礦井高壓電網防越級跳閘技術研究

曹敏行

(同煤集團 王村煤業公司，山西 大同 037000)

1 研究背景

王村煤業公司礦井井下供電系統電源引自喬村35 kV變電站，地面8回路(西風井通風機2回路；主井配電室2回路；副井提升機2回路；副井空壓機房2回路)，井下4回路(罐底變電所2回路；東盤區一變電所2回路)，均為雙回路供電。東盤區二變電所2回路供電線路來自東盤區第一變電所。

就礦井供電現狀而言，從井上至井下不同采區變電所之間大多存在供電線路較短，采用多級變電所進行串聯供電的現象，該供配電網絡實際供電距離相對較短，易出現較大的短路電流。因各級供電網絡首端短路電流與末端短路電流不會有太大差距，如果仍采用傳統繼電保護模式進行保護作業，則整定工作就會相對較困難，加之存在過多的供電級數，準確整定時間級差也很困難，因此，當電網出現短路故障時便易發生供電系統越級跳閘現象，而該故障的發生會嚴重影響到礦井通風設備、排水設備、采掘設備以及運輸設備的正常運行，進而會對礦井的日常安全生產作業造成嚴重威脅[1]。

當前，為有效預防礦井高壓電網發生越級跳閘故障，人們研究出了一系列預防越級跳閘故障的措施，這些措施在理論上都是可行的，但由于礦井生產環境惡劣，存在的干擾因素眾多，在實際生產作業中，還應根據礦井高壓電網越級跳閘原因對預防跳閘的措施進行科學、合理的選擇，以便更好地保障礦井供電系統的連續可靠安全運行。

2 礦井高壓電網越級跳閘原因探析

2.1 保護裝置動作不可靠

一般礦井所用高爆開關種類較多，數量較大，這些高爆開關通常不是同一廠家制造的，即使為同一廠家制造，但隨開關生產批次的不同其實際性能也會存在很大不同。當供電系統出現短路現象時，便時常會出現上一級線路開關比下一級線路開關先跳閘的情況，即出現越級跳閘故障。另外，很多高爆開關制造商在生產高爆開關時對開關的隔爆性較重視，加之礦井生產環境相對較差，當礦井出現短路故障后，通常地面開關會比井下開關較先動作，從而發生越級跳閘現象[2]。

2.2 整定方法不科學、不合理

在實際生產作業中，人們一般會應用電流三段式保護來進行煤礦電網線路的保護作業，現場技術人員通常會依據自身工作經驗，并參照負荷最大時最大工作電流的3倍～5倍的量來整定地面變電站下井饋出線保護定值。當確定好此保護定值后，礦井其他線路參照該定值并逐級適當降低以確定下級保護定值。當采用該種方式來確定保護定值時，最終確定出來的保護整定值一般會相對較小，當礦井線路發生短路故障后，其沿線開關都會發出保護動作，易發生越級跳閘故障。

2.3 電纜線路較短，速斷電流較大

當礦井供電電纜相對較長時，在供電系統發生短路故障的情況下，所用電纜的首端短路電流與末端短路電流便會存在較大差別，該短路電流屬于一種“陡形”狀，易實施保護作業。而當礦井供電電纜較短時，因首端短路電流與末端短路電流差別不大，這時的短路電流屬于一種“平緩”狀，上級短路電流與下級短路電流不易區分，實際保護范圍較小，很難開展有效的保護作業，便易出現越級跳閘現象。圖1為線路長度與短路電流具體情況關系圖[3]。

圖1 線路長度(L)與短路電流(I)關系圖

當速斷電流過大，處于保護裝置可達最大速斷電流之外時，在CT配置不當，出現飽和現象時，保護拒動，便易出現越級跳閘現象，最終會影響供電系統的正常運行。

2.4 欠壓動作

礦井中使用的高爆開關很多都裝有欠壓脫扣器，當礦井實際電壓大于85%的額定電壓時該裝置可迅速吸合；當礦井實際電壓在65%～85%的額定電壓之間時，欠壓脫扣器可勉強吸合；而當礦井實際電壓小于35%的額定電壓時，便會出現可靠釋放現象，此時動作延時便無法整定出現瞬動現象。而當出現短路故障致使電壓逐步降至35%～65%的額定電壓之間時，受沿線開關存在的欠壓影響，此時脫扣器可能發生動作也可能不發生動作，便易出現越級跳閘現象；當短路故障出現于離母線較近處時，此時母線電壓易出現較嚴重的瞬間失壓現象，母線上裝有的其他開關所配備的欠壓脫扣器便易出現誤動作，引發越級跳閘故障；此外在實際生產作業中，也有很多礦井易出現因高壓變頻器的欠壓保護而引發的供電線路越級跳閘的現象[4]。

3 預防礦井高壓電網越級跳閘故障的措施

3.1 對保護裝置的性能進行定期測試

礦井所用的高爆開關實際切除故障時間應與綜保裝置動作時間以及斷路器跳閘時間之和相等。在日常生產作業中，人們可用繼電保護特性測試儀來準確測定綜保裝置動作時間，在進行測試作業時，可先卸下綜保裝置并將其帶至地面后再實施測試作業；而對于斷路器跳閘時間的測試，人們可借助簡易的機械特性測試儀在井下直接測試。礦井所用高爆開關順利切除故障的時長通常為200 ms左右，同時應留設100 ms左右的富裕量，一般人們會取0.3 s的時長作為Ⅱ段保護與過流保護之間的延時間隔。在實際生產作業中，為確保所裝設的保護裝置性能可靠，一方面應對保護裝置的具體性能進行定期測試，另一方面應盡量選用同一廠家生產的高爆開關，這樣才能更好地預防礦井高壓電網發生越級跳閘故障。

3.2 合理整定保護定值

采用常用的電流三段式進行保護整定作業時，應先參照進線短路容量并充分結合線路參數、設備參數等來開展短路計算，其次再按照各線路的短路電流來進一步整定保護定值。

筆者基于繼電保護操作規范，并充分結合自身工作經驗建議依據下列原則來進行電流三段式保護整定作業：在整定電流速斷保護時，可依據線路末端的最大三相短路電流進行整定；若變壓器為線路末端，可依據變壓器的其他側母線中的最大短路電流進行整定；若遇到靈敏度不達標的情況，可依據確保本線路可達最小靈敏度1.5倍的值實施整定。此外在整定雙側電源線路時，應先在保護整定值相對較小的元件上裝設功率方向元件后再實施整定作業。

在整定延時電流速斷保護時，應采用與相鄰線路電流的Ⅰ段保護充分配合的方式來進行整定，可將時限選擇為0.3 s左右；若在整定作業中發現其靈敏度不達標時，可與相鄰電流Ⅱ段時限充分配合來實施整定作業，可把級差選定為0.3 s左右[5]。

3.3 優化線路保護原理

當線路首端短路電流與末端短路電流沒有太大差別時，此時電流保護便會較難整定，這時人們可通過配設其他保護原理的保護裝置對其進行整定。以縱聯差動保護為基礎的保護和以光纖數字通信為基礎的保護都十分有益于供電系統保護的數字化發展，有助于全網數據充分互聯、共享。在礦井供電系統中裝設光纖縱差保護或進行上級保護與下級保護的合理閉鎖，可更好地預防礦井供電系統發生越級跳閘故障，同時也有利于礦井防越級跳閘技術的數字化發展，未來值得推廣應用。

3.4 對CT的變比進行科學合理的選擇

當選擇礦井用于保護作業的CT時，應重點對CT變比(指電流互感器一次側與二次側電流大小的比例)與準確限值系數進行選擇。所選擇的CT在線路發生短路現象時，應符合動熱穩定要求以及產生的誤差不應超過10%的相關要求。

3.5 布設欠壓延時避開電壓暫降

當系統出現短路故障后，一般線路都會發生一電壓暫降現象，而此時欠壓脫扣器通常會瞬間動作，不能順利避過此電壓暫降。

基于上述現象，人們可在欠壓線圈回路處并聯一阻容部件，以使得欠壓線圈盡量出現延時脫扣現象，從而更好地避過系統電壓暫降；若礦井供電系統裝有欠壓保護器，當系統出現斷電現象時所裝設的欠壓保護器能及時、準確地將斷路器切斷，這樣便可避開欠壓脫扣器，借助欠壓保護器的延時功能成功避過系統電壓暫降。此外，針對一些較重要的負荷變頻器欠壓動作，也可以借助合理的串聯動態電壓恢復器來對跌落電壓進行適當補償，從而把電壓暫降現象成功消除[6]。

4 結束語

總之，確保礦井供電系統電能的連續可靠供應是保障礦井正常生產的基礎。對此，在實際生產作業中，人們應從本礦井供電現狀出發，找出礦井高壓電網發生越級跳閘的原因，并采取一系列行之有效的防越級跳閘措施，只有這樣才能更好地預防礦井供電系統發生越級跳閘現象，保障礦井供電系統的穩定運行。