矿井供电系统防越级跳闸技术研究

渠润生 QU Run-sheng；宋述生 SONG Shu-sheng

（山东能源枣矿集团付村煤业有限公司，枣庄 277000）

（Shandong Energy Zaozhuang Mining Group Fucun Coal Industry Co.，Ltd.，Zaozhuang 277000，China）

0 引言

煤矿井下空气湿度大，大量煤尘和瓦斯气体浮游在空气中，作业环境相当恶劣。井下电缆一旦发生短路故障越级跳闸，就会引发大面积停电事故，主要的通风机以及局部的通风机随之停止运行，继而使瓦斯大量集聚，瓦斯和煤尘爆炸风险加剧。停电后井下排水设备也会一度瘫痪，造成排水不畅，最终引发淹井事故，严重威胁井下作业人员的生命安全。由于短路越级跳闸是煤矿安全生产中的一个难题，解决煤矿供电短路越级跳闸问题的技术成为煤矿供电自动化设备公司的一个热门课题，产生了多种设计方案。大致有电流速断延时法、电流速断闭锁法、光纤纵差保护法、地面通讯保护法、双口通讯法几种，本文所谈防越级跳闸采用电流速断延时法。

下面浅谈我矿井防越级跳闸改造方案：

1 解决正常越级跳闸方案

本方案是基于网络通讯确定继电保护范围，在确保馈电线路末端故障动作选择性的同时保证线路首端故障的快速性。

1.1 实现原理

1.1.1 实现基础“工业以太环网+GD-BUS 本安型电力监控现场总线”。工业以太环网目前在煤炭行业已经逐渐普及，作为煤矿信息自动化的网络平台。工业以太环网可以为自动化系统提供足够的带宽，并提供VLAN、Qos 优先级、IGMP 等功能配置，保证监控系统数字量信息实时交互。GD-BUS 本安型电力监控现场总线是专门用于电力监控系统的工业现场总线，具有自主知识产权，通过国家煤安认定，为本质安全型总线，具有高实时性和可靠性。在煤矿电力监控系统中得到迅速发展和广泛应用。

GD-BUS 总线有以下特点：

①专为电力监控设计的工业现场总线，可靠性和抗干扰性能优异，实时性高，监控数据和事件实时传送，能够可靠传输和处理各种瞬时电力数据，满足电力事故的快速处理要求，支持网络实时监控继电保护和网络系统控制、网络神经算法控制等先进的网络智能控制技术。②兼容CAN 和RS485现场总线，具有多主式和主从式通信方式。③多主式通信，网络上任一接点均可在任意时刻主动的向网络上其他的节点发送信息，而不分主从，且无需站地址等节点信息，因此，通过优先权设置，重要监控数据和事件可以不受巡检周期的影响，实时传送，比如：能够实时传送故障信息，采集到突变数据；而且每个节点可以直接与其他节点实时通讯，并可直接控制其他节点，在实时性要求很高并需要整体协同故障保护的电气系统中尤其重要，比如可以由一条线路上的几个节点组成保护系统。④损坏的节点将自动关闭输出，不会波及总线上的其他节点，且能够保证总线正常通讯，最重要的是可以快速定位故障点。⑤通过短帧结构传输数据，每帧数据都经CRC 校验及其他检错措施，具有极强的抗干扰性，能够保证数据稳定传输。⑥应用非破坏性总线仲裁技术，在网络负载较大时能保证网络正常运转。⑦具有心跳监测功能，定时自动检测网络通讯状况，保证监控设备工作在正常通讯状态，避免系统监控点因网络故障造成越级跳闸保护失效。⑧传输介质多样化，一般采用双绞线，但也可以采用电缆或光纤进行传输。⑨可实现点对点、一点对多点及全局广播等多条路径进行数据交互。⑩可实现10km 远距直接通信，不加中继有7km 的实际应用。

1.1.2 网络继电保护 基于工业以太网、GD-BUS 现场总线和“零延时”传输技术，这些构成了网络继电保护的基础，使解决由于短路引起越级跳闸成为可能，将输电线路各端的保护装置互联成网，实现信息共享，协同保护。

通过网络，可将输电线各端的故障信息传送到网络中相关的节点进行比较，判断出故障点位置，由保护装置根据其对故障的位置和作用决定其保护方式，实施多级保护，从而能切除离故障点最近的线路，同时，一个保护装置本身发生故障时上级能自动代替保护。由于这种保护自动与相邻线路的保护在动作参数上进行配合，因而可以实现全线速动。网络中的保护装置根据各自收到的保护故障信息及地址编号，自动调整各级保护的动作参数。从而实现准确快速有选择性的切除故障线路，保证非故障线路安全可靠运行，并且可根据网络的通讯状况自动选择采用的继电保护方式。

1.2 方案特点 ①全线均具有速断保护，适应煤矿多级供电系统要求，不存在速断保护失效问题。②全线多级动态保护，后备保护、远后备保护时间动态调整，不存在越靠近电源侧后备保护时间越长的问题。③监控网络传输状况实时监测，避免设备或者线路隐患导致的防越级跳闸功能失效。④真正意义上闭锁非直接故障速断保护投入后备保护，而非闭锁跳闸出口，避免虽然不跳闸但多台开关报速断保护事件的情况，防止给用户分析造成困惑。⑤基于供电系统监控网络，不需要额外增加设备，减少投资以及出现故障的环节。⑥基于保护装置控制开关，不增加开关额外闭锁环节，不会因为增加额外闭锁环节给开关带来的安全隐患。

2 解决由于电压波动引起的越级跳闸

将开关内部无延时的失压脱扣装置取消，使用具有失压延时的保护装置。根据煤矿相关设计手册，设置0.5s-1s的失压延时，解决由于电压波动引起的越级跳闸。要求保护装置的后备延时切实可靠，对保护装置内部器件选型有严格的要求。通过更换高防开关的保护装置解决电压波动引起的大面积停电已在很多矿务局进行推广，经这几年的应用证明产品稳定可靠，现在已被多家开关厂采用。

3 解决由于干扰引起的保护器误动

提高保护装置的抗干扰性能，要求系统中所配保护装置通过国家四级电磁兼容试验。本系统中产品在煤炭行业首次通过电磁兼容试验（静电放电抗干扰4级、射频电磁场辐射抗干扰度3级、电快速瞬变脉冲群抗扰度4级、浪涌冲击抗扰3级、工频磁场抗扰度5级等试验），适应煤矿恶劣环境下工作。

4 当开关发生拒动时的解决方案

系统充分考虑当开关因机械故障而越级跳闸时，系统可以快速精准地锁定故障点，及时断开故障点的电源，同时确保无故障的部位正常供电，以免试送电引发二次故事故。另外，系统设计必须兼顾多级开关同进发生拒动时的情况，提前制定应急预案，从而在事故发生时最大限度缩小事故波及范围。

矿井电网继电保护的“越级跳闸”问题、漏电保护功能的可靠性问题，是多年来的行业技术难题，困扰矿井电网的安全运行，影响煤炭安全生产。本方案研究的多项防“越级跳闸”技术为国内首创，是解决矿井电网运行可靠性的有效手段，该技术不仅可应用于井下电网，也可应用于地面电网和其他有类似越级跳闸问题的行业配电网，其技术理论具有良好的应用前景，具有很好的经济及显著的社会效益。

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[3]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(11).