矿井供电系统越级跳闸原因分析及防治措施研究

朱宏博

0 前言

随着矿井开采深度的不断加深，从地面变电所到井下各用电场所的供电距离越来越长，而地面变电所与矿井中央变电所，采区变电所以及移动变电站间仍主要以纵向，多层级垂直供电模式为主，属于单侧电源3级至4级的干线式供电网络。所用的供电线路主要为长度相对较短的多段电缆与大截面的电缆，这样在供电系统出现短路故障的情况下，一般首端短路电流与末端短路电流不会有太大差别。通常某处短路会造成其上游多级开关可能出现大致相同的故障电流，这样便易出现供电系统越级跳闸现象，造成矿井大面积停电，对此分析矿井供电系统越级跳闸原因，并研究越级跳闸防治措施也显得越来越重要。

1 越级跳闸故障原因

（1）整定方法不合理引发越级跳闸。目前煤矿高压短路保护大多仍是按煤炭工业部门发布以前颁发的各种保护规则进行作业的，其整定值一般是按可避过最大负载电流来整定的，该整定值会远远小于短路电流整定值，出现短路故障后沿线保护都易启动，其跳闸主要受开关的机械特性影响，这样便易引发供电系统发生短路越级跳闸现象[1]。

（2）线路较短引发越级跳闸。短线路导致越级跳闸的根本原因是线路本身具有的阻抗较小，背侧系统和线路的阻抗比相对较大。由于这两方面的原因，当短线路出现短路故障时，短路电流随短路点位置的实际变化曲线会较平缓，即开始和结束时的短路电流的线是非常小的。切换到线路末端的最大短路电流设置，此时在最小工作模式下没有保护范围，即按照第一端最小短路电流测试保护灵敏度小于1，电源系统程序建议小于1的灵敏度不是适当安装电流断路保护装置，但“煤矿安全规程”要求地下配电网应安装短路保护装置，并且必须保持灵敏度满足要求，一般将其变更为相同的灵敏度系数法（即确保线路处于最小工作模式，首末端出现两相短路时的1.5倍灵敏度因子）予以设定，使线路间短路故障将导致地下变电站出线开关电平跳闸。

（3）失电保护导致更多级别跳闸。地下高压隔爆型开关具有独立的欠压脱扣器，JB 8739-1998“矿用隔爆型高压配电装置”标准的欠压脱扣器端子电压降低到额定电压的35%以下时应制作开关柜可靠的分闸，当端子电压大于其额定电压的65%时，开关柜不应打开分闸，这是35%～65%的动作不能同时动作，欠压脱扣跳闸时间不能设定，性能瞬时特点。因此，当母线短路发生馈线短路故障时，母线的短路电压会缩短电压。因此，母线上的所有开关，即使是进线和上层开关，都可能欠压导致跳闸。另外非软启动面对大功率设备过载启动也会导致母线电压的瞬时下降[2]。

2 防越级跳闸解决方案现状

2.1 以电气信号闭锁为基础的短路保护

以电气信号闭锁为基础的短路保护，其理论相对较简单，保护目的也相对较明确，但实际使用效果却很难达标。这主要是由于：（1）矿井供电环境恶劣，存在的干扰较多，虽在实际保护作业中，人们也在应用屏蔽双绞线差分信号传输技术，但基于较长的传输距离，也很难确保电气闭锁信号实现正常的远距可靠传输；（2）电气闭锁电缆相对较多，连接关系也十分复杂，加之需借助逻辑闭锁器来进行多条出线与多条进线间的连接，同时还应依据实际供电网络的实际变化情况来对闭锁逻辑进行科学、合理地调整，这样施工较困难；（3）该种保护方式自检功能不是很完善，当逻辑闭锁器发生故障或信号电缆发生故障的情况下，很难第一时间发现并报警，这样会增加检修维护难度，因此，该种保护方式的实际应用效果不是很理想[3]。

2.2 光纤纵差保护与纵联保护

对光纤纵差保护而言，其主要是借助光纤把输电线路两端的电流幅值情况与相位信息情况传至对端来进行比较，进而来判断本线路四周存在短路故障与否，以决定切除本线路与否。而对于光纤纵联保护而言，其与光纤纵差保护的实际保护原理大致相同，但光纤纵联保护不是把电流幅值与相位传至对侧，而是把特定逻辑信息借助光纤传至对侧。

光纤纵差保护与纵联保护都能实现快速的选择性保护。但光纤纵差保护在进行保护作业时需同步处理线路两侧的电流，会使当前矿用保护装置实现的技术难度增大，同时这两种保护保护作业的实施还需敷设多条专用通讯光纤，会增大供电系统网络设计的复杂度，此外，受矿井阴暗潮湿恶劣生产环境的影响，敷设的通讯光纤与电缆易受损，进而影响保护的安全性可靠性，总之，这两种保护在原理上可行性较强，但对实际实施条件要求较苛刻，实施成本高，实际实用性不强[4]。

3 以GOOSE闭锁为基础的短路保护

经上述分析，可知上下级开关的短路保护没有时间差，发生短路故障后，易出现短路电流几乎同时从多个保护控制器流过，而保护控制器无法有效识别自己距故障点是否为最近，这样便易出现越级跳闸现象。基于此，本文设计出一种以GOOSE闭锁原理为基础的选择性较强的供电系统短路保护新技术，该技术充分借助了当前矿井内已布设好的监控以太网网络，把GOOSE技术充分应用到了供电系统中来传递闭锁信号，矿井供电系统发生故障时实现了选择性跳闸。此种防越级跳闸方案，不仅较易实现，且具有较强的抗干扰能力，较高的可靠性，实际实施成本也相对较低。

3.1 以GOOSE闭锁为基础的短路保护原理

图1为该种保护系统的大致框架图，其主要是在系统原有保护功能的基础上加设GOOSE闭锁有效时间定值与以太网通讯接口，借助以太网通讯接口来使GOOSE闭锁信号的处理与相关系统功能得到顺利实现。

图1 以GOOSE闭锁为基础的选择性短路保护系统

矿井供电系统常见的故障示意图大致如图2所示。当K4点出现短路故障后，1、2、3、4这四个保护控制器都可顺利检测到系统故障电流，当系统故障电流足够大时，会及时发出GOOSE闭锁报文，当GOOSE的配置顺利完成后，1、2、3这三个保护控制器来自保护控制器4的闭锁报文信息，这三个保护控制器在有效闭锁的定值内将不再发生动作，这时保护控制器4会先发出动作快速切除短路故障，若在有效闭锁的定值内1、2、3这三个保护控制器仍达到了实际动作值，这时保护控制器3会先动作把故障切除，这样便可实现选择性保护作业[5]。

3.2 以GOOSE闭锁为基础的短路保护的实现

该保护系统采用的是ST公司的ARM芯片STM32系列控制器。主要包括中央处理单元、交流采样单元、绝缘监测保护单元、开关单元、人机界面单元、通讯单元和供电单元。

3.2.1 中央处理器单元

可用STM32F207芯片充当中央处理单元，该芯片属于一款较先进的基于Cortex一M3核心的三十二位ARM微控制器，其上面有很多外设接口，人们常用的AD转换模块、以太网控制器以及串口控制器、实时时钟等部件都集成到了控制器中，系统硬件设计得到了大幅简化，更好地保障了系统的低功耗性以及本质安全性，该单元可把所有的保护功能都完成[6]。

3.2.2 交流采样单元

该单元借助STM32F207集成的AD转换模块可采集Ua、Ub、Uc三相电压以及零序电压、保护电流还有测量电流等。

3.2.3 绝缘监视保护单元

该单元可借助附加电阻的直流监视线保护原理，利用VFC的测量方法来把监视线与地线间的绝缘电阻上存在的直流电压测量出来，并可对监视回路中的电阻进行计算，以实现最终的绝缘监测的目的[7]。

3.2.4 人机接口单元

可用串口通讯把STM32F103芯片、中央处理器、LCD、LED显示器以及红外遥控器连接成人机接口单元，其中LCD液晶显示器主要用来对实时数据等信息进行动态显示；LED指示灯主要用于对系统实际运行情况进行直观显示，红外遥控器主要用于控制人机接口单元，让这些部件科学、合理地组合，可有效控制系统的运行[8]。

4 结束语

基于矿井供电系统普遍存在的越级跳闸问题，通过对当前人们常用的几种防越级跳闸方案的分析比较，提出了以GOOSE为基础的短路保护方案，可很好地实现短路故障的选择性保护，有效防止矿井越级跳闸现象的发生。该种新保护方案不仅易施工，易操作，易维护，而且可靠性高，安全性好，更符合当前我国煤矿供电系统越级跳闸保护需求，可有效确保矿井供电系统的安全、可靠、稳定运行。