基于光纤电流差动保护的煤矿防越级跳闸研究

刘德胜

(山西西山煤气化有限责任公司，山西 太原 030200)

0 引言

煤矿井下供电系统的运行质量与生产安全息息相关，但由于井下作业环境较为恶劣，经常因越级跳闸问题导致大面积停电事故，故障点难于判断，恢复供电花费时间长，容易造成不必要的经济损失与人员伤亡，影响了煤炭企业的长久发展，需采取合理有效的防越级跳闸措施，保证供电系统安全运行。目前，我国在该方面的研究尚处于初级阶段，还存在较多问题急需解决，应积极探索实践，充分发挥光纤电流差动保护技术的优势，避免越级跳闸，进而为煤炭企业的稳定发展奠定坚实基础。

1 煤矿井下供电系统概述

1.1 井下供电系统的构成与特点

供电系统是煤矿开采作业中不可或缺的重要部分，可为开采过程提供动力能源，保证机械设备、照明设备等正常运行，提高生产效率与经济效益。一般情况下，我国煤矿井下作业采用高压供电系统，规格为6 kV/10 kV，主要由多个变电所、高压电缆及供电保护设备构成。系统运行时利用高压电缆将电流输送至工作面，经由变电站的降压处理后才能提供给相关设备使用。高压供电系统的输电效率较高，可降低损耗，有利于节约能源，提供生产效益。现如今，科技水平不断提高，采煤作业的机械化程度逐渐提升，而且随着工作面的延伸推进，供电网络愈加复杂，如果供电量不能满足生产需求便会引发越级跳闸故障，影响了井下作业的安全性与可靠性，需及时解决，以免增大安全风险。

1.2 井下供电系统电流保护的原则

为了避免井下供电系统故障导致严重的经济损失，进行全面可靠的电流保护至关重要，工作人员应具备丰富的专业知识与工作经验，严格遵循相关原则进行供电系统的电流保护。井下供电系统大多采用分列运行方式，这种方式具有一定的电流保护作用，但仍需根据实际情况选择合适的保护措施。限时情况下设置电流速断保护方式，可对电流的一段进行保护，如果没有时间限制，可对电流的二段进行保护[1]。另外，终端线路只对速断保护以及过电流保护进行设置，而电路进出线则可在多种情况下实施电流保护。

1.3 煤矿井下越级跳闸原因

越级跳闸是井下供电系统中经常出现的问题，导致原因主要包括以下5个方面。

电路保护时间级差配合失调：井下供电线路较短，导致故障发生时电流差值较小，采用上下级的保护措施极易导致跳闸故障。电流保护的时间级差一般为半秒，如果供电线路中的级数较多，过电流保护无法满足时限要求，越级跳闸故障便会发生。

电流保护与动作值不适应：电流保护的速断保护措施应划分合理范围，促使其与电流动作值的节点相适应，但实际生产中很难做到这一点，导致越级跳闸问题频发，易造成大面积停电事故。

上下级继电保护开关装置不配合：相关规定要求井下供电系统须安装继电保护装置，但此装置的短路保护时间只有200 ms，此时间内井下的高压防爆开关无法有效配合，线路短路后会关闭所有开关，造成越级跳闸问题。

开关保护设备质量问题：部分企业受利益驱使选择成本低、质量差的开关保护设备，在生产过程中埋下了安全隐患。另外，不注重开关保护设备的养护维修，降低了煤炭开采的安全性与高效性[2]。

漏电保护装置选择不合理：没有考虑真实情况，所选的装置无法满足生产要求，降低了开采效率与质量。

1.4 防越级跳闸保护技术分析

在煤炭行业的发展中，越级跳闸问题逐渐凸显，基于此，研究防越级跳闸保护技术十分重要。现有的保护技术主要有4种，并对其作简要论述。

分站集中控制防越级跳闸技术：当出现短路故障时，相关设备会对故障问题展开检查，并将信息反馈给分站，防止越级跳闸。但这种技术对通信系统的要求较高，应用效果受到了限制。

基于通信级联闭锁的保护技术：利用时间级差设置控制开关，以此控制越级跳闸问题，但实施过程过于繁琐，如果通信时间出现延迟，也可能导致跳闸问题。

保护器网络监测技术：利用网络技术与先进设备组成完善的监控系统，监测线路与开关的运行状态，根据采集到的数据进行故障判断，并制定解决措施，以免出现越级跳闸故障[3]。

基于光纤电流差动的保护技术：利用信道连接每段线路两端的综合保护装置，通过比较两端的电气量判断故障区域，从而更好的进行保护处理。此种方式效果明显，目前已经广泛应用于煤炭行业。

2 光纤电流差动保护技术

2.1 光纤电流差动保护原理

目前，光纤电流差动已经成为煤矿防越级跳闸研究的热点之一。光纤电流差动保护技术以基尔霍夫电流定律为基础，同时结合其他电学定律，能快速、灵敏地判断供电线路中的故障问题，及时采取解决措施，防止跳闸故障出现。光纤通信技术的应用，可快速准确地传递供电线路各处的电流量及其他信息，在计算机技术与相关软件的辅助下进行数据处理与对比，确定内外部故障类型后判断是否切断本线路，以此降低越级跳闸风险，保护井下供电系统正常运行[4]。

2.2 光纤电流差动保护系统的组成

基于光纤电流差动的煤矿越级跳闸保护措施是保证井下安全作业的关键，需加大研究力度，全面优化该保护系统的作用与功效。该系统应用了大量先进的现代化信息技术，包括数字化变电站技术、通信技术、计算机技术等具有多种功能，数字化、智能化与自动化程度大幅度提升，可实现信息分享、常规保护、信号采集、数据传输等多种功能，有利于推动煤炭行业快速稳定发展。光纤电流差动保护系统的组成结构较为复杂，主要包括核心芯片、监控主机、集成保护测控装置、防爆服务器、交换服务器等。其中，核心芯片采用双CPU结构，可提供双重保险，减轻了系统运行负担，芯片故障时不影响系统正常运行。保护装置的动作精度较高，降低了误动或拒动问题的出现概率，可有效防止越级跳闸问题[5]。

2.3 光纤电流差动保护技术的特点

集中采样判断：光纤电流差动保护技术不影响井下供电系统的正常运行，可集中收集数据与判断，工作效率高，一定程度上提高了采煤效率。而且该系统施工简便，易于维护，操作方式简单易懂。

同步收集数据，光纤网络的传输速度快：在GPS设备的辅助下能实现越级调整装置相关数据的实时共享，可做到及时发现问题及时处理，降低越级跳闸故障带来的消极影响。另外，此种保护技术的灵敏度较高，安全可靠，不影响其他线路的稳定运行。

运行速度快：光纤电流差动保护技术采用集中保护装置，运算速度大大提高，可避免通讯延迟。

2.4 防越级跳闸保护系统时钟同步方案

在防越级跳闸保护系统时钟同步方案中，工作人员应明确光纤电流差动的保护原理，严格按照时钟同步原则采取保护措施。时钟同步系统对精度要求较高，应简化系统结构，建立完善的同步模型，在此基础上直接通过网络对时获取时间。除此之外，还应安装GPS授时装置，利用其稳定、精准的优势降低时间误差，进而降低越级跳闸风险。建立健全同步对时系统时，应安装两个符合行业标准的IEEE 1588主时钟，此装置能满足越级跳闸保护系统的数字化要求，应用效果良好。

2.5 同步对时系统误差分析

同步对时系统误差对越级跳闸保护装置的影响较大，需进行合理的误差分析，从而从源头上加以控制。首先是振荡器频率误差，温度是导致该项误差的主要原因，温度每上升1 ℃，就会引起2 μμ误差，可采取相应的补偿技术或同步隔离措施加以控制。其次是网络延时误差，修正网络延时是保证同步对时系统安全运行的重要手段。网络延时大致可分为3类，分别是传输路径延迟、网络交换设备延迟及栈内滞留时间延迟，工作人员需熟练掌握每类网络延时的产生原因，从而有针对性地采取解决措施，尽量修正此项误差，进而保证煤矿越级跳闸保护系统良好运行。

3 结语

近年来，煤炭行业的发展形势越来越严峻，企业要想在激烈的市场竞争中占据有利地位就需保证供电系统正常运行，为开采作业提供足够电力。越级跳闸问题严重妨碍了井下作业的顺利进行，工作人员需了解供电系统的组成与电流保护原则，结合光纤电流差动保护技术制定合理的防越级跳闸方案，以此提高整个系统的运行质量与效率，从而为煤矿企业的长久发展注入源源不断的动力。