[科普中国]-煤矿井下高压电网越级跳闸

背景

随着煤矿现代化的不断推进和发展，井下引入了大批的先进设备和仪器，供电系统愈加复杂，供电距离和供电级数不断增加，计算继电保护的难度不断增大，导致了井下发生越级跳闸的现象。如何有效防止井下高压电网越级跳闸的发生，保证供电系统安全、可靠地运行，是煤矿亟需解决的技术难题。

危害越级跳闸发生后可能会造成采区或上级变电所范围内的大面积停电，矿井的正常生产受到阻碍，如果风井和水泵的供电中断，则会导致煤矿井下的瓦斯积聚和废水积存，增大了瓦斯爆炸的风险，可能会造成严重的人身伤亡和设备损坏，甚至会毁坏整个矿井，后果不堪设想。1

原因煤矿井下供电系统的线路布置不合理通过电路分析可以得出，当供电系统线路很长时，供电系统的开端和末端会存在很大的短路电流差值，且线路电流变化趋势陡峭，所以继电保护范围较为广泛；当供电系统线路较短时，供电系统的开端和末端的短路电流差值几乎为零，且线路电流变化趋势平缓，故而继电保护范围较为狭小。

由于煤矿开采的特殊性，井下多选用很多段较短的电缆线路形成供电网络，这就导致电路系统上下级间不存在明显的短路电流差值，大大降低了继电保护范围，速断保护的设置起不到应有的作用。在实际应用中发现，如果下一级的电路短路，形成较大的短路电流同时符合上下级的继电保护范围，所以速断装置同时被启动，甚至上级速断装置动作更快，从而产生了越级跳闸。2

煤矿井下供电系统的开关配置不合理煤矿井下生产时会产生瓦斯等易燃易爆性气体，从安全角度考虑，要求井下的供电系统使用高压防爆开关。高压防爆开关要随着矿井的产量和电量负荷进行不断的更换，但是与地面变电所的供电设备配合效果不佳。

煤矿井下现使用的高压防爆开关的动作时间是由继电保护装置的动作时间和自身的固有动作时间共同决定的。继电保护装置的动作时间是通过电流互感器感知电磁来确定的，由于每个电流互感器的磁化曲线不尽相同，导致其保护准确度较低，保护的整定值会与其动作值存在一定的误差。另外，井下潮湿的环境会影响高压防爆开关的灵敏性，延迟了开关自身的固有动作时间，发生短路故障时，井下高压防爆开关的动作慢于地面的高压开关动作，故而产生了井下高压电网的越级跳闸。1

煤矿井下供电系统制定的速断方案不合理速断保护的原则是上下级存在0.5s的级差阶梯，也就是下级速断保护装置的动作时间要早于上级速断保护装置0.5s，上下级配合共同起到速断保护的作用。

但在煤矿企业的实际生产中，一方面为了能够快速的切断电路故障，另一方面是如果速断保护装置采用了0.5s的级差，则需要添加很多的电缆，大大增加了矿井的投资成本，还会降低供电系统的安全性，增大电缆的管理难度。所以一般煤矿会将上下级电流速断保护装置的时间级差设置为0s，这样一来当发生电路故障时，上下级速断保护装置会同时动作，造成越级跳闸的发生。

煤矿井下供电系统欠电压释放保护回路不合理煤矿井下条件复杂，使用的电动机数量很多，需要的启动电流很大。在一些大型的综采工作面，为提高采煤效率，可达到很高的机械化程度，使用了大量的大功率综采设备，且均位于供电线路的末端。在其直接启动的瞬间，造成末端电压的迅速下降，使得末端断路器的工作电压低于正常的工作值，断路器便会发生跳闸并闭锁保护，这类情况属于断路器的误动作。

这种末端大容量电动机直接启动的情况，也会降低地面变电所母线的三相电压，影响此母线上其他电动机的正常使用。要恢复母线的话，就会同时启动多台大容量电动机，会启动地面线路的过负荷保护，延时后出现越级跳闸，将停电范围进一步扩大。1

防治措施煤矿井下供电系统线路布置的合理化对于煤矿井下变电所的主排水泵房等重要场所，实现独立供电或者双回路供电。如此，当井下供电系统的某一回路发生故障而停止供电时，迅速启动另一供电回路恢复供电，降低了井下全面停电的概率，从而有效降低事故的发生的可能性，保障井下供电系统的安全、可靠运行。

煤矿井下供电系统开关配置的合理化改造高压保护器，使其实现电流三段保护和根据计算值设定保护定值的功能，将动作时间延时精确到毫秒级别，在0～3s内可以随意调整。.

或者通过光纤获取每个控制点断路器保护装置的信息，各个断路器保护装置可以独立使用，具备常规保护功能。在发生供电故障时，通过测得的故障参数来准确找到故障地点，并将故障准确切断。

断路器保护装置应该具有2个及以上的光纤通信接口，能够实现区域选择性的联锁保护功能。

煤矿井下供电系统速断方案的合理化为了提高井下供电系统的安全性，在保证了选择性的情况下尽可能缩短速断保护装置上下级的时间级差。使用智能化的微机保护装置，可以缩短速断保护装置的动作时间，提高延时的准确性，从而减小井下防爆开关动作时间的级差。相关的实验结果表明，要保证防爆开关动作时间的选择性，则时间级差要达到100ms及以上。所以，通过微机保护装置设定防爆开关的速断动作时间和限时速断时间的级差为100-300ms，上下级过电流保护装置的时间级差为100-200ms。这样，最后一级防爆开关安装速断保护装置和过电流保护装置时间后的延时时间为100-200ms。较之前的0.5s面显著缩短，既提高了供电系统的安全性和可靠性，也提高了切断电路故障的敏捷性。1

煤矿井下供电系统欠电压保护回路的合理化调整煤矿井下欠电压释放保护回路的低电压动作值，在欠电压回路上增加延时对其进行限时电压保护。

煤矿井下欠电压释放保护回路的低电压动作值一般设置为额定电压的60～70%，为了避免供电线路末端的大容量电动机直接启动等情况导致的断路器误动作，可调整井下供电线路最末端一级的欠电压动作值整定为60～70%，然后依次整定该母线的欠电压工作值。

目前煤矿井下使用的高压防爆柜的欠电压释放保护没有时间限制，发生欠压时会马上将电路切断，造成误动作。综合考虑电流速断保护装置的动作时间和增加欠电压释放保护回路时限，可以将低电压速断保护装置改为限时电压保护装置，配合电流速断保护装置使用。可将高压防爆柜的交流电压保护线圈换为直流线圈来增加欠电压释放保护回路的时限，对直流线圈完成单相全波整流后，把并联的电容在失压后放电延时返回。通过这种方法可以将欠电压释放保护回路的时限增加500ms或者1s，延时效果良好，方法操作简单，使用安全。1

总结深入地分析煤矿井下高压电网越级跳闸的原因，并针对这些原因制定出合理、有效、全面的防治措施，能在最大程度上降低煤矿高压供电系统越级跳闸事故的发生，避免事故造成的人身伤亡和财产损失。如何提高煤矿供电系统的的安全性和可靠性，是值得广大机电技术人员进一步研究和探讨的问题。1