常村煤矿变电所防越级跳闸系统设计与应用 *

刘栋升

(潞安化工常村煤矿电力科，山西 屯留 046100)

0 引 言

煤炭资源需求量的增加，使煤矿井下作业工作量较大，对煤矿井下供电系统的工作稳定性提出了更高的要求[1]。煤矿井下供电系统沿巷道掘进方向存在多级供电开关，由于井下供电系统使用的线缆阻抗数值不大，各级开关之间的短路电流极为接近，保护整定极为困难[2-3]。常规的供电保护系统普遍存在动作慢、参数调整难和可靠性差等问题，经常出现供电保护系统误动作和越级跳闸情况，不仅导致煤矿井下大范围停电事故，还会增加煤炭企业的供电系统运行维护成本，造成较大的经济损失，必须引起高度重视[4-6]。

常村煤矿N3采区1#变电所近两年在井下供电时经常出现越级跳闸事故，极大的限制了企业煤炭产量的提高，并且极大的增大了煤炭开采成本，亟待解决其越级跳闸问题。因此针对常村煤矿N3采区1#主变电所供电系统经常出现越级跳闸故障的问题，开展防越级跳闸系统设计与应用工作具有重要意义。

1 越级跳闸常见原因

常村煤矿N3采区1#变电所供电系统较为复杂、供电级数较多，各变电所之间使用的连接线缆线芯为同材质，阻抗较小，最近的输电线缆近相距300 m，根据常村煤矿N3采区1#主变电所供电系统的实际情况，不考虑供电设备的故障因素，总结得出引起越级跳闸的原因包括以下几种。

1.1 短路速断保护整定值不合理

井下供电系统出现越级跳闸的主要原因是上下级变电所之间的短路电流较为接近，一旦发生短路故障，就是出现上下级变电所速断保护均会动作。以地面35 kV变电站和井下主变电所为例，各级的母线短路时的电流大小分别为6.2 kA、5.4 kA、5.3 kA，基于此设置的短路速断保护整定值十分接近，一旦末端电路出现短路，各个短路速断保护系统均已达到跳闸限值，无法保证最末级断路器动作，越级跳闸现象便会发生。

1.2 变电所间时间级差无法配合

相关供电管理部门规定，煤矿井下供电系统使用断路器的最大动作延时在0.8～1 s之间，若微机综合保护装置所用断路器动作时间为0.2 s的话，那么煤矿所用的35 kV变电站6 kV出线侧过电流保护的延时最大值为0.4 s，极大的限制了煤矿井下供电系统延时时间。依然以地面35 kV变电站→井下变电所为例，其供电线路中存在35 kV变电站6 kV馈线断路器、井下主变电所6 kV进线断路器、井下主变电所6 kV馈线断路器等3级开关，出现短路保护动作的时间极为接近，仅仅采用时间级差的方法难以避免出现越级跳闸情况。

1.3 运行方式影响选择性

煤矿供电系统馈线保护方式常常采用三段式，在较长的输电线路具有较大的阻抗，首尾两端出现短路时的电流差别较大，相邻短路保护整定值区别明显，短路保护效果较好。但是，井下供电系统往往输电线路不长，线缆自身阻值较小，收尾两端短路电流相差无几，按尾部最大负荷情况计算得出的短路电流整定值较小，灵敏度较低，较小负荷运行时的速断保护有效，较大负荷运行时的短路电流将会满足多级开关的动作条件，不可避免出现越级跳闸情况。

2 井下主变电所防越级跳闸系统配置设计

2.1 防越级跳闸系统组成

常村煤矿N3采区1#主变电所内部设置有16台隔爆高压真空配电保护装置，每台装置内部均有微机综合保护装置。变电所内部供电线路中设置2台短路闭锁控制器，其主要作用是完成各段母线上所带隔爆高压真空配电装置的闭锁信号，井下主变电所防越级跳闸系统如图1所示。

图1 井下主变电所防越级跳闸系统

2.2 防越级跳闸系统工作原理

井下主变电所防越级跳闸系统中，编号为HV1～HV7和HV9的隔爆高压真空配电保护装置连接在一根母线，HV8为进线柜；编号为HV11～HV16的隔爆高压真空配电保护装置连接在另一根母线，HV10为进线柜。HV1～HV7和HV9隔爆高压真空配电保护装置的短路闭锁信号与短路闭锁控制器1相连，运行时输出的短路闭锁信号控制HV8进线柜的电流速断功能的启停。HV8进线柜短路闭锁信号经由短路闭锁控制器1和110 kV变电站10 kV I段母线的短路闭锁控制器自带了光电转换接口，实现闭锁上级馈线开关的电流速断功能。HV11～HV16隔爆高压真空配电装置的短路闭锁信号实现防越级跳闸功能的实现与HV1～HV7和HV9隔爆高压真空配电装置的工作原理一样，此处不再赘述。

3 闭锁逻辑关系

3.1 闭锁保护流程

井下主变电所防越级跳闸系统设计基于电流速断区域闭锁法完成，其具体的闭锁流程如图2所示。系统启动之后进入初始化环节，然后由微机综合保护装置内置短路电流检测装置进行供电线路电流数据的实时采集，一旦检测得到供电线路存在短路情况，电流值将会迅速增大，立即进入电流信号比对程序，得出电流数值是否超过设置完成的整定值。

图2电流速断区域闭锁流程

但供电线路中的实际短路电流大于设定整定值时，即可判定供电线路出现了短路故障，微机综合保护装置发出跳闸信号，即可切断故障线路，与此同时，发出短路闭锁信号到闭锁控制器，闭锁母线进线开关，闭锁信号继续上传至上级变电所馈线柜，实现逐级闭锁。短路电流采集模块不间断的采集检测电流，当主回路中的短路电流消失之后即可判定故障线路已被切断，若较大的短路电流一直存在，则表明本级开关柜未动作，短路电流采集模块闭锁信号解除；上级开关跳闸回路闭锁信号解除可正常跳闸，切除故障线路。

3.2 短路闭锁控制器配置及动作过程

以常村煤矿N3采区1#主变电所为例，介绍电流速断区域闭锁法具体配置及工作流程。煤矿井下主变电所高压供电系统运行为单母线分段方式，两组回路的电源均来自地面6 kV开闭所6 kV母线。变电所内布置2台短路闭锁控制器，分别控制两组回路电源线路的短路电流采集和闭锁信号发送动作，具体的防越级跳闸系统闭锁示意图见图3。若煤矿井下供电系统主变电所的HV7柜下端出线某处短路时，主变电所短路点的上级开关均有短路电流经过，短路闭锁控制器检测得到较大短路电流时，发出短路信号和闭锁信号，优先断开HV7柜的供电线路，避免出现越级跳闸问题。

图3 防越级跳闸系统闭锁示意图

4 应用效果评价

为了验证防越级跳闸系统的设计效果，将其应用于常村煤矿N3采区1#主变电所供电系统进行防越级跳闸试验，对系统实际运行情况进行了为期半年的跟踪记录。结果表明，防越级跳闸系统运行稳定可靠，满足供电系统防越级跳闸功能要求。统计结果现显示，供电系统运行半年内出现跳闸故障10余次，均未出现越级跳闸情况。相关专业人士估计，防越级跳闸系统的应用，降低了近12%采区供电系统的运行维护成本，提高了近15%的井下用电设备利用率，预计将为煤炭企业新增经济效益近200万/年，取得了很好的应用效果。

5 结 语

井下供电系统作为煤炭用电采掘设备正常工作的基础，其工作的安全性和稳定性至关重要。针对常村煤矿N3采区1#主变电所供电系统经常出现越级跳闸故障的问题，分析了越级跳闸故障产生的可能原因，开展了防越级跳闸系统设计工作。应用结果表明，防越级跳闸系统运行稳定可靠，解决了井下供电系统越级跳闸问题。常村煤矿N3采区1#主变电所供电防越级跳闸系统的应用，降低了近12%采区供电系统的运行维护成本，提高了近15%的井下用电设备利用率，为企业新增经济效益近200万/年。