煤矿越级跳闸事故原因分析误区及解决方案

煤矿越级跳闸事故原因分析误区及解决方案

对短路本质进行了剖析，分析了现在对越级跳闸问题的几种错误认识，对几种解决方案进行了比较，并提出了现阶段内最好的解决方案。

标签：煤矿供电；越级跳闸；光纤纵差；继电保护

煤矿企业用电设备集中，供电线路短，整体负荷变化大，电压波动幅度大，井下环境复杂，除以上几点另外井下供电系统的放射式拓扑结构也决定了要做好煤矿供电工作不可避免的要面对越级跳闸问题。

1 原因分析

要解决越级跳闸问题，就必须深入理解短路故障的本质和短路电流的变化过程。

1.1 短路故障分析

短路故障发生时，短路电流中包含两个部分：周期分量iP与非周期分量iaP，在发生短路的瞬间，三相中一相电流幅值偏高；短路故障进入稳态后，只剩周期分量iP，并且三相电流对称。

假设在供电网络的F点发生三相短路，各项数据满足以下方程式：

方程解为

在煤矿高压供电系统中，由于供电线路很短，电阻较小，R■＜■X■，故?渍F≈90°，当F=50Hz时，短路电流达到峰值时间为0．01秒（此值为最不利的情况下达到峰值的最快时间），非周期分量的衰减时间通常不超过0.2S。

1.2 开关跳闸分析

现在使用的保护装置都是单片机控制的电子式保护，单片机具有很高的工作频率，使得电流、电压检测周期大大缩短，只需要达到2~3个周波，信号确认时间只需要0.03~0.04秒，总体跳闸执行完成时间一般在0.07到0.09秒（根据不同保护和执行机构有一些差异）。

1.3 分析误区

误区一：认为由于井下环境潮湿，高压防爆开关机构卡涩、不灵活，增加开关的固有动作时间，造成当发生短路故障时，地面的高压开关柜动作快于井下的高压防爆开关，而造成井下越级跳闸。

错误原因：速断保护跳闸只要达到定值，会立即执行无时限速断，保护动作不会返回，所以越级跳闸与开关机构卡涩没有关系。

误区二：保护定值计算不正确或者不准确，造成保护范围过大，引起保护没有选择性跳闸。

错误原因：首先，由于煤矿供电线路程放射状，供电线路短，由于存在井上井下两套设备，造成在很短的线路上有多台开关，一旦发生短路，上级所有保护测得的短路电流差别不大，均会速断保护跳闸出口动作；其次，本身速断保护的保护范围就比较小（保护线路的60-80%），若增大速断保护的定值，保护范围会进一步缩小，甚至变成0，反而起不到保护作用；最后，在很短的线路（一般不超过1km）上精确的确定保护范围，非常困难，目前各类继电保护装置的保护定值的设置准确度无法达到此要求（准确度只有0.1A）。

1.4 原因综述

基于由以上分析，下面试述越级跳闸原因：如果按照标准的继电保护定值计算方法，按照三段式保护的配置原则，由于煤矿供电线路较短，计算结果将导致供电线路上下级开关Ⅰ、Ⅱ段保护的定值大小会比较接近，一旦线路末端发生短路故障，整条线路的短路电流变化曲线较平缓，也就是说离短路点较远和较近的地点的电流变化不大，上下级开关的Ⅰ段保护都达到动作值，速断保护只要达到定值，会立即执行无时限速断，保护动作不会返回，上下级开关会立即同时跳闸，Ⅱ段保护在多数情况下也会同时启动延时，由于Ⅱ段保护在上下级之间一般有0.5s的时间差，故在此可忽略。

Ⅰ段无时限速断保护即要符合继电保护整定原则中快速性的要求，又要满足选择性的要求，在此就遇到了两难的境地，快速性和选择性发生矛盾。

2 解决方案

如果井下因为某回路短路，采区变电所越级跳闸，会造成采区大面积停电，影响采区局扇供风，引起瓦斯积聚，直接危及一线采煤工人生命安全。如果引起地面变电所下井回路甚至变电所进线断路器跳闸，将会造成井下大面积停电甚至整个煤矿生产系统瘫痪。这就要求我们在进行保护配置时，必须要保证选择性，保证选择性的目的就是要把故障影响范围控制在最小。

2.1 几种常用解决方案的分析

2.1.1 电气闭锁方式。首先，该方式使用485通讯方式，该方式可靠性差，容易受外部干扰，在远距离传输时无法保证数据的准确性，容易造成错误，在短

路发生时容易出现拒动、误动等问题；其次，该方式需要实现多个出线与一条进线的闭锁关系，这就需要较复杂的电缆连接，且数量较多，由于煤矿供电必须是双回路，在正常或检修时，都会改变现有运行方式，造成逻辑闭锁程序设计复杂；最后，该系统的自检部分并不完善，通讯故障时无法很快倒切。以上可以看出，这种方式在实际运用中问题较多，可靠性较差。

2.1.2 分站集中控制方式。该方式预先将供电网络划定若干区域，在区域内安装集控分站，分站与区域内所有开关建立通讯。当发生短路时，开关将短路电流信息传给分站，分站通过内部的比较程序确定距离短路点最近的开关，发跳闸命令。该方式对通信的可靠性要求极高，通讯网络故障时，供电系统将失去无时限速断保护，分站变为控制核心，也变为最薄弱环节。在实际使用过程中中经常无法起到防止越级跳闸的作用。

2.1.3 基于全网数据共享的数字化变电站方式。该方式是最有发展前途的方式，它在将来不仅限于继电保护，还有可能会和物联网结合，可以将整个供电系统进行深度的整合，可以将全网的数字信息共享，通过光纤数字接口，将各个设备的各项信息进行智能处理，将故障信息，跳闸命令通过光纤输出控制跳闸。但是这种系统性的设计，需要数字化的CT和PT，以及其他数字化的信息采集装置相配合，鉴于我国目前数字化设备的技术水平和装备现状，投入十分巨大，目前无法实现，只能做小范围的试验。现在将解决煤矿越级跳闸问题与全网数据共享的数字化变电站联系起来，还为时尚早。

2.2 现阶段解决方案的提出

通过以上分析，笔者在此提出一种现有的简单方式解决越级跳闸问题，我们可以借鉴线路光纤纵差保护技术原理，该技术在地面普遍使用，技术成熟，可靠性有保证，光纤信号抗干扰能力强，传输速度快，可以保证无时限速断的执行速度，针对煤矿上下级开关多，且多采用放射状供电网络，在上下级变电站之间，变电所内部进线与馈出线之间安装光纤纵差保护装置，让光纤纵差保护替代无时限速断保护，定时限速断作为后备保护。光纤纵差保护将煤矿供电系统智能化的分成几个部分，当故障发生时，可以迅速判断故障点位置，识别区内故障和区外故障，跳开距离故障点最近的上级和下级开关，有效地控制了由故障引起的跳闸范围扩大。另外通过编程，实现对系统运行方式的智能判断，当运行方式发生变化（母联位置变化）时可以重新建立上下级区间关系，做到故障时及时处理。

这种保护原理能兼顾快速性和选择性，可以很好的解决煤矿越级跳闸问题，符合我国现阶段电力系统和高压开关设备的现状，是现阶段最理想的解决方案。

参考文献

[1]董小秋，张伟．基于闭锁控制的煤矿供电系统防越级跳闸新方案[J]．中州煤炭.2012，203（11）：14-16．

[2]卢喜山，张祖涛，等．煤矿供电系统基于纵联差动保护原理的防越级跳