短路速断闭锁防越级跳闸技术在煤矿高压供电系统中的应用_赵冀晓.pdf

短路速断闭锁防越级跳闸技术在煤矿高压供电系统中的应用赵冀晓（承德兴隆矿业有限责任公司，河北 承德）摘 要：煤矿井下高压供电系统的越级跳闸现象会导致设备受损及人员伤亡，对煤矿危害较大。煤矿高压供电系统常用的防越级跳闸技术存在弊端，本文提出了短路速断闭锁防越级跳闸技术。首先阐述了煤矿高压供电系统越级跳闸问题的主要原因，分析了短路速断闭锁防越级跳闸技术的应用原理，探讨了短路速断闭锁保护装置的组成结构，梳理了短路速断闭锁流程，而后从操作执行、后备保护、信号传送、欠压保护误动防范四方面阐述了煤矿高压供电系统短路速断闭锁防越级跳闸技术的应用方法。关键词：煤矿；供电系统；速断闭锁；防越级跳闸中图分类号：；文献标识码：文章编号：（）煤矿高压供电时，由井上变电所、井下中央变电所、各采区变电所、移动变电站构建成干线式、多分支供电网络。在该层级供电方式支持下，井下各变电所的距离控制在 以内。因供电线路较短，电缆不会产生过高阻抗，下级支路发生短路故障时，产生的高短路电流会经过支路及上级干路，如果上级配电装置比下级配电装置动作反应更快，便可能发生越级跳闸现象。多级越过现象会导致矿井大面积停电，可能会给煤矿安全生产带来不利影响。煤矿要选用可靠的防越级跳闸技术，保障生产作业时井下供电的安全。煤矿高压供电系统越级跳闸的主要原因煤矿高压供电系统运行中，可能由四方面原因导致越级跳闸：一是开关控制电源存在故障，生产作业时，井下情况较为复杂，可能存在防爆开关不具备适配性专用电源的情况。若在主电路就近电源上连接防爆开关，一旦主电路发生故障，防爆开关的正常启闭就会受到影响，干扰保护设备的正常运行，引发开关控制电源故障，进而发生越级跳闸。二是继保方式应用不当。井下作业空间通常较为狭窄，供电系统线路相对较短，三段式过流保护可能存在不适应供电体系的情况，也可能导致高压供电系统出现越级跳闸现象。三是存在电气干扰。井下空气湿度较大，变频设备会因受潮而出现故障，谐波干扰影响电网系统的正常运行，进而引发越级跳闸。四是电压出现异常波动是高压供电系统出现越级跳闸问题的另一大诱因。井下作业时需要应用多种电气设备，这些设备同时开启，可能导致电压瞬间出现较大波动，使高压供电系统发生越级跳闸。为有效防范煤矿高压供电系统越级跳闸事故，需要应用防越级跳闸技术。煤矿高压供电系统常用的几种防越级跳闸技术及其弊端分析 时间级差防越级跳闸技术加入延时防越级跳闸技术是最常用的方法，即在线路各级保护电流分析的基础上，通过上级与下级保护延时加入，避免越级跳闸事故。一旦某个线路出现短路故障，根据本级及上级保护短路电流间产生电流的差值分析便可定位短路故障。煤矿井下供电距离不长，不会产生较大的线路阻抗，两级保护间短路电流差值不高，难以根据电流差值精准判断故障点。应用时间级差技术后，可通过延时的加入实现短路故障位置的快速判定。但煤矿井下供电网络相对复杂，存在较多供电级数，在总延时高于 时，地面变电站与上级开关仍会出现越级跳闸现象，一旦上级保护装置未及时跳闸，可能导致设备被烧毁。光纤纵差防越级跳闸技术光纤纵差防越级跳闸技术属于相对成熟的防越级跳闸技术，由光纤通信技术提供技术支持，引入了基尔霍夫原则，利用电子互感器测量线路两端的向量，分析电缆两侧电流幅值并判定相位，根据向量之和是否为零判定线路内是否存在短路故障。向量和如果不为零，说明线路存在短路，进而触发配电装置实施跳闸。此技术应用时，需将光纤纵差保护器安装于各级变电所之间，保护器会实时检测过流值。一旦此数值达到整定值，光纤纵差保护器便会发送配电装置跳闸信号，DOI:10.13487/ki.imce.022889及时将故障线路切断。应用此种保护方式时，要求同段线路两侧电流保持同步，然而煤矿井下供电系统的干线之下划分了多条支线，干线出端及支线进端的电流采校无法完全保持一致，且电流矢量值对比分析难度较大，此种防越级跳闸技术在多分支线路的煤矿井下供电系统防越级跳闸保护中不太适用。数字化变电站防越级跳闸技术数字化变电站防越级跳闸技术在数字化变电站控制中心的主机上连接各个具备高爆开关综合保护装置，连接媒介是光纤、环网交换机等，由主机对煤矿井下防越级跳闸保护系统实施集中控制。此技术应用分层通信技术，包含三个结构层次：一是实时收集与上传故障信息的过程层，二是汇总分析采样故障信息的间隔层，三是远程监控井下设备运行状况的站控层。在光纤通信技术支持下，三层设备可快捷完成数据交换、汇 总、监 控 与 分 析。该 防 越 级 跳 闸 技 术 应 用 报文传输机制，可动态获取报文，报文接收可靠性相对较高，在 时间同步技术支持下，同步数据采集时间及设备采样时间。将获取自 卫星的时间信号由相应接口传送给数字化变电站系统，确保系统时间同步。但此技术应用的是软件闭锁形式，受计算机通信系统的影响，可能会感染病毒或出现宕机等问题，难以保证应用的可靠性。分站集中控制防越级跳闸技术分站集中控制防越级跳闸技术指在一个供电区同时安装一个或多个分站，采用集中控制方式控制区域内所有的采集与配电装置，两类装置分别负责故障信息收集及跳闸控制，一旦某段线路存在短路故障，采集装置会向分站及时传送故障信息。分站集中分析信息后，找出与故障点距离最短的配电装置，而后控制配电装置跳闸，若配电装置未执行指令，分站会向上一级采集装置发送故障信息，使上级配电装置完成跳闸操作。但应用此技术时，要求分站可与采集、配电两类装置实现即时性、稳定性通信，若通信或分站出现故障，均可能诱发大面积越级跳闸，煤矿高压供电系统应用此种防越级跳闸技术的风险较高。短路速断闭锁防越级跳闸技术通过分析防越级跳闸技术，此技术的应用目的在于确保各级开关按照上下级顺序依次跳闸，并同时满足快捷跳闸与保障负载安全的需求。为此，煤矿高压供电系统可采用短路速断闭锁防越级跳闸技术，增强上下级顺序跳闸的可靠性，以便短路故障出现时快速跳闸，避免设备被烧毁。短路速断闭锁防越级跳闸技术的应用原理短路速断闭锁防越级跳闸技术指将高压综合保护器加装于高爆开关短路跳闸回路，以便实时检测线路内部的短路电流信息。一旦发现短路故障，距离故障点最近的高压综合保护器会向高压开关配电装置发送跳闸指令，并将闭锁信号传送给上级，防止上级开关出现跳闸现象，进而控制跳闸顺序和跳闸速度。通过光纤完成信息的快捷上传，将 通信作为备用通信方式，即便发生通信故障，也可快速完成向传统三段式过流保护的切换，提升跳闸的可靠性。此技术可在各个高压配电装置的短路跳闸回路之间，连接下一级高压配电装置短路闭锁的常闭接点，这样可确保发生短路故障时，短路故障点距离最近的一级高压配电装置快速完成跳闸，而其他配电装置不执行跳闸指令。短路速断闭锁保护装置的组成结构短路速断闭锁保护装置主要由三个模块组成，一是高压综合保护器，二是短路闭锁控制器，三是光纤。高压综合保护器内部存在信息采集装置、短路跳闸功能模块、备用电源及中央处理器，内置感应模块，可利用电流互感器实时监测电路中的电流信号，全面收集短路电流信息，并将收集到的电流值与提前预设的短路电流值进行横向对比、分析。一旦短路故障发生，立即将闭锁信号发送给上级高压综合保护器，并将跳闸信号传送给本级高防开关，以便控制支线快速完成速断闭锁操作。短路闭锁控制器也由多个模块组成，有闭锁输入模块、处理器、转换器、备用电源。短路跳闸闭锁模块可对模块传送的短路信号进行接收与处理，结合实际情况实施电路保护措施，通过输出短路跳闸闭锁信号，确保干线速断闭锁操作的快捷执行，防止因越级跳闸而影响电力装置的正常运行。短路速断闭锁流程短路速断闭锁流程包含短路电流检测、跳闸或闭锁信号发送、指令执行、短路闭锁解除、上级总开关跳闸。高压综合保护器负责收集线路中的电流信息，短路故障一旦发生，可对线路产生的短路电流值进行分析。若电流未达到预先设定的整定值，保护器无需执行跳闸操作。当短路电流值比预先设定的整定电流值更高时，立即向本级高压开关配电装置传送短路跳闸信号，并将短路闭锁信号发送给短路跳闸闭锁控制器、上级高压综合保护器。接收到信号后，配电装置立即执行跳闸指令并发出报警提示。同时，上级高压综合保护器会控制上级配电装置实施闭锁操作。在本级配电装置开关不执行跳闸指令时，后上级开关的闭锁会自动解除，并自动检测短路电流，进而控制配电装置，完成跳闸操作。煤矿高压供电系统中短路速断闭锁防越级跳闸技术的应用过程 操作执行煤矿高压供电系统各个变电所的高防开关中，各自安装一个高压综合保护器，并将短路闭锁控制器安装于各变电所各段母线，每 个开关安装一个短路闭锁控制器，若开关数不足 个，只安装一个短路闭锁控制器即可。在常闭状态下，在跳闸线圈加固线路中串接短路闭锁信号输出接点。若井下变电所高压真空配电装置的负荷侧 点出现短路故障，此配电装置上安装的高压综合保护器会将短路电流闭锁信号发送给所在母线段的 短路闭锁控制器，由此控制器完成信息处理，并将短路闭锁信号发送给此母线的上一级开关，即 高压真空配电装置，由此装置快速完成速断闭锁保护，防止出现越级跳闸现象，高压供电线路防越级跳闸系统见图。图 高压供电短路防越级跳闸系统 后备保护如果位于 短路点附近的下级高压综合保护器未能检测到短路电路，将不会传送短路闭锁信号，此时高压真空配电装置会因未实施短路跳闸回路闭锁操作而快速跳闸。如果 高压真空配电装置因出现故障而未执行跳闸指令，在 高压真空配电装置定时限过流保护延时 之后，会解除短路闭锁信号，并实施跳闸操作，这是 高压真空配电装置的后备保护操作。由于短路速断闭锁技术实现了各级高压真空配电装置防越级跳闸功能的依次级联，整条线路上的高压真空配电装置不会出现越级跳闸现象。各变电所利用一根两芯电缆串接了各个总分高压真空配电装置，用于发送短路防越级跳闸级联信号。信号传送高压真空配电装置的短路速断闭锁信号发出后，需要在光电转化器支持下完成信号的快捷转换，进而采用光纤传输的形式，将与总高压真空配电装置短路闭锁信号分别传送给 变电所，确保各变电所稳定传送与接收短路防越级跳闸级联信号，保障各个配电装置跳闸与闭锁指令的正常执行。欠压保护误动防范煤矿高压供电系统出现短路故障，会导致同电压等级供电系统失压。此时，各供电设备可能会因失压而跳闸。为此，需要将阻容蓄能装置与各个高压真空配电装置连接，通过高压综合保护器接点将此装置连接到欠压继电器回路。高压真空配电装置通电后，保护器接点及欠压继电器会分别闭合与吸合，此时阻容蓄能装置处于充电状态。若母线出现失压现象，阻容蓄电装置会释放电流，并传送给欠压继电器，以防止高压真空配电装置因失压而发生跳闸。在阻容蓄能装置支持下，欠压继电器可持续吸合，以防范由于突然开启高功能电压机、母线短路或突发雷电导致瞬时失压产生的误跳闸事故。结语防越级跳闸技术可确保各级开关按次序执行跳闸操作，既能提升跳闸实施的快捷性，也可保障负载的安全性，可有效预防矿井大面积停电事故，利于保障矿井的安全生产。短路速断闭锁防越级跳闸技术的可靠性较强，已在煤矿高压供电系统中得到广泛应用，并取得了良好的成效。在煤矿生产中，在高压供电安全要求相对较高的高瓦斯矿井、自动化改造矿井中均可应用此种防越级跳闸技术，进而为井下作业稳定与安全供电，提高矿井作业的安全性与连续性。参考文献：孟令剑煤矿供电系统防越级跳闸技术应用研究矿业装备，（）：樊福军短路速断闭锁防越级跳闸技术在煤矿高压供电系统的研究住宅与房地产，（）：闫帅矿井供电系统防越级跳闸技术的研究及应用能源与节能，（）：李晓杰速断闭锁装置在防高压系统越级跳电中的应用水力采煤与管道运输，（）：作者简介：赵冀晓（），男，河北威县人，本科，工程师，研究方向：煤矿供电。