煤矿供电系统防越级跳闸技术分析

煤矿供电系统防越级跳闸技术分析

朱珠

中煤陕西榆林大海则煤业有限公司 陕西 榆林 719000

摘要：近年来，随着经济的发展，我国的煤矿工程建设的发展也有了改善。根据矿井事故数据统计分析，由井下电网相关引起的安全事故占比超过５０％。一方面，由于井下工作人员触电而引发事故；另一方面，当发生电气火花时，混合起来的粉尘以及堆积起来的瓦斯引发了爆炸事故。因此，安全的矿井生产环境与供电网络息息相关。供电系统在整个矿产生产过程中扮演着重要的角色，但分析煤矿的生产环境，潮湿的空气、狭窄的巷道，极易导致电缆及其相关接头处发生短路；复杂的采掘地质情况，负载波动变化比较大，也易引起工作设备的过流发热，损坏线路的绝缘处而造成短路；为提高生产效率，在原有工作的供电系统基础上，引进较多的先进设备，这也加重了供电系统的负荷，影响了供电系统的稳定性。

关键词：煤矿供电系统；防越级跳闸；技术分析

引言

中国既是能源生产大国，同时也是能源消耗大国。根据相关统计研究表明，在全球能源系统中，煤炭能源占据所有能源的一半以上。而在中国的能源体系中，煤炭资源所占的比例更高，达到了６４％左右。虽然中国近年来在大力调整能源结构，但是在未来相当长的一段时间内，当前的能源格局不会出现较大变化。煤炭能源仍然会在中国社会经济发展中发挥着举足轻重的作用。矿井供电系统的安全稳定运行是保证煤炭生产持续推进的重要基础，如果矿井供电系统出现故障问题，会导致整个生产线停机无法正常工作，严重时可能对机电设备造成不可逆转的损坏，甚至可能引发人员伤亡的重大安全事故。因此非常有必要对矿井供电系统进行深入分析，提升运行的可靠性。

1煤矿电网越级跳闸原因分析

由于煤矿井下开采的工作环境十分恶劣，所以开采设备容易受到外界因素的影响，进而导致设备受到损坏。在实际开采的过程中，井下供电系统主要由电气设备和电缆组成，其中电缆的抗阻性能较差，电缆两端的短路电流差值较大，而电缆的两端短路电流差值并没有那么大，但是比较接近，因此很难将这两种情况区分开来。现在国内很多煤矿企业的高压保护措施不够完善，都存在着一些问题，容易出现保护失灵以及误动作等现象，从而导致下级保护无法正常使用，在这种情况下，上级保护装置便会自动启动，从而导致越级跳闸的现象发生。引起供电系统越级跳闸现象发生的原因有多种，以下就常见的四种展开讨论。

1.1整定方法不合理

部分煤矿井下供电系统检修维护技术人员受技术水平限制，在计算供电线路及供电设备继电保护整定值时，主要是按照流过供电线路的最大负荷电流或者是流过供电线路的安全电流来计算，而未考虑供电线路出现短路时的电流。井下电工人员凭借自身经验进行电流整定，在运行期间再通过运行过程出现的保护动作对整定值进行调整，从而形成在运行过程中摸索整定值的合理数值，未能做到一次设置到位。同时在供电过程中，也会出现上级供电部门在向下级用电煤矿供电过程中，只提供供电线路的进线保护整定值，但没有提供计算设置整定值的过程，导致煤矿供电维护技术人员不能得到上级供电线路短路参数的准确数据。石泉煤矿在进行电网供电线路整定数值计算时，采用的是依据最大负荷电流和供电线路进线侧线路开关保护进行整定值计算设置，当速断保护值是按照躲过最大负荷电流设置时，其整定值要比实际短路电流整定值小很多，若供电线路出现电流短路故障时，该线路将会出现越级跳闸现象。

1.2供电系统的运行方式相差较大

当供电系统上下级运行方式存在较大差异时，会造成供电系统在按照大的供电系统运行方式下，供电线路末端的三相短路电流设置的保护整定值，要比在按照小的方式运行时设置的整定数值大很多，即线路保护灵敏度小于1．5。

1.3保护控制装置出现问题

保护控制装置是保证供电系统可以正常运行的装置，主要对供电系统的安全性进行控制，在保证煤矿安全生产过程中发挥着巨大的作用。因此煤矿企业应该选择适宜的保护控制装置，对保护控制装置的性能提出了较高的要求，只有保护控制装置的性能较高，才能满足矿井内保护装置的标准。保护控制装置主要针对煤矿开采过程或者设备存在的安全隐患进行警报，因此需要对安全隐患存在较大的灵敏性。若是启动保护控制装置之后，启动保护装置运行的速度较慢或者本身存在的误差较大，那么对设备以及生产过程的灵敏度也会降低，从而不能发挥警报提醒作用，使越级跳闸的现象发生。此外，如果保护控制装置本身内部存在着问题，就会对安全隐患进行错误的判断，从而导致越级跳闸发生。

2防越级跳闸系统软件程序设计

2.1处理器软件架构

对于主处理器而言，其框架主要由两大部分构成，分别为主程序和中断服务程序。主程序的功能是对整个系统进行监控并完成相关功能。中断程序按照设定的周期，间断性地向主程序发出中断请求，对于拥有较高实质性要求的故障判断与保护功能，可以通过这个程序进行实现。通过ＶｘＷｏｒｋｓ平台搭建协处理器软件程序，ＶｘＷｏｒｋｓ平台在工业领域有非常广泛的应用，可靠性较高，具有很好的硬件兼容性、内存管理以及定时器的功能。可以按照任务的优先级别进行调度，对于级别较高的任务，可以优先抢占ＣＰＵ资源执行，确保了运行的效率。

2.2保护与防越级跳闸功能实现流程

为达到最好的矿井供电系统保护效果，系统对电流保护以及防越级跳闸判断提出了非常高的要求，要求具备非常高的实时性，所以通过中断服务程序执行此项任务。对于其他一些对实时性要求不是非常高的任务，可以交由主程序完成。通过逐级闭锁的方式完成防越级跳闸工作，具体过程可以描述如下。（１）供电系统出现短路故障问题时，通过保护装置对电路故障进行检测，对闭锁元件进行开启，并且通过ＧＯＯＳＥ通信网络将相关故障信息传输至上级保护装置。（２）在系统设置的时间范围内，如果没有接收到下级保护装置发出的故障闭锁信息，就进行跳闸出口。等到系统设定的解锁时间期满，或者接收到下级保护装置发出的解锁信号，如果接收到了解锁信号就进行解锁。相反的，如果没有接收到解锁信号，保护装置就会对故障进行切除。（３）出现保护动作后，对于断路器的拒动，需要通过保护装置进行判断。如果已经切除故障而故障电流不复存在，则向上级保护装置发出解锁信号；如果断路器拒动问题无法排除，同样需要将信号传输至上级保护装置。（４）为避免保护出现长时间闭锁的问题，系统中设定了一个时间阈值。如果在设置的时间阈值范围内，故障问题得不到有效排除，系统就会通过保护装置强制将故障进行切除。将本文设计的防越级跳闸系统应用到矿井供电系统中，取得了良好的应用效果。在１年时间的实践运行过程中，矿井供电系统没有出现越级跳闸故障问题，有效保障了矿井供电系统运行的可靠性。

2.3煤矿防越级跳闸应用效果

对地面变电所、井下采区变电所内电气设备运行状态及参数可进行就地集控和远程监控，将设备运行负荷曲线、变位及报警等信息通过报表、图形等方式输出，为提高设备运行可靠性决策使用提供依据。防越级保护装置采用光纤通信，具备防越级闭锁、电流三段保护等作用，能够有效解决井下供电系统在运行过程中出现的越级跳闸问题，使供电系统实现“四遥”功能(遥测、遥信、遥调、遥控功能)，为井下变电所无人值守创造必要的条件。1)实现了遥测功能:能够实时监测供电系统的电压、电流、有功功率、无功功率、电量等电力参数。2)实现了遥信功能:能够实时反映开关的分、合闸状态，包括正常、事故遥信变位，能够采集高低压开关的断路器状态、保护装置动作信号、事件顺序记录(SOE)等遥信量。3)实现了遥控功能:能够远程控制井下开关断路器或接触器分/合闸、保护器故障复归、远程闭锁/解锁、远程试验等操作。4)实现了摇调功能:能够远程查询和整定智能开关保护定值、报警限值等。操作时对中央变电所与下级盘区变电所之间主要线路保护进行防越级跳闸保护改造，变电所之间实现防越级跳闸功能。

2.4通讯保护技术

通讯保护就是在煤矿开采的地面设置一个监控主机，在矿井内部安装智能保护器，监控主机与开关智能保护器联系，可以对智能保护器进行监控，从而全面掌握煤矿供电系统的各个开关的信息。一旦某一个开关智能保护器的数字出现偏差，监控主机就可以将其与正常开关的定值进行比较而判断短路线路的位置，并采取相应的措施，发出控制短路线路的指令，从而对短路线路的上级开关动作进行控制，避免越级跳闸的现象发生。通讯保护技术是智能化控制的体现，需要在地面就可以对正常煤矿开采过程中的设备开关进行控制。一般地，开关在启动速断跳闸的过程中需要一定时间，这个时间通常控制在20毫秒左右，而地面的监控主机在接收到开关的信息、对开关信息进行判断分析到最后的发出指令需要花费更长的时间，一般需要40～120毫秒的时间，因此监控主体发出控制指令的时间是超过启动速断的跳闸时间的。因此在使用通讯保护技术的时候，地面通讯应该选择特殊的保护器。

2.5集成式保护

在煤矿矿井内部，电力设计人员结合具体的煤矿生产作业环境，来科学地布置供电线路。采用双回路并列运行的电路布置方式，来开展电力的供电。应用集成式的保护措施，来减少越级跳闸问题的产生。集成保护主要是给煤矿井内的高压供电危机系统，来构建防护措施系统，可以应用瞬间采样的作业方式。通过光缆光纤将矿井内的微机系统连接到矿井外部的工作控制计算器内，进而实现井外实施的监察井内设备的运行状况。此时，集成保护设备可以科学地监测井内供电点的电压值系统，可以测算出内部电压间隔的情况下，预判出错而发生的越级跳闸问题。微机系统可以通过光纤来传导故障数据，也可以下达切断电路的指令，以此来实现对供电系统的保护，避免越级跳闸问题频发。当微机系统检测到矿井内部供电系统异常时，集成保护就可以主动地切换各个供电变压器，以实现电力系统内部供电的安全性和稳定性。

2.6预防越级跳闸系统

在当前信息技术的发展，科技技术迅速提升的背景下，更多智能化技术、自动化技术和新技术被应用到电力系统当中，实现系统与控制中心的同步数据传输。煤矿企业通过应用先进的通信网络技术，来实现对电力系统内部故障的问题的分析和判断，重点给越级跳闸的保护装置应用先进的通讯技术，来加强对煤矿系统管理和监控保护系统。应用智能的保护装置来加强对矿井内部生产设备的管理，并给矿井内部的变压器和配电设备安装防爆配电开关，以此来提高系统的稳定性。尽管电系统在正常的运行下不会出现跳闸问题，但是系统也会加强对电力开关的保护，以及及时地预防故障产生，对电力系统内部的风险进行深入的研究分析和判断，应用越级跳闸的保护系统，可以降低的电力设备维修的时间。

3电力监控系统及防越级跳闸系统的煤矿供电系统中的应用

3.1提高煤矿供电系统的稳定性、安全性

电力监控系统的应用，可以实现对煤矿供电系统的有关数据信息进行分析和纪录，真实地反映供电系统整体运行状态，实时显示系统中电压、电流、零序电流及系统功率因数等数据的上传，有利于运维人员对系统运行状态及供电质量的实时掌控，从而及时调节系统各类参数，提高供电质量。同时，防越级跳闸系统应用，可有效提高继电保护装置动作的可靠性，减少因越级跳闸造成的供电事故扩大现象。同时，电力监控系统与防越级跳闸系统的配合应用，实现对供电系统的远程遥测、遥信、遥控、遥调功能。运维人员可以通过监控系统实现对故障点的切除和对非故障线路供电恢复，可大大减少故障影响时间，大大提高供电系统的稳定性和安全性。

3.2 提高煤矿供电系统维护管理水平，减少人员投入

受煤矿生产压力大、环境安全性要求较高等因素影响，煤礦供电系统运行安全性、稳定性及故障停电后的及时处置和恢复供电工作尤为重要。为此，煤矿主要变（配）电所多采用专人值守，并定期对供电系统进行现场巡检。同时需配备应急抢修人员负责对系统故障进行及时处理和恢复供电工作，人员投入较大。电力监控系统及防越级跳闸系统在煤矿供电系统中的应用，可实现对供电系统的远程遥测、遥信、遥控、遥调功能。实现了对供电系统的全面远程巡检和故障自检、自报功能，减少了值班人员的投入和巡检工作量。同时，通过电力监控系统可实现对故障线路的远程切除和对非故障线路的远程恢复供电工作。大大提高了煤矿供电系统维护管理水平，减少人员投入。

3.3促进煤矿供电系统节能减耗工作的开展

对于煤矿供电来讲，电力资源属于其运行期间使用的主要能源之一。通过电力监控系统的应用，实现了对电力系统各负荷回路电压、电流、有功荷载、无功荷载、功率因数等参数的精准统计，实现对矿井各系统用电量的集中监控及考核、分析、统计等功能，为矿井“避峰填谷”、系统优化等节能工作的实施提供可靠的数据支撑。同时电力监控系统可实现对供电系统中无功补偿装置的自动调节，实现对供电系统的动态无功补偿。从而提供矿井供电系统功率因数，提高供电质量，减少电能损耗。

结语

电力监控系统及防越级跳闸系统在煤矿供电系统中的应用，可大大提高供电系统运行的稳定性、安全性，大大提高对供电系统科学管理水平，大大减少供电系统运行维护人员的投入和矿井电能资源的浪费，为矿井的安全、高效生产提供了保障，为智能化矿山建设奠定了基础。煤矿井下供电系统属于煤矿生产的主要系统，安全高效供电一直是煤矿电气从业者的探索方向。虽然井工三矿电力监控系统防越级跳闸技术在国内外同类项目研究的前提下有了新的突破，也证实了该项目有较广的应用推广价值，但是在实际施工过程中需要根据现场的具体情况制定合理方案，出于安全考虑防越级跳闸不建议级数过多，或出线数过多。这一研究方向也需要电气从业人员不断地总结经验，使得电力监控系统更加完善，使煤矿企业生产供电更加安全、高效。

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