井下电网越级跳闸的研究及解决建议
第６期
２００８年１２月
工矿自动化
ＩｎｄｕｓｔｒｙａｎｄＭｉｎｅＡｕｔｏｍａｔｉｏｎ
ＮＯ．６
Ｄｅｃ．２００８
文章编号：１６７１－－２５１Ｘ（２００８）０６一０１３６一０３
井下电网越级跳闸的研究及解决建议
吴文瑕１，陈柏峰１，高燕２
（１．国网电力科学研究院，２．国电南京自动化股份有限公司，江苏南京２１０００３）摘要：井下供电系统出现短路故障时，越级跳闸事故时常发生，造成大面积停电，引起瓦斯积聚，威胁井下工人生命安全，严重时将会造成整个煤矿生产系统的瘫痪。文章分析了井下高压电网越级跳闸产生的原因，指出了井下高压电网供电线路较短、继电保护的质量及速断保护方案是影响井下高压电网越级跳闸的主要原因，并给出了解决井下高压电网越级跳闸的建议。
关键词：矿井；电网；越级跳闸；微机保护；选择性；速断保护
中图分类号：ＴＤ６１１文献标识码：Ｂ
０引言１越级跳闸产生的原因
我国煤矿井下电网大多采用短电缆（１００～１０００ｍ）组成级数较多的辐射状的干线式级联网络，实际运行中，由于综采工作面工作条件较差、环境比较恶劣，电缆在回采过程中来回拖拽，容易受损。一旦电缆受损就可能造成电缆绝缘击穿而形成相间短路，引起电网系统短路故障。由于井下配电回路阻抗较小，通常下级回路发生短路故障时，短路电流比较大，超过上级装置速断保护整定值，使上级速断保护启动而造成越级跳闸，甚至越过多级。如果越级跳闸到上级采区变电所，不但造成井下大面积停电，影响采区生产，还会影响井下各级风机，引起瓦斯积聚，危胁井下工人生命安全。如果越级跳闸引起地面井下中央变电所进线馈出柜断路器跳闸，将会造成整个煤矿生产系统瘫痪，严重威胁矿井及人身安全ｕ￣２Ｊ。
收稿日期：２００８－－０６—２０
作者简介：吴文瑕（１９７９一），男。江苏扬州人，助理工程师，２００１年毕业手南京工程学院，现主要从事电气自动化研究方面的工
（１）开关机构原因
因机械工艺原因或开关机构卡涩等原因，造成高防开关拒动而引发上级后备保护动作，引发系统越级跳闸。
（２）供电设计不合理
因供电设计原因，造成保护死区或保护上下级无法配合。参考文献１－３３中指出因为短路电流不流经现场保护的电流互感器，保护无法感受到故障电流而造成本级保护不动作。参考文献［４３中指出开闭所出线保护和高配室内保护不能互相配合，开闭所发生故障时，高配室保护先动作，引起高配室全停的越级跳闸事故。
（３）整定值整定不当
由于定值计算不准确、定值输入不当、或者由于运行方式改变后，没有重新计算定值。参考文献［５３中指出由于保护配置整定计算方面的错误造成了１条线路故障引起多条线路跳闸的事故。
（４）继电保护原因
继电保护由于种种原因造成保护不动作、动作但出口不跳闸、或者继电保护动作时延不准、离散性
作。Ｔｅｌ：１３９５１６１８０４１，Ｅ－ｍａｉｌ：吼。。ｘ＠１２６．ｃｏｍ较大造成越级跳闸。参考文献［６］中指出某保护装
机控制系统中，大大提升了系统的再利用率。
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２００８年第６期吴文瑕等：井下电网越级跣闸的研究及解决建议?１３７?
置整定值为０．１ｓ时，其测试时限在０．１５～Ｏ．４３ｓ之间变化。
（５）操作电源原因
由于操作电源原因，造成开关拒动或者保护动作后不能跳闸。参考文献Ｅ７３中指出４１号开关直流控制回路保险ＩＲＤ氧化锈蚀，直流电压达不到保护元件的启动值。参考文献［８］中指出中央变电所故障开关柜拒动的主要原因是当高压馈出线发生短路故障时，引起中央变电所控制电源电压降低。
（６）其它设备原因
由于没有严格把好质量关，设备的质量较差。参考文献Ｅ９３中指出由于电流互感器质量原因导致３０４回路速断保护拒动，越级造成上级区域变电站保护动作。
２井下高压电网越级跳闸的主要原因分析
２．１井下供电线路较短、短路电流较大
当井下供电线路较长时，其首端和末端的短路电流级差较大，因此，短路电流的变化趋势较陡，保护范围也较大；当井下供电线路较短时，短路电流的变化趋势平缓，速断保护的整定值在考虑了可靠系数后，其保护范围将很小甚至为零。
而井下高压电网大多是采用长度较短的多段电缆线路构成供电网络，其上下级的短路电流一般很难区分，有的线路的速断保护范围基本为零。往往下一级回路发生短路故障时，由于短路电流很大，即使上下级回路在速断保护整定值上有一定级差，却起不到级差作用，往往上下级速断保护同时启动，造成上下级保护同时动作或上级抢先动作而越级跳闸。有的线路虽然较长但电缆截面较大，短路电流也很大，短路故障时也容易引起保护越级跳闸。对于微机保护来说，短路电流超过定值，微机就启动保护，短路电流的大小不影响保护动作时间，所以当上级保护启动时，无时限的速断保护将同时与下级保护动作。
２．２继电保护的质量
由于受经济因素等原因，井下高压电网一直使用的是老式数字化保护，已经严重滞后于电力系统的发展。在某些老式保护里使用了大量电位器、拨码开关作为时间定值、电流定值，随着工作的时间延长，电位器难免出现偏移或损坏造成定值不准；而井下相对潮湿的环境，常常使拨码开关因为腐蚀而接触不良，这些都可能造成保护装置拒动或误动。虽然部分煤矿已开始使用微机保护，但某些微机继电保护只是在老式数字化保护基础上的部分改造：没有摒除电位器而采用真正意义上的微机保护；没有完善的软硬件自检系统；没有完备的抗干扰、抗扰动的措施，装置容易因为外界扰动造成拒动、误动、超前动作。
２．３速断保护方案
传统的速断保护是按常规设计，上下级保护动作时限按Ａｔ为０．５ｓ的阶梯配合原则，下级保护应比上级保护时限少０．５Ｓ。而电力系统为了迅速、准确地切除故障，一般将工矿企业的１０ｋＶ电源馈出线电流速断保护动作时限多数定为０Ｓ，即地面井下中央变电所进线馈出柜速断保护采用０ｓ动作时限，致使井下各级速断保护时限只能整定为０ｓ。即使能够满足时限配合，如果速断保护不能瞬时动作，而采用延时动作，就需要增强电缆在故障时通过大故障电流的导电能力，同时也要增加电缆绝缘和防爆性能，这就需要增加大量投资，系统安全性也会变差‘１引。
井下高压电网的继电保护现大多采用老式数字化保护，保护延时只能整定为０Ｓ、０．１Ｓ等固定时限，不能实现无级整定（如动作整定为０．１２ｓ）。而且装置动作离散性也较大，某些井下老保护由于种种原因，其保护０ｓ动作时间离散性在１０～１００ｍｓ之间。保护功能一般只有两段过流保护，保护功能也比较欠缺，无法实施各种新型速断保护方案。
３井下高压电网越级跳闸解决方案的建议
３．１重要负荷尽量独立供电或双回路供电
由于井下高压电网采用多级短电缆构成供电网络，对于井下重要负荷，如风机等，笔者建议采用独立供电的方式。对某些严重影响到矿井安全的负荷，建议负荷采用不同供电等级的双回路供电。随着供电技术的发展，注重供电设计、优化供电组合可能是一个良好的解决方案。
３．２使用高品质的智能化微机保护装置
电力系统对继电保护的基本要求是选择性、速动性、灵敏性、可靠性［１¨。当井下高压电网系统发生故障时，继电保护装置必须以尽可能短的时间、有选择地将故障与系统切除，使非故障部分能够继续运行，从而将事故影响限制在最小范围以内。要求保护该动作时不应拒动、不该动作时不应误动作。
根据《煤矿安全规程》第４５５条和第４５７条的要求，井下高压电网中高品质的微机保护装置应不仅能够在线监测电压、电流、功率、电度等交流参数，具
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备规程要求的各项常规保护功能，而且必须集保护、测控、通信为一体，可实现与矿井调度系统、煤矿瓦斯安全监测监控系统等联网，实现矿井的综合自动化。随着微机保护自动化系统在煤矿的逐步推广应用，对井下高压电网综合保护装置的要求：新型综合保护装置必须体积小，安全防爆，并且有相应标准的接口；保护模块应具有相应的自检功能、抗干扰功能，可靠性高、灵活性强、调试维护方便、性价比好、功能多等特点；由于采用交流供电，对电源模块必须采样监视，防止电源影响跳闸功能。
３．３采用优良的速断保护方案
参考文献［１］指出，应该附加限时电流速断保护。限时电流速断保护原则上要求保护本线路的全长。但上下级同时要求投入速断保护（无时限速断保护）时，如果短路电流较大，上级线路速断保护仍然可能启动并出口跳闸，不能起到有效的防止越级跳闸的作用。参考文献［－１０］设计出一种基于单片机和串行通信的新型过流保护系统，该系统能够在电网发生短路故障后０．２ｓ内实现有选择性的快速断电，从而避免井下电网因越级跳闸而造成的大面积停电。该方案在一定程度上满足了井下高压电网的选择性的要求，但放弃了速断保护的速动性要求。该方案采用ＲＳ４８５串行网络通信，容易受到外界干扰、误码率影响，如果涉及多级系统且通信距离较长时，该方案会因无法通信而无法实现速断保护。参考文献Ｅ１２Ｊ提出了一种链式过电流保护方案，可实现级联线路全线故障的有选择性的快速切除。该方案以纵差保护为主保护、过流保护为后备保护，可以有效地快速切除故障。但由于井下防爆开关的前后腔端子的限制，装置间无法构建光纤网，无法形成纵差保护。如果改用串行口传递保护数据，一则传输速率不够，二则通信可靠性相对较差。参考文献Ｃ２］提出利用接点形成各级保护间的选择性联锁，构建一种在井下高压电网可行的选择性过流保护系统方案。但该方案不能确定出相邻故障级，短延时在多级情况下，上下级保护动作时限按Ａｔ为０．５ｓ的阶梯配合，将造成上级保护短延时整定过长而失去意义。如果短延时都是躲过下级开关拉弧时间整定，在下级开关拒动时，上级开关甚至再上一级开关都有可能经过短延时动作，造成故障范围扩大，不便于查找故障点。由于经济效益、技术因素、人为因素等原因，井下电网发生开关拒动并不少见。因此，必须充分利用微机保护的实时性、可靠性的特点，构造出一套可以选择出故障级和相邻故障级，既可保证速断保护的速动性又可保证速断保护的选择性的速断保护方案。
４结语
由上述对井下电网越级跳闸的原因分析可知，采用高品质的新型智能化的微机保护装置，利用优良的速断保护方案必将有效地降低越级跳闸事故的发生，大大提高矿井供电系统的安全可靠水平。
当然，以上对井下电网越级跳闸产生的原因只是笔者个人的分析总结，实际上造成井下电网越级跳闸的原因可能还有很多，还得从生产实际中不断积累、总结。笔者深信通过煤矿企业、科研单位的共同努力，一定能够有效地防止越级跳闸事故，保障矿井的生产安全。
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