李 捷

（大同煤礦集團(tuán)王村煤業(yè)，山西 大同037000）

0 引 言

近年來(lái),煤礦開采的資金投入加大，煤礦安全問(wèn)題得到有效緩解。但煤礦供電系統(tǒng)仍然會(huì)出現(xiàn)故障，停電事故的發(fā)生導(dǎo)致煤礦生產(chǎn)延誤，造成經(jīng)濟(jì)損失，甚至大面積停電威脅井下工作人員的安全。為此，需要開展電力系統(tǒng)防“越級(jí)跳閘”的問(wèn)題研究，排除線路故障的發(fā)生，保證礦井的安全生產(chǎn)。

本文結(jié)合王村煤礦供電系統(tǒng)情況，對(duì)當(dāng)前繼電器保護(hù)引發(fā)的跳閘進(jìn)行分析和研究，總結(jié)出解決跳閘的技術(shù)方案，分析該設(shè)計(jì)方案的組成和原理，并開展試驗(yàn)研究，對(duì)于防止越級(jí)跳閘具有良好效果，對(duì)于煤礦井下電力系統(tǒng)的跳閘防護(hù)起到良好的效果。

1 越級(jí)跳閘原因分析

1.1 階段式過(guò)電流保護(hù)

當(dāng)前，煤礦供電系統(tǒng)對(duì)用電安全的保護(hù)方式未繼電保護(hù)，即采用階段式電流保護(hù)[1]。其對(duì)電力系統(tǒng)電流的保護(hù)分為三階段式，包括過(guò)電流保護(hù)、限時(shí)快速熔斷、零時(shí)限速熔斷。在電力系統(tǒng)中，不同部位采取的保護(hù)方式不同。終端電路需要過(guò)電流保護(hù)和電流速斷保護(hù)；源進(jìn)出線需要定限時(shí)速斷保護(hù)和零時(shí)限速斷保護(hù)，不同的保護(hù)共同作用，使電力系統(tǒng)正常工作。

圖1 限電流保護(hù)分級(jí)定時(shí)熔斷時(shí)限圖

1.2 煤礦電力系統(tǒng)保護(hù)分析。

王村煤礦電壓35 kV 變電所6 kV 線路采用三段式過(guò)電流保護(hù)，零時(shí)限速斷保護(hù)在電力系統(tǒng)I 段，該段線路依據(jù)電流最大值設(shè)計(jì)。如圖1 中DL-2 保護(hù)大于母線端C 最大短路電流，提高電力系統(tǒng)可靠性，采用可靠的電流熔斷裝置；電力系統(tǒng)II 段采用限速斷保護(hù)，使得電力系統(tǒng)的全部系統(tǒng)可以得到保護(hù)，電流值設(shè)定為最小短路電流系數(shù)，可以保護(hù)電流系統(tǒng)安全。根據(jù)用電部門安全使用要求，動(dòng)作時(shí)需要小于6kV 總開關(guān)，為了避免大面積停電故障，影響礦井安全正常生產(chǎn)；電力系統(tǒng)III 段為過(guò)電流保護(hù)，用于最大負(fù)荷電流保護(hù)，保證電力系統(tǒng)正常工作，需要通過(guò)各個(gè)電力保護(hù)部分的結(jié)合來(lái)實(shí)現(xiàn)。

在電力保護(hù)過(guò)程中，王村煤礦井下變電所進(jìn)行設(shè)計(jì)改進(jìn)，高壓饋出線路過(guò)流方式為兩段式保護(hù)。煤礦井下環(huán)境復(fù)雜，生產(chǎn)要求獨(dú)特，電力系統(tǒng)的管理也有較高的要求。發(fā)生電力故障時(shí)，需要能夠快速切斷，減少生產(chǎn)損失，避免人員傷害。電力系統(tǒng)的保護(hù)主要是零時(shí)限速斷保護(hù),電力系統(tǒng)的另外保護(hù)方式為過(guò)電流保護(hù)。主要的保護(hù)方式多是為了避免“越級(jí)跳閘”的發(fā)生，維護(hù)電力系統(tǒng)正常工作。

2 防越級(jí)跳閘的系統(tǒng)

2.1 針對(duì)該問(wèn)題的解決方案

對(duì)于電力系統(tǒng)而言，礦井下和地面形成一個(gè)高速的電網(wǎng)系統(tǒng)，自動(dòng)化接入了不同子系統(tǒng)，信息的傳輸速度快、效率高，能夠適應(yīng)現(xiàn)代煤礦企業(yè)的生產(chǎn)，信息的干擾也較少。針對(duì)這種情況的通信傳輸，需要采用先進(jìn)的方案才能開展問(wèn)題的解決，提高生產(chǎn)效率和降低失誤的發(fā)生，具體方案如下：

1）引進(jìn)智能網(wǎng)絡(luò)繼電保護(hù)方法。針對(duì)煤礦井下電力系統(tǒng)，設(shè)計(jì)一種能夠短路閉鎖的跳閘裝置，采用煤礦井下的高速光纖作為通訊方式，進(jìn)行電力系統(tǒng)監(jiān)測(cè)和繼電器保護(hù)。該裝置與電力系統(tǒng)的保護(hù)裝置形成“互鎖保護(hù)”功能，對(duì)電力系統(tǒng)的保護(hù)更加全面，能夠避免井下故障的出現(xiàn)。電力系統(tǒng)出現(xiàn)故障，距離其最近的開關(guān)跳閘，形成切斷保護(hù)，當(dāng)電流較大時(shí)，產(chǎn)生越級(jí)跳閘。故障部位在越級(jí)跳閘發(fā)生前提示工作人員開展檢修，從而可以保證電力系統(tǒng)正常。

2）采用失壓延時(shí)保護(hù)技術(shù)。電力系統(tǒng)中，采用智能保護(hù)可以使得系統(tǒng)具有備用電源，為了使得電力系統(tǒng)正常工作，需要通過(guò)內(nèi)部釋放線圈帶電或者控制欠壓帶電。為了躲避電壓波動(dòng)，針對(duì)跳閘過(guò)程開展避免措施，更好的保護(hù)煤礦井下電力系統(tǒng)，采用失壓延時(shí)技術(shù)。保證短路系統(tǒng)可以及時(shí)修復(fù)，系統(tǒng)能夠減少故障時(shí)間。

2.2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

結(jié)合王村煤礦供電現(xiàn)場(chǎng)情況,為減少電力系統(tǒng)運(yùn)行成本,需要改進(jìn)新的方式。保護(hù)裝置的反應(yīng)速度要快，信息在傳輸中盡量避免延時(shí)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，提高保護(hù)措施的有效性，采用了2 種數(shù)據(jù)信式：

1）對(duì)于一個(gè)變電所而言，當(dāng)2 個(gè)不同的保護(hù)裝置較近時(shí)，可以采用雙絞線硬導(dǎo)線方式直接相連。這樣的連接方式不僅節(jié)約電力運(yùn)行成本，而且能提高故障出現(xiàn)時(shí)的數(shù)據(jù)傳輸速度。

2）當(dāng)2 個(gè)不同的保護(hù)裝置較遠(yuǎn)時(shí)，不能采用雙絞線連接，此時(shí)可以依靠以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，在以太網(wǎng)上建立信號(hào)關(guān)聯(lián)，使得2 個(gè)不同的保護(hù)裝置通過(guò)以太網(wǎng)的連接實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的及時(shí)傳遞，從而對(duì)電力系統(tǒng)的保護(hù)具有積極促進(jìn)的作用。

2.1.2 田間生長(zhǎng)性狀 由表2看出，播期因素中，出苗率各處理表現(xiàn)為P4>P3>P2>P5>P1，越冬率P5明顯低于其他處理。分蘗成穗率各處理均較低，其中P1明顯高于其他處理，表明早播能夠提高分蘗成穗率。P5處理由于最高莖數(shù)低(分蘗少)造成分蘗成穗率高于P2、P3及P4，冬前莖蘗及返青莖數(shù)表現(xiàn)為隨播期推遲而降低趨勢(shì)。分析認(rèn)為，P4播期處理綜合表現(xiàn)較好。密度因素中，基本苗、穗數(shù)和株高隨密度增大而增大，出苗率呈下降趨勢(shì)；各處理越冬率表現(xiàn)為D5>D4>D2>D1>D3,分蘗成穗率表現(xiàn)為D1>D3>D5>D2>D4。結(jié)合出苗率、分蘗成穗率分析認(rèn)為，D3、D4密度處理綜合表現(xiàn)較好。

2.3 系統(tǒng)組成

對(duì)于電力系統(tǒng)而言，防越級(jí)跳閘系統(tǒng)的組成較為復(fù)雜，主要由智能保護(hù)模塊、變電所監(jiān)控分站、失壓延時(shí)模塊、短路閉鎖控制器、地面監(jiān)控部分組成。不同的結(jié)構(gòu)具有的功能不同，各自的功能共同保護(hù)電力系統(tǒng)運(yùn)行。

1）智能保護(hù)模塊。該部位根據(jù)電力系統(tǒng)中數(shù)據(jù)及時(shí)調(diào)整，采用智能化的方式保護(hù)運(yùn)行。

2）通信監(jiān)控分站。對(duì)煤礦井下電力系統(tǒng)各部分是否正常進(jìn)行監(jiān)控，并收集監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)，傳遞給主站。

3）失壓延時(shí)模塊。當(dāng)電力系統(tǒng)出現(xiàn)電壓降低時(shí)，防止系統(tǒng)故障蔓延導(dǎo)致跳閘，采用欠壓線圈供電。

4）短路閉鎖控制器。當(dāng)電力系統(tǒng)出現(xiàn)短路，該設(shè)備關(guān)閉上級(jí)開關(guān)，避免越級(jí)跳閘。

5）地面監(jiān)控部分。煤礦井下環(huán)境復(fù)雜，對(duì)于電力系統(tǒng)的監(jiān)控必不可少，該模塊對(duì)于正常工作和故障的電力系統(tǒng)均可實(shí)現(xiàn)在線實(shí)時(shí)監(jiān)控。

6）隔爆型攝像儀。煤礦井下環(huán)境惡劣，有時(shí)會(huì)出現(xiàn)瓦斯爆炸等極端情況，采用防爆型攝像儀可以抵御復(fù)雜環(huán)境，并開展實(shí)時(shí)監(jiān)控。

該系統(tǒng)具有多種應(yīng)用功能，能夠保證煤礦井下電力系統(tǒng)不出現(xiàn)跳閘情況，也可作為繼電保護(hù)，同時(shí)含有監(jiān)控功能，對(duì)于煤礦電力系統(tǒng)的安全具有極大的保障。

3 系統(tǒng)工作原理

當(dāng)煤礦井下電力系統(tǒng)出現(xiàn)短路，短路電流通過(guò)開關(guān)，短路故障點(diǎn)由較大電流通過(guò)，多種保護(hù)設(shè)備開展保護(hù)，進(jìn)行電流的封閉或線路斷開，保證電力系統(tǒng)不會(huì)出現(xiàn)更大的故障，甚至造成安全隱患。

出現(xiàn)故障的線路，在防越級(jí)跳閘系統(tǒng)中每個(gè)裝置都對(duì)電力的保護(hù)具有重要作用，紡織上級(jí)電流進(jìn)入下一級(jí)，從而維護(hù)電力系統(tǒng)穩(wěn)定，使得電力系統(tǒng)不能動(dòng)作跳閘。短路故障開關(guān)遇到短路信號(hào)電流，切斷線路，保護(hù)其他部分，從而不會(huì)導(dǎo)致電流持續(xù)增大。當(dāng)短路故障修復(fù)完成，電流在電路中的流通恢復(fù)，上一級(jí)開關(guān)啟動(dòng)后，在合理的延時(shí)時(shí)間內(nèi)，電力系統(tǒng)工作更持久，性能更好，一般延時(shí)30～100 ms 后，短路被切除，防止故障蔓延，用于后面電路的保護(hù)。因此，這種方法具有保護(hù)后備電路和切除故障的優(yōu)點(diǎn)，能夠快速恢復(fù)電力系統(tǒng)的正常工作。

為了更好的分析，選擇某一供電回路，其防越級(jí)跳閘結(jié)構(gòu)圖見圖2。

圖2 煤礦井下防越級(jí)跳閘結(jié)構(gòu)圖

對(duì)于該防越級(jí)跳閘系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，其含有多個(gè)變電所，即中央變電所和其他變電所。工作原理如下：當(dāng)井下變電所出現(xiàn)短路故障，故障點(diǎn)發(fā)生在d1 位置，8、1、7、5#開關(guān)流通的電流未受到影響。8#開關(guān)保護(hù)裝置獲得短路電流信息，電流信息被傳遞到短路閉鎖控制器，該控制器傳遞給7#總開關(guān)信號(hào)，閉鎖其速斷保護(hù)，保護(hù)線路。同理，7#開關(guān)將數(shù)據(jù)信號(hào)傳遞給5#開關(guān)，然后5#開關(guān)快速熔斷。

當(dāng)電路出現(xiàn)故障時(shí)，防跳閘系統(tǒng)中的開關(guān)接收到電流信號(hào)，啟動(dòng)保護(hù)裝置，對(duì)電力系統(tǒng)進(jìn)行保護(hù)，切斷故障電路，防止故障蔓延和造成更大的損失。在故障發(fā)生時(shí)，如8 開關(guān)出現(xiàn)失效，7 開關(guān)在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)會(huì)進(jìn)行故障的排除，并保證開關(guān)正常使用。在短路中，不同的設(shè)備在特殊條件下會(huì)產(chǎn)生放電效應(yīng)，配合保護(hù)電力系統(tǒng)正常工作，提供井下作業(yè)的電力保障，有利于生產(chǎn)安全。

4 防越級(jí)跳閘應(yīng)用實(shí)例

4.1 應(yīng)用概況

王村煤礦供電體系主要分為2 個(gè)較大的部分，即煤礦地面部分和煤礦井下部分。防越級(jí)跳閘保護(hù)器是一種新型的保護(hù)裝備，本次設(shè)計(jì)采用的型號(hào)未ZBT-11c 分布式，能夠有效進(jìn)行煤礦井下電力保護(hù)。對(duì)煤礦井下的電力系統(tǒng)進(jìn)行保護(hù)，需要了解該電力系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖，分析故障原因，找到避免跳閘的條件，才能開展電力系統(tǒng)的保護(hù)工作，保證電力系統(tǒng)正常工作，電力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖見圖3。

圖3 電力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

由圖3 可知，該電力系統(tǒng)包括控制中心、服務(wù)器、以太網(wǎng)、變電所等重要部分。保護(hù)電力系統(tǒng)，上下級(jí)母線都起到重要作用，明確不同線路關(guān)系，開展有效保護(hù)。當(dāng)一條線路啟動(dòng)保護(hù)，采集的數(shù)據(jù)信息通過(guò)以太網(wǎng)快速傳輸，設(shè)備在接收到信息后，做出打開閉鎖保護(hù)的動(dòng)作。同時(shí)，被采集的數(shù)據(jù)傳輸?shù)缴霞?jí)，然后繼續(xù)升級(jí)，該事件有嚴(yán)格的確定范圍，一般保證在10～30ms；從出現(xiàn)故障，到線路保護(hù)，電力系統(tǒng)能夠解決不必要的故障，從而保證傳輸信息，才能進(jìn)行閉鎖保護(hù)。

4.2 防越級(jí)跳閘試驗(yàn)

該型號(hào)的保護(hù)裝置用于電力系統(tǒng)中，保護(hù)效果如何需要進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。對(duì)于ZBT-11C 防越級(jí)跳閘保護(hù)器的保護(hù)效果進(jìn)行試驗(yàn)。選擇的試驗(yàn)未驗(yàn)證是否存在故障，測(cè)得數(shù)據(jù)如表1 所示。

表1 各級(jí)保護(hù)動(dòng)作情況記錄表

圖4 防越級(jí)系統(tǒng)測(cè)試模擬系統(tǒng)主接線圖

電力系統(tǒng)出現(xiàn)故障后，短路電流值可達(dá)圖1 中A的位置，不同的變電區(qū)域呈現(xiàn)的不同。東采區(qū)3#變電所3#水泵高開的電流較大，可以短時(shí)間內(nèi)達(dá)到400 A，東采3#變電所02#高開的電流更大，為800 A，中央變10#高開02#線電流最大，為1 800 A，該部分的電流低于保護(hù)電流的大小。

對(duì)于煤礦東采區(qū)3#變電所來(lái)說(shuō)，位置02#高開10#和2#高開、428 開關(guān)工作仍然能夠保持穩(wěn)定，監(jiān)測(cè)結(jié)果顯示未出現(xiàn)跳閘故障。說(shuō)明防越級(jí)跳閘對(duì)于電力系統(tǒng)故障導(dǎo)致的跳閘能夠起到阻止作用，避免跳閘的發(fā)生。僅東采區(qū)3#變電所10#高出現(xiàn)短路保護(hù)，電力系統(tǒng)未出現(xiàn)跳閘，試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了所設(shè)計(jì)的電力保護(hù)系統(tǒng)。

5 結(jié) 論

本文對(duì)煤礦井下電力系統(tǒng)進(jìn)行分析，介紹防跳閘系統(tǒng)的組成原理，設(shè)計(jì)一種系統(tǒng)期待保護(hù)電力系統(tǒng)，并開展防越級(jí)跳閘試驗(yàn)，結(jié)果顯示，設(shè)計(jì)的系統(tǒng)能夠減少跳閘的發(fā)生，避免礦井大面積停電，有利于保證安全用電，促進(jìn)煤礦生產(chǎn)安全。