馈线开关不能及时动作。因此，在过流故障产生，系统母线开关在同一时间进行保护跳闸措施时，发生越级跳闸现象。

（2）开关电源原因。大部分矿井井下使用的防爆开关电源是开关主回路，而没有装备专用电源，因此，在主回路发生谐波、失压、三相不平衡、短路等情况时，起保护与控制作用的电源同样处于故障状态，不能正常进行供电，从而引发开关拒动或者误动，造成越级跳闸现象。

（3）失压保护方式的原因。矿井使用的高低压开关柜均安装有失压脱扣器，以避免线路带负载供电。失压脱扣器在供电电压值为额定电压的65%以上时能够吸合，在其值为额定电压的35%以下时，能够可靠断开，然而，当其值处于35%～65%之间的时段为不可靠工作段，失压脱扣器迅速执行机械速断动作。造成设置的过流延时保护作用失效，从而产生越级跳闸现象。

（4）线路电压波动的原因，在矿井供电系统中，大型设备的启动、接地、外界因素的干扰等均可以造成线路电压瞬间波动，当其波动后的电压值处于额定值的65%以下时，失压脱扣器动作致使开关失压保护跳闸。

（5）电气干扰的原因，由于矿井井下潮湿，环境差，且软启动和变频设备使用情况多，因此，配电网中的浪涌现象和谐波现象均会对线路造成一定的干扰，导致越级跳闸现象的出现。

2 越级跳闸的解决方案应用对比分析

2.1 电气闭锁方案

由于井下供电环境差，且干扰因素较多，因此不能保证需要闭锁信号远距离稳定传输，从而造成拒动或者误跳的结果。由于电气闭锁电缆接线方式的设计一般按照1条进线与多条出线的方式，但矿井供电是双回路供电，在检修或正常运行中，两条进线会出现分列、并列的方式，所以，需要根据实际的供电方式对线路间的闭锁关系进行动态变更。因此，受限于复杂的线路布置，造成施工困难，且最后在闭锁装置发生故障后，维修相对困难，因此，电气闭锁方案在应用过程中缺乏实用性。

2.2 分站集中控制方案

分站集中控制方案需要建立分站，通过分站与控制区域内的带防越级跳闸功能的开关建立起牢靠的通信。当控制区域某处线路出现短路，开关会将监测到的故障信号传送至分站，而后，根据预先设置的供电网络拓扑，分站能自动识别出距故障地点最近的开关，最后，分站发出跳闸信号，目标开关自动跳闸。基于上述分析可知：分站控制方案对分站与开关之间的通讯要求比较高，一旦系统的通讯出现故障，就会发生错误识别，从而造成开关误动，因此，该种防越级跳闸方式在矿井实际应用中没有得到推广。

2.3 数字化变电站方案

数字化变电站方案是将井下高开与地面变电站保护器之间的电气信息利用光纤通讯介质传送至综合单元，综合单元利用所传送信息中的故障信息判断出现故障的地点，并实现开关跳闸。由于井下高开保护器属于本安型防爆设备，且国家有关部门规定，高压开关保护器为开关内部器件，在没有检测的情况下禁止更换，因此，做到井下高开与地面变电站保护器之间统一具有难度。

2.4 光纤电流差动保护方案

光纤电流差动保护是近几年供电线路保护中发展最为快速的保护方式。该保护方式中两端信号利用光纤介质实现传输，对供电线路内外部电流依据基尔霍夫电流定律进行可靠有效判断，对筛选故障线路起决定作用。由于该保护技术具有可靠、准确的优点，因此，在矿井防越级跳闸保护中得到广泛应用。

3 光纤电流差动保护技术工程应用

3.1 光纤电流差动保护设计

霍州煤电集团悦昌项目部针对因线路短路问题导致的矿井高压线路越级跳闸的情况，高开综保装置选择ZKJB-2000新型综保装置，并利用光纤电流差动保护、三段式过流保护及32位DSP芯片等技术，对矿井上级、下级配电范畴内的多台高压开关保护器建立起纵向通讯网络，能在短路故障发生后迅速识别出故障区域，而后对故障附近处开关迅速完成跳闸动作，从而防止越级跳闸情况的发生，保证供电系统的稳定、高效。除此之外，ZKJB-2000新型高开综保装置内部设置有自动识别算法，当联络开发状态发生改变的时候，出线开关会及时对上级传送的开关状态进行诊断，同时自动建立差动保护算法，从而大大提高防越级跳闸保护系统在不同供电模式中的适应性。

3.2 工程应用

光纤电路差动保护装置的防越级跳闸功能的实现是建立在通讯的基础上，装置设计以CAN2.0为通信接口，开关通讯以独立电缆为介质实现，站站之间以光电转换后的光缆实现通讯联络，提高了系统的抗干扰能力及可靠性。由于该系统中开关间的电缆连接施工比较方便，且对高开防爆设计不需重新整合，因此，保护设计较为简单。所有高开保护器中均设有故障自动识别算法，从而保证发生独立开关故障时不会对大面积开关设备产生严重影响。

（1）同一个变电站内开关间信号传输的联机方式采用纵差式，ZKJB-2000新型综保装置纵差式联机通信的实现采用屏蔽双绞电缆，联机方案设计如图1所示。

图1 同站内纵差保护联机方案

（2）不同变电所站间的上下层之间的通信采用光纤纵差联机方案，该方案的抗干扰功能强，且传输性能可靠，方案的实施需要在变电所之间的所有站内安装1部光纤数据接口以保证信息传输的可靠（如图2所示）。

图2 站站之间纵差保护联机方案

（3）将具有监测及维护作用的分站安装在中央变电所内，此分站具有监测网络中所有开关的网络通讯情况、光电转换、光纤数据接收、发出的功能，同时具有远程维护保护器运行参数、对报警进行记录、查询的作用。

4 结语

（1）通过对比各种防越级跳闸的解决方案，可知光纤电流差动保护方案具有可靠、准确的优点，且该保护易于操作，设计简单，适合在煤矿工作环境中应用。

（2）ZKJB-2000新型高开综保装置能在短路故障发生后迅速识别出故障区域，而后对故障附近处开关迅速完成跳闸动作，从而防止越级跳闸情况的发生，保证供电系统的稳定。