煤矿供电系统防越级跳闸技术研究

【摘要】煤矿井下电网安全性对煤矿安全生产至关重要，要杜绝供电网越级跳闸误动作等情况的发生，供电保护系统必须具有防越级跳闸保护功能，本文阐述了天地（常州）自动化股份有限公司电气研究所开发的煤矿供电系统防越级跳闸系统原理及组成，介绍了与其他防越级跳闸系统对比本系统具有的功能特点，并通过实验证明了本防越级跳闸保护系统的可靠性。

【关键词】供电系统；防越级跳闸；闭锁

1.前言

电力系统的安全性和运行状态直接影响着煤矿的生产和安全。煤矿井下巷道狭窄、空气潮湿，存在着大量需要工作的设备，电缆也随着这些设备被拖，在此恶劣环境下使用的电器设备和电缆发生短路事故难以避免。越级跳闸造成井下大面积停电，不仅严重影响生产，而且很容易诱发事故，威胁矿井的安全。因此，解决煤矿井下供电系统短路引起的越级跳闸问题，对煤矿安全生产非常必要，意义重大。

2.目前国内外相关的技术和产品发展情况

越级跳闸是煤矿安全生产中的一个难题，现在已经有了多种解决方案。大致有光纤纵差保护法、地面通讯保护法、双口通讯法、电流速断闭锁法几种。

（1）光纤纵差保护法

光纤纵差保护法使用专用光纤纵差保护器，光纤纵差保护器以纵差保护为主保护，电流速断保护功能仅在光纤通信发生中断时投入，光纤通信正常时电流速断保护功能自动退出。下级开关光纤纵差保护器的输出信号通过光纤接入上级开关光纤纵差保护器的信号输入端，下级开关电流信号传输给上级开关光纤纵差保护器，上级开关光纤纵差保护器计算两台开关电流差值。正常运行时，两台开关之间线路不发生短路，两台开关流过同样的电流，电流差值为零。当两台开关之间线路短路时，短路点上级开关流过短路大电流，短路点下级开关不流过短路大电流，短路点上级开关光纤纵差保护器计算出上下级开关电流差值，当差值达到保护器跳闸启动值时，短路点上级开关跳闸，切断短路线路。当短路点的上面的一级开关因故障拒动时，它的上一级开关保护器的定时限过流保护延时一小段时间（一般延时一个开关固有跳闸时间：100ms），延时到时后，上一级开关跳闸，切除短路电路，作为下级开关的后备保护，采用此方案的厂家有上海山源电子电气有限公司、南京弘毅电气自动化有限公司等。

（2）通讯保护法

地面通讯保护法通过地面监控主机与各个开关智能保护器进行通讯，读取全矿所有开关电流信号，与各个开关的定值进行比较，判断短路点的位置，由地面监控主机发出指令，控制短路点上级开关跳闸切断短路线路。由于计算机通讯、判断、再发出指令需要一定时间（一般45～120ms），而开关保护器20ms启动速断跳闸，计算机发出指令的时间远大于保护器速断跳闸时间，因此地面通讯法使用特殊的保护器，保护器在通讯正常时取消本地保护功能，全部由地面计算机控制；在通讯不正常时切换到本地保护功能。

（3）保护器双口通讯法

保护器采用双通讯口，一个RS485口，用于传输电力监控数据（全部电力监控数据）；一个CAN口，用于传输短路信号（只传输电流信号）。所有保护器短路信号都通过CAN总线传输到地面计算机，由计算机判定短路点，控制相应开关跳闸。

保护器双口通讯法是地面通讯保护法的一种。由于CAN口只传输电流信号，加快了传输速度，保护器可以不取消本地保护功能，但其电流速断保护要增加一定的延时，以保证保护器在计算机接到短路信号、判断短路点、下发跳闸指令前保护器自身不启动速断跳闸，采用此方案的厂家有柳州腾龙煤电科技股份有限公司。

3.天地（常州）公司防越级跳闸系统

天地（常州）自动化股份有限公司电气研究所对煤矿供电系统进行了多年的深入研究，结合煤矿供电网络实际情况，研发了防越级跳闸成套装置，通过该装置可以解决煤矿高压供电网络越级跳闸问题，不存在开关盲点，彻底解决了煤矿井下由于短路或漏电引起的越级跳闸故障。系统采用二级防越级跳闸措施，分别是基于硬件的短路跳闸闭锁装置和基于软件的精确延时，主要由带防越级跳闸保护功能的CZB1综合保护器、专用短路检测模块，防越级跳闸控制装置、系统软件以及通信网络组成，具体短路越级跳闸闭锁结构如图1所示。

系统采用电流速断闭锁法，开关使用具有短路闭锁信号输出的专用智能综合保护器，专用智能综合保护器检测到短路信号，输出短路闭锁信号，或在装有普通保护器的开关内加装短路电流采集模块。

当电路某处短路时，短路点的所有上级开关都通过短路电流，短路点的下级开关不通过短路电流。短路点上面各级的多个开关保护器或短路电流采集模块都检测到短路大电流，同时发出短路闭锁信号；每个开关保护器的短路闭锁信号接入上一级开关智能保护器速断闭锁输入端，闭锁上一级开关的速断保护功能，使之不能速断跳闸，短路点下级开关保护器的短路电流采集模块检测不到短路大电流，不会发出短路信号和闭锁信号，不闭锁上一级开关的速断保护功能。这样，只有短路点上方最靠近短路点的一级开关因下级开关（在短路点下面）不发出短路闭锁信号而不被闭锁，它速断跳闸，切断短路线路。短路线路切断后，短路电流消失，各级开关返回，解除闭锁。当最靠近短路点的上面的一级开关因故障拒动时，它的上一级开关保护器的定时限过流保护延时一小段时间，延时到时后，上一级开关跳闸，切除短路电路，作为下级开关的后备保护。从而既切除了短路电路，使供电线路得到很好地保护，又保证了不产生越级跳闸。

防越级跳闸系统包括CZB1高压智能综合保护器、短路电流采集模块、短路闭锁控制器，其中高压智能综合保护器安装在隔爆型高压配电装置内，在短路时可以送出短路闭锁信号，同时可以接收短路闭锁控制器传过来的闭锁信号，将本开关的速断保护闭锁，高压智能综合保护器安装在隔爆型高压配电装置内，在短路时可以送出短路闭锁信号，同时可以接收短路闭锁控制器传过来的闭锁信号，将本开关的速断保护闭锁，这样仅最靠近短路点的上面的一级开关的速断保护不被闭锁，其动作后切断短路线路，上级所有开关保护返回，从而实现了防越级跳闸，当发生本该动作的开关拒动情况时，由上级开关的定时限保护实施后备保护。

天地（常州）公司研制的防越级跳闸系统与其他同类产品相比有以下特点：

（1）CZB1高压智能综合保护器同时具备发出闭锁信号和接收闭锁信号功能，闭锁信号发出时间自故障开始不超过12毫秒。

（2）短路电流采集模块具有体积小、易安装、反应时间快、定值参数通过旋钮开关设置等特点，闭锁信号发出时间自故障开始不超过15毫秒。

（3）短路闭锁控制器反应时间极短，开关量信号延迟不超过1毫秒，多路闭锁信号输入，单个模块最多可接16闭锁信号输入，且可以根据现场情况进行灵活配置成多个模块，当变电所开关数量多时，还可以配置多块短路闭锁模块，形成级联关系，当变电所分两段母线时，可以配置两段短路闭锁信号输出，完全适应各种不同容量及不同母线配置的变电所需要，短路闭锁控制器具有4路闭锁电信号转光信号输出和4路闭锁光信号转电信号输入的能力，以便于上下级变电所利用光纤通信形成闭锁关系。

我们的防越级跳闸系统在实验中模拟上下5级开关的情况下，整个防越级跳闸系统工作正常，重复多次均为最后一级保护器动作跳闸，又在假定最后一级开关动作失灵的情况下，多次重复实验，均为失灵的开关上一级开关保护器动作，证明了我们的防越级跳闸系统有极高的可靠性。

4.结束语

天地（常州）自动化股份有限公司研制的防越级跳闸成套装置，采用硬件接线闭锁的方式来实现防越级跳闸，有极高的可靠性，在极端的情况下，即使闭锁控制器失灵的情况下，高防开关保护器的其他保护均可以正常工作。另还具有高性价比特点，与其他防越级跳闸系统相比，我们的防越级跳闸系统在投入以及施工难度增加不大，却带来了实实在在的防越级跳闸效果。

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作者简介：宋红卫（1971—），男，安徽旌德人，工程师，现供职于中煤科工集团天地（常州）自动化有限公司电气工程部，从事电力系统继电保护及电力电子方面的研究。