煤矿高压电网越级跳闸问题及处理措施研究

谢传立

（兖州煤业股份有限公司东滩煤矿，山东邹城 273512）

0 引言

矿井工作环境复杂，供电系统较易出现故障，常见的故障有单相接地故障、相间短路故障等。煤矿高压电网故障会造成越级跳闸，防越级跳闸系统能有效解决这一问题，还能满足煤矿高压电网对可靠性、经济性的要求。矿井电网经常应用短电缆组成多级的供电系统，在下级线路出现短路的情况下会形成较大电流，就形成了越级跳闸。引起越级跳闸的原因比较多，只有充分分析这些因素，才能实施有效的处理措施。

1 评价和分析煤矿电网的意义

基于煤矿电网的发展，其结构缺少合理性，因此故障防范水平较低，这不利于电网运行的稳定和安全，也加重了供电运行管理者的工作负担，如持续扩容之后的系统导致电网具备复杂结构、难以处理故障、难以整定继电保护、难以分析事故因素等。此外，一部分煤矿供电系统还存在高低压越级跳闸事故、短路故障导致线路出现调整事故、接地故障无选择性跳闸事故等。为了与电网的快速发展相适应，安全管理务必由传统管理转变为现代化管理，安全工作需要由事后处理转变为过程控制，切实注重预防，明确危险因素和薄弱之处，确保胸有成竹，实时采取处理措施。不少煤矿企业的供电系统存在安全隐患，需要将其在萌芽时期杜绝。为此，非常有必要评价和分析煤矿供电高压电网供电系统尤其是越级跳闸的现象，这样才能够保障煤矿企业生产的安全性。

2 煤矿高压电网越级跳闸的后果

越级跳闸指的是矿井出现电力故障的情况下，切除故障经由保护整定优先跳闸的断路器进行，然而因为故障问题通过上级变电所断路器跳闸而对故障进行切除的跳闸动作。出现越级跳闸会导致范围较大的上级变电所或者是采区停电现象，这非常不利于矿井生产的进行。倘若水泵以及风井发生断电的情况，那么将会造成矿井积存废水和聚集瓦斯，从而使瓦斯爆炸的风险提升，这会严重损坏设备、危险人身安全，甚至会使矿井整体损毁，导致严重的后果。

3 煤矿高压电网越级跳闸的因素

结合实地调研、信息资料以及笔者自身的实际经验，下面分析煤矿高压电网越级跳闸的影响因素。

3.1 未适当布置矿井供电线路

结合电路分析能够明确，在供电线路非常长的情况下，比较大的短路电流差值会形成于供电系统的末端与开端，以及线路电流存在陡峭变化的情况，继电保护之范围较广。对于较短的供电线路情况下，其末端以及开端的短路电流差基本是零，以及线路电流的改变比较平缓，这样继电保护具备比较狭小的范围。因为煤矿开采比较特殊，矿井的供电网络多数是比较短的多段电缆线路，这造成显著的短路电流差值不存在于电路系统上下级间，从而使继电保护的范围显著缩小，设置的速断保护难以体现。在应用过程中，如果下一级的电路出现短路的情况，并且形成的短路电流都在上下级继电保护的范围当中，那么速断设备将会被启动，使上级的速断设备具备更加迅速的动作，进而形成越级跳闸。

3.2 未合理配置矿井供电开关

矿井生产过程中会形成易爆易燃的瓦斯等气体，以安全性作为视角，需要矿井将高压防爆开关应用于供电系统中。并且，应根据矿井的产量以及电能荷载实时更换高压防爆开关，然而这样一来，难以有效地配合地面变电所的供电装置。继电保护设备动作时间会影响当前矿井应用的高压防爆开关的动作时间。而应用电流互感器对电磁的感知即是确定了继电保护设备的动作时间，因为各电流互感器存在不一致的磁化曲线，所以造成其缺少较高的保护准确性，保护整定值跟动作值的误差存在。此外，矿井环境的潮湿因素不利于高压防爆开关灵敏性的提升，使开关动作时间存在延迟的情况，在发生短路的情况下，地面高压开关的动作要明显快于矿井高压防爆开关，这样就形成了越级跳闸现象。

3.3 不科学的供电速断方案

0.5s 的级差阶梯存在于上下级是速断保护的原则，即与上级速断保护设备相比较，下级速断保护设备动作时间会明显地提升0.5 s。然而，对于煤矿企业的生产过程而言，其主要目标主要有两个：一是迅速解决电路系统存在的故障；二是倘若0.5 s的级差被速断保护设备所应用，那么电缆的消耗将不断增加，从而增加煤矿的投入，也不利于提高供电安全系数和电缆管理的容易度。有鉴于此，通常设置上下级电流速断保护设备时间级差的值为0 s，这样在煤矿供电系统电路出现故障时，导致越级跳闸的情况。

3.4 不合理的矿井供电欠电压释放保护回路

矿井生产条件复杂化，也应用非常多的电机，需要的启动电流值往往较大。对于一部分规模较大的综采工作面而言，为了实现采煤效率的提升，不断提升机械化应用水平，应用不少功率较大的综采装置，以及都安置于供电线末端位置上。在进行启动的时候，末端电压迅速减小，这样一来末端断路器电压会比较低，从而导致断路器的跳闸以及闭锁现象形成，如此的现象属于断路器误动作范畴。这样会使地面位置上的变电所母线三相电压明显减小，不利于母线位置上其他电机的顺利运行。为了使母线恢复，需要同时启动很多台功率比较大的电机，这样会导致启动地面线路过荷载保护，那么在进行延时之后，就形成了越级跳闸的现象。

4 煤矿高压电网越级跳闸处理措施

针对煤矿开采实际存在的高压电网越级跳闸问题，可以采取下面的一些处理措施。

4.1 选用适宜的高压防爆开关

在开采煤矿时，由于工作环境较为复杂，造成经常损坏高压防爆开关。因此，应时常更换高压防爆开关，在进行更换时选择匹配的开关。需要确保矿井开关与地面供电所开关的互相匹配，这样才能够在矿井复杂的环境中降低短路现象，进而有效降低煤矿高压电网越级跳闸的出现次数。

4.2 选用双回路供电或单独的供电方式

在供电方式的选择上，应使用双回路供电或单独的供电，这样如果其中一个回路暂停运行，那么另外一个回路还可以供电。然而在供电时，由于环形供电倒闸具备较为复杂的构造，因此能够使环形供电级数减少，也能降低越级跳闸的频率。在矿井工作过程中，还存在一种停电的情况，在停电出现时，一个电源集中了全部的荷载，太大的荷载也会造成越级跳闸。鉴于此，需要将双回路供电设置在关键荷载（瓦斯抽泵站、通风机等）处，从而很好地防范越级跳闸现象。

4.3 科学制定矿井供电的速断措施

为了确保矿井供电安全，应在确保选择性的前提条件下，尽量缩短速断保护设备上下级的时间级差。而智能化微机保护装置的科学应用，能够做到这一点，并且可以实现延时准确性的大大提升。相关实践研究证实，为了确保防爆开关动作时间的选择性，应达到至少100 ms 的时间级差。因此，结合微机保护设备设计为100～300 ms 的防爆开关速断动作以及限时速断的时间级差，而上下级过电流保护装置的时间级差是100～200 ms。这样，最后一级防爆开关安装速断保护设备与过电流保护设备时间后的延时时间是100～200 ms，明显少于以往的0.5 s，不但使系统的稳定性与安全性提升，而且可以更加敏捷地切断电路故障。此外，作为智能变电站的一种衍生系统，防越级跳闸系统有利于矿井作业一体化、安全化、高效性的开展，为打开矿底层提供共享数据。其运行的根本在于给变电站配置线实施差动保护的功效，以及可以对故障区的一系列相关信息进行自动判断和反馈，基于智能电网系统推动升级为高级数字化的变电站构造，从而共享整个矿区的信息，很好地防范越级断电和无选择性漏电等，结合此系统能够加速升级软件系统的功能，从而实现系统抗干扰性和可兼容性的提升。

4.4 确保具备合理的矿井供电欠电压保护回路

对矿井欠电压释放保护回路低电压动作值进行调整，将延时增加于欠电压回路上，以使限时电压保护形成。通常设置矿井欠电压释放保护回路低电压动作值是额定电压的60%～70%，为了防止直接启动供电线路末端的大功率电动机造成断路器的误动作，能够整定矿井供电线路最末端级别的欠电压动作值为额定电压的60%～70%，再分别对母线欠电压动作值进行整定。当今矿井的高压防爆柜欠电压释放保护不存在时间制约，出现欠压情况下能够迅速切断电路，导致误动作。在全面兼顾增加欠电压释放保护回路的时限以及电流速断保护设备动作时间基础上，能够整改低电压速断保护为限时电压保护，配合应用电流速断保护。可以增加欠电压释放保护回路时限，在直流线圈的单相全波整流完成之后，将并联的电容失压之后放电延时返回。结合如此手段，能够增加至少500 ms 的欠电压释放保护回路时限，便于操作、应用安全。

5 结束语

基于持续提升矿井生产的自动化水平，煤矿供电发展的一个方向和趋势是数字化变电站技术，其非常有助于矿井供电系统运行的稳定和安全。然而，越级跳闸现象依旧是影响煤矿安全供电的一个技术性难题。为此，供电管理技术人员需要有效把握矿井供电系统的特点以及结构，进一步分析当今煤矿新型防越级跳闸供电技术的发展问题，确保合理规划、适当统筹，防患于未然。这样才能很好地防范越级跳闸故障，保障矿井供电系统运行的稳定与安全。