矿井供电系统防越级跳闸的应用

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矿井供电系统防越级跳闸的应用
安徽理工大学 钱张康
文章简要讨论矿井供电系统的越级跳闸问题，防越级跳闸方案以及应用中的注意事项。

引言：随着时代的进步，电力的发展尤为迅速。

我国以火力发电为主，煤矿的开采必不可少。

拥有一个安全稳定的供电系统对于矿井作业是极为重要的，本文简要讨论了矿井供电系统中常出现的越级跳闸的问题，防越级跳闸的具体方案以及该技术在实际应用中的注意事项。

1 矿井作业出现的越级跳闸事故的原因
煤炭事业的发展总是伴随着不少事故灾难。

矿井作业环境十分恶劣，井中道路狭窄以及常年潮湿的空气环境，使得矿井供电系统设备，线路更容易氧化漏电，甚至有频繁的短路事故，导致大面积停电.其次我国矿井供电系统大多采用的是复杂的供电线路极短，延伸级数多的多级辐射状的供电网络。

这种复杂的电力线网络使得各线路的短路电流非常接近，只要一处发生短路，此处的短路电流就会以最短的时间急速上升至几千安培。

这种情况便会超出各级保护的动作电流，使得各级灵敏度紊乱。

假使上级速断保护的灵敏度高于本保护，那么上级保护优先做出动作，提前本保护跳闸，导致越级跳闸。

如果短路电流因为某些干扰因素而突破几万安培，严重的极有可能导致矿井中供电系统的总闸跳开，使得井下作业全面瘫痪。

矿井短路电流分析：
在矿井作业中，由于环境恶劣，经常出现的短路导致产生的短路电流数值很大。

所以计算短路电流值对电力系统分析来说是一件不可缺少的环节。

这里以位处宜兴地区的5-2煤盘区为例进行简要说明。

针对此矿井供电系统运行状态的分析，首先要计算出短路电流，短路全电流等基本要素。

这里要注意的是，一般情况下电气设备以及载流导体的热稳定性是通过短路全电流的最大有效值来衡量的。

以某机构提供的信息，甲矿井是110kv 的变电站，母线电压也为110kv
，计算母线的总阻抗（这里使用标幺值计算）：
因此可以利用本矿井变电站母线短路电流26.99kA 以及该电厂的母线短路电流16.57KA 来计算短路电流。

35KV 供电线长度、基准容量以及基准电压依次取值为3千米、100MVA ，平均电压。

短路电流计算结果如表1所示。

经过简要分析，矿井供电系统超载跳闸有多种原因。

1）矿井中供电系统的线路分布的不合理，短路保护整定不易。

由于较短的供电线路，供电系统首末端短路电流差几乎为零，并且电力线路中电流的变化相对平缓，这就使得继电保护的范围减小。

速断保护不能正确作用，进而出现上级速断动作更快而导致的越级跳闸（肖立强,王晔,闰叶俊.煤矿井下高压电网越级跳闸的原因及防治措施[J].煤矿现代化,2010,6(3):31）。

2）矿井中供电系统的开关分配不合理。

矿井作业中经常产生易燃易爆的瓦斯等气体，因此安装了高压防爆开关。

防爆
开关的动作时间与继电保护装置的动作时间及其固有动作时间密切相关。

矿井中，潮湿的环境会延迟高压防爆开关本身固有的动作时间，因此，当发生短路事故时，地下防爆开关的移动速度比地面高压防爆开关慢，从而导致矿井供电系统的越级跳闸（户守岩.煤矿井下高压电网越级跳闸防治措施[J].山东煤炭科技,2016(8):112-113）。

表1 短路电流计算结果
回路名称
短
路点
综合阻抗
短路电
流周期分量起始值I （KA）
短路电流稳态值
（KA）短路电流冲击值
（KA）短路全电流有效值
（KA）
短路容量S （MVA）
工业场地35kV变电所35kV 母线 (最大运行方式下)K10.6709 2.33 5.93 5.93 3.53149.1工业场地35kV变电所10kV 母线 (最大运行方式下)K2
1.311
4.2010.711071 6.3876.29工业场地35kV变电所35kV 母线 (最小运行方式下)K30.8855 1.76 4.49 4.49 2.68112.93工业场地35kV变电所lOkV 母线 (最小运行方式下)
K4
1.526
3.61
9.19
9.19
5.48
65.55
2 防越级跳闸电路基本原理简述
（1）现今矿井防越级跳闸系统线路的设计，正常都是严格按照IEc61850 G00sE 国际规约进行安排的。

信息传递上针对以往传输通道进行改进，采取IEC 61850 GOOSE 技术完成以太网IEc 61850 IEC6187、5、104、隔爆交换机、工业以太网、地面监控、监控，保护系统之间的信息传递工作。

由于矿井中环境恶劣，矿井中的保护设备会定期维护更换，当出现保护效果更好的新设备，矿井中的保护装置全部都会立即被替换掉。

装置与所有交换机的信息传递全部通过矿井中铺设的电缆线路完成，利用电缆线路传递信息的快速准确性，保护装置与地面的交换机可以第一时间完成信息交流，极大的减少短路故障时信息采集时间和处理时间，这使得距离故障点最近的保护装置可以最快速度做出反应，切断故障线路，尽可能地相对扩充上级保护所需要的延迟时间，避开越级跳闸。

（2）有信息采集就离不开信息采集后的数据分析，矿井供电系统中针对电路的网络结构主要采用评估法。

当电路某线路发生故
障时，通过分析保护装置与交换机之间的传递信息，以及各级保护开关的状态，估算出故障线路的原因与具体线路位置，保证距离故障点最近的保护设备快速切断故障线路，几乎无时差的解决故障带来的问题，保护矿井供电系统正常线路的稳定运行。

由于保护设置的零时差保护，防越级跳闸系统更加及时准确。

如图2所示，防越级跳闸系统由网络交换机、电缆线路、联纵差保护器结构组成。

该系统中各级的纵差保护器的差动通讯时直接连在一起的，简单，有效的构成信息交流网。

在通过网络交换机，光缆等元件的连接，构成完整的信息交流纵差环状网络。

针对网络的运行状况，通常情况下通过监控通讯网络对地面交换机的电力调度要求，达到矿井供电系统的实时监控（刘跃.防越级跳闸技术在煤矿供电系统的应用[J].能源与节能,2017）。

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（3）供电系统中继电保护抛弃了传统的过电流速断保护系统，采用多使用集中式的保护方法，将电网络中的各种信息集中传递到地面的控制系统中，并且添加了差动保护弥补过电流速断保护的空缺，形成了一种新型的主保护体系。

该体系通过保护检测装置，利用地面主机的差动保护，实现保护系统的零时差动作，达到纵差保护的目的（刘跃.防越级跳闸技术在煤矿供电系统的应用[J].能源与节能,2017
）。

图1 防越级跳闸系统组成图
3 矿井供电系统防越级跳闸的方案分析
（1）矿井供电系统线路分布合理化。

针对矿井供电系统中排水阀等场所，使用单独的电源或双回路电源。

所以当电源线短路时，另一个供电回路可以立即启动，以降低地下大停电的可能性。

提高矿井供电系统的安全性和稳定性。

（2）矿井供电系统开关合理化分配。

针对高雅防爆开关的延迟
问题，改造高雅保护器，使传统的电流三段保护发挥应有的作用，动作时间控制在毫秒单位，而且可以在0到3秒范围内随意调节。

（3）矿井供电系统速断方案合理化。

为了供电系统更加稳定安全，可以安装微机综合保护装置。

当线路某处发生短路，短路点上各级保护接收到短路信号，下级并没有短路电流流过，下级保护不发出短路信号。

短路锁定信号连接至上位 微机综合保护装置的输入端，直接阻断上位开关快断功能，防止其立即跳闸。

而靠近短路点的一级开关因为下一级没有发出短路信息而不被闭锁，从而速断，切除故障电路，防止越级跳闸的发生（户守岩.煤矿井下高压电网越级跳闸防治措施[J].山东煤炭科技,2016(8):112-113）。

4 防越级跳闸实际应用中的注意事项
在预防越级跳闸过程中要严格遵守以下几点：1)矿井电力系统中任何保护装置都必须经过国家部门检验合格，满足井下防爆的标准；2）保护装置以及电力线路分配合理，不能集中分配于一处，
分离散开安置，提高安全系数，减小危险因素；3)提高矿井中的防爆装置、保护装置以及通讯装置的抗干扰能力，尽可能优化井下环境，减少干扰因素；4）在设计时，防越级跳闸装置应要有完整的
故障波形记录以及分析能力，要求准确性高，抗干扰能力强。

5 总结
我国矿井作业环境恶劣，空气潮湿，且极易产生易燃易爆气体，为了提高中国煤矿作业的安全，矿井供电系统的稳定性。

应进一步提高防越级跳闸的灵敏性，可靠性，速动性，加强实时监测。

（上接第148页）
图2 UC3843的输出波形
图2为UC3843的6脚输出波形，通过示波器可以观察到电路的频率以及周期，在实物测试时，由于器件本身的一些因素，并未达到理论值，由此电路的频率与理论计算有些偏差，在允许的范围内
认为该电路达到了要求。

图3 IR2104的HO端输出波形
图3和图4为驱动IR2104的HO 端、LO 间输出的波形，该波形为对称互补输出（刘庆新,程树英.双Buck 太阳能LED 路灯照明控制系统[J].电子技术应用,2011(5):142-145）。

由于电路之间相互影响，下管的输出波形并未达到理想的矩形波输出，但与理论分析相吻合。

在输入电压为12V 时，测得输入电流为3.105A ，输入功率为37.26W ；输出电压为58.542V ，输出电流为591.093mA ，输出功率为34.60W ，效率
，由此可以看出基本达到了设计的要求。

图4 IR2104的LO端输出波形
4 总结
从实验测试波形以及相关数据可以看出，输出波形与理论计算的波形稍有偏差，但并不影响整体的电路，该同步整流升压电路达到了所设计的要求，综上所述，本次实验测试基本满足了电路设计
的要求。

电路的结构简单、发热量小，适合在小功率场合中使用。