王 志

(晋能控股装备制造集团 天晟电气有限公司，山西 大同 037305)

煤矿井下环境复杂，设备的使用场所和运行工况恶劣，设备因特殊工况非正常运行，电缆受外力破坏、受潮、腐蚀，过载、短路、漏电、电压大幅波动等导致的跳闸事故时有发生。由于煤矿井下多级供电系统各级间距离近、电缆容量大，很容易造成井下供电系统的越级跳闸，有时甚至造成地面变电站开关跳闸，造成全矿井停电。为解决这些问题，国内的矿用高、低压开关生产厂家提出了各种解决方案，设计了各不相同的防越级高低开关综合保护单元，以及根据解决方案实现原理新增的分站设备、配套模块和通信设备。这些解决方案的应用在一定程度上降低了煤矿井下供电系统越级跳闸的频率，但也带来了许多新的问题。由于实现原理不同，需要统一系统中全部高低压开关的保护，部分方案需要新增电力监控分站及通信设备和网络，增加了成本，给供电系统改造、运行维护带来不便[1-3]。

通过探寻越级跳闸的本质原因，综合考虑用户的现场条件，采取科学合理的技术手段，全面考虑通信、高低压电气设备的国家、行业标准以及智慧矿山的新要求，提出一种基于保护单元的去中心化防越级跳闸解决方案。

1 当前解决方法及优缺点分析

1.1 方 法

1) 系统式防越级方案。微机保护装置将故障信息通过变电所内的以太网传输分站传输到电力监控后台，由监控平台收集和判断出离故障点最近的开关并给该开关发送跳闸指令。接到指令的开关跳闸，系统中的其他开关闭锁。

2) 数字化站防越级方案。以全网数据共享为基础，高压开关中没有微机保护装置，而是数据汇聚单元，具备千兆光纤数字通信接口，将开关的数据信息传输至数字变电站后台的控制单元。由控制单元完成全矿井高压开关的信息分析和仲裁，发出动作指令。

3) 级联纵差防越级方案。线路中的上级变电所的分开关和下级变电所的总开关形成通讯联络，电流差为0时相互闭锁不动，电流差非0且幅值满足动作值时瞬动。开关拒动时，线路中的所有开关按设定的后备过流保护动作时间动作，或按定时限动作。

1.2 优缺点分析

1) 解决问题的完整性：系统方式、数字化站方式、广播闭锁方式问题解决完整。级联纵差的方式不完整，有盲区，并且在开关拒动或动作时间超时时，各级开关还会出现越级跳闸或跳闸时间过长。

2) 解决问题的风险性：防越级跳闸的目的是减少事故影响范围，系统方式、数字化站方式为集中分析和决策，一旦系统后台或主通讯线路出现问题将直接导致全网瘫痪。

3) 解决问题的经济性：级联纵差方式只需要增加通讯转发器，经济性较好；系统方式和数据化站方式需要建立完整的电力监控系统平台，交换机、服务器、环网、后台一样不能少，经济投入较高。

2 事故原因、检测方法及国家标准

2.1 过载、短路

短路、过载发生时，故障回路的各级开关几乎同时检测到几乎相同的电流。

每台开关的短路和过载保护是通过检测、放大比对、执行元件来实现的，涉及到电流互感器、保护放大比对电路、中间继电器和断路器等硬件，完成整个过程用时50～80 ms。开关保护的动作时间执行MT111-2011和GB 14808-2016两个标准以及开关的额定电流整定，只要满足开关保护设定值，就会跳闸，因各开关出厂硬件差异，导致上下级保护装置随机动作而发生越级跳闸。

2.2 欠 压

电力系统电压波动或发生短路故障时都可能出现供电系统欠压。欠压会从两方面影响供电系统，一开关设备的综合保护无法正常工作，造成保护工作不正常且无法将故障信息传输到供电系统；二开关设备断路器失压检测跳闸，高压开关欠压脱扣器执行GB/T 11022-2011标准，当欠压脱扣器端子电压降到(即便是缓慢地和逐渐地下降到)它的额定电压的35%以下时，它应该动作使开关装置分闸；当超过它的额定电压的65%以上时，不动作；由于欠压脱扣器出厂时参数不同，当欠压脱扣器端子电压低于额定电压的65%时，欠压脱扣器可能会动作，引起越级跳闸。

2.3 漏 电

漏电保护是高低压开关综合保护器最复杂的一个部分。用于漏电方面的检测就有3条之多：零序电流检测、零序电压检测(部分开关厂家做成零序电压+三相同步电压的综合检测)和附加直流漏电检测(开关设备做为总开关时投入)。但是当供电系统发生单相接地故障时，由于各级线路电容电流的大小和方向受电缆长度、电网运行方式及消弧线圈补偿度等影响，很难通过检测上下级线路漏电电流的大小和方向来保证接地选线的纵向选择性，从而引起越级跳闸。

2.4 供电系统各级开关选型及保护整定

由于设备临时更换或不按规定整定保护参数，供电系统上下级开关选型、保护参数整定不当，造成的越级跳闸。

3 解决方案

3.1 原 理

煤矿井下供电系统由多级多分支组成，每级都可能有数台开关，整个供电系统像叶脉一样延伸，节点开关多达上百台。但当故障发生时，实际只需要考虑故障支路上行每级的1台开关，而解决越级跳闸问题的本质就是如何快速准确地找到故障支路离故障点最近级的那1台开关，快速可靠跳闸，并保证支路上级开关在它动作确认前不跳闸。防越级跳闸系统构建时不考虑非常态的通过联络开关切换其他电源的状态，只考虑正常供电时的供电层级。下面以晋能控股煤业集团同忻矿供电系统防越级跳闸系统解决方案为例进行详细说明，供电源自地面变电站，中央变电所逐级向下延伸了7级，如图1所示。

图1 煤矿井下防越级跳闸系统

首先建立总线通讯模式的通信网络，不足500 m距离的上下级和同一配电点的同级开关使用CAN通讯，距离超过500 m的使用光纤进行通讯；其次根据开关按处于防越级跳闸系统的位置设置层级；总线数据通信没有主从之分，任意一个节点可以向任何其他(一个或多个)节点发起数据通信，靠各个节点信息优先级先后顺序来决定通信次序，高优先级节点信息在134 μs通信；多个节点同时发起通信时，优先级低的避让优先级高的，不会对通信线路造成拥塞。保护防越级跳闸工作流程,如图2所示。

图2 保护防越级跳闸工作流程

假如6-2号开关负荷发生短路故障，5-5号、4-6号、3-2号、2-2号、1-1号开关会同时检测到故障电流，并可能满足短路保护触发条件。这时优先级高的6-2号开关发出带有站号的故障信息,但不会收到其他开关的故障信息，启动零时限保护，跳闸。其他检测到故障的开关延时2 ms(通讯时间)，对比故障信息层级与自身的级差，按级差进行延时，延时Ts=(m-n)×T，延时过程中周期按优先级发出带层级的故障信息；延时结束时如果自身故障存在，启动零时限保护，跳闸；自身故障消除，恢复正常保护状态。

3.2 综合保护器的硬件设计

除具备一切常规开关保护功能及端口外，对供电进行了改进:电源采用宽幅供电电压，保证供电系统欠压状态保护正常工作；增加了能信模块，通信模块具备两个光纤通信接口和两个CAN通信接口，同时保留了传统的485接口，预留了5G无线通信模块接口。无需任何外部设备供电系统各节点开关就可以组建通讯网络，即使在部分通讯中断的情况下，局部的供电系统也具备局部防越级跳闸的能力。

5 结 语

基于保护单元的煤矿井下防越级跳闸解决方案，从供电系统越级跳闸问题的本质入手，充分利用保护自身的数据处理潜力，采用CAN总线通信和光纤通信复合级联的方式，实现了供电系统各节点开关的故障状况共享，保护采用简单高效的工作原理，可以有效地解决煤矿井下供电系统的越级跳闸问题，对煤矿供电及生产安全具有重要意义。