煤矿供电越级跳闸的原因及防越级跳闸系统解决方案

一、引言

      矿井供电系统是煤矿安全生产最基本、最主要的生产系统。随着矿井生产的机械化发展，人们对矿井供电系统的安全性、可靠性要求越来越高。其中，越级跳闸是影响矿井供电安全性、可靠性的一个重要因素。在矿井供电系统中，越级跳闸事故会造成采区停电或地面变电所瘫痪，若不能及时排除故障，会引起矿井瓦斯积聚，威胁井下作业人员的人身安全，影响矿山的正常生产。尤其是赵家坝煤矿存在多级变电所级联的情况，井下供电系统复杂，同时还存在柔性掩护式支架开采，柔掩工作面小眼掘进时如果遭遇停电，极易造成瓦斯积聚，引起安全事故，降低矿井安全系数。矿井管理人员要对此予以重视，分析越级跳闸的原因，为了确保矿井生产安全，杜绝人员伤亡事故的发生，必须制定可靠的防范措施。

二、造成煤矿供电系统越级跳闸的原因

1、线路短路造成跳闸

      矿井生产环境较为恶劣，且为了保证开采进度，一般矿井的供电网路级数较多，电缆短，阻抗小，造成电缆在首、末两端的短路电流数值无差异性，导致保护开关在短时间内断路，其保护功能失效，出现越级跳闸现象。

2、上下级开关失效

      电容电流受消弧线圈补偿、电缆长度以及运行方式影响，电缆在接地连接时，其上下级保护开关的选线保护功能失效，选择功能失效，出现越级跳闸现象。

3、开关欠压脱扣器动作

      短路故障、地面电网电压波动等导致母线短时欠压，在这种状态下出现越级跳闸是因为大功率的开关欠压脱扣器处于解锁状态。

4、上级开关后备保护动作

      在恶劣环境下，高压开关跳闸机构灵敏度下降，甚至卡塞，导致高压开关的跳闸动作不合理，上级保护开关引起后备保护动作，造成供电系统中越级跳闸现象的发生。

二、独有的“三位一体”供电防越级跳闸技术分析及应用

      “三位一体”中的“三位”是指从三个方面入手，避免越级跳闸现象发生，即电缆短路防越级、电缆接地防越级、电压波动防越级，并通过开关可靠性监测以及保护定值集中管理，避免开关拒动越级、定值不合理越级等问题，真正做到全方位防止供电越级跳闸。

      供电无人值守监控与防越级监控融为一体，系统既可以独立组网，又可以借助现有光纤环网，防越级网络不容易被破坏，可靠性高，投资小，维护简单，提高供电安全水平。

1、 分布式网络保护，电缆短路防越级

      网络优先技术，即防越级网络识别信号在网络中优先传输，防越级零延时。故障定位，根据故障位置动态调整各级防越级延时，可在0.5s时延内，实现7级以上级联线路防越级。开关可靠性在线监测，机构异常自动报警，提高开关分段可靠性。分布式网络保护，电缆短路防越级结构如图1所示。

2、基于辅助信号源的漏电选线防越级

      注入信号与防越级技术相结合，注入信号不受容性电流、消弧线圈等影响，井上、井下接地选线全覆盖，选线准确率100%。自动选线时间短（＜3s），通过故障定位快速切除接地线路，防止非接地相绝缘击穿，扩大事故影响范围。基于辅助信号源的漏电选线防越级结构如图2所示。

3、  基于电压波动识别技术的电压波动防越级

      通过微机保护装置智能识别短路引起的欠电压、瞬间电压波动以及长时间欠压故障，自动投入电压波动保护，躲避电压波动，防止欠压释放动作引起大面积停电。该技术可防止由于短路故障引起的母线欠电压或地面电网电压波动引起的大面积停电。通过电压波动智能识别技术可以解决由于电动机群起、短路故障欠电压、地面电网瞬时故障欠电压引起的越级跳闸问题，提高防越级跳闸可靠性。基于电压波动识别技术的电压波动防越级结构如图3所示。

4、开关拒动定位、智能联跳，后备保护更可靠

      煤矿井下工作环境恶劣，本级保护开关的设备一旦出现故障往往导致拒动现象，造成越级跳闸。“三位一体”系统具备“网络识别、拒动定位、智能跳闸”功能，在故障发生时，系统能够快速进行故障排除工作，在第一时间切断故障线路，将故障波及范围缩小，系统能够24 h记录报警信息。当发生停电事故影响本级开关动作而未动作，产生拒动时，该系统通过网络识别技术迅速锁定拒动开关在网络中的位置后，立即启动该拒动开关的上级开关，及时跳闸断电，既保证了故障状态下开关跳闸的可靠性，又防止停电范围进一步扩大，后备保护更加可靠。“网络识别、拒动定位、智能跳闸”防越级结构如图4所示。

5、光纤环网复用技术降低维护成本

      光纤环网复用技术利用环网实时监控供电系统信息，不但提高了供电系统的可靠性，且因为故障风降低使得维护成本投入减少。光纤环网复用技术是基于两层网络协议所研发的光纤复用技术，与TCP/IP的7层网络协议相比，优先级更高，传输更快（防越级信号传输时间＜1ms）。为防止网络堵塞，保证网络传输实时性，防越级网络应避免与视频监控网络共用同一芯光纤。

6、开关动作异常在线监测模块提高开关机构可靠性

      该系统采用了针对煤矿井下常用开关动作异常在线监测模块，在供电系统中，确保了保护开关的动作状态能够被模块实时监控，在故障出现时，模块能够迅速报警，检修人员能在第一时间接收到报警信息，并进行处理。其具体运行方式是当开关发生事故跳闸或进行跳闸试验时，微机保护装置自动记录开关跳闸时间，当开关动作时间大于100ms时，则判定开关动作异常，并立即向系统提示告警，提醒开关跳闸异常需要更换或检修开关的跳闸机构。

7、井下供电系统“五遥操控”

      系统可在地面实现对井下变电所内供电设备的在线监测、远程操作控制、故障数据上传、数据统计分析；实现供电系统“五遥操控”（遥测、遥控、遥调、遥信、遥视），构建井下“无人值守”变电所。

8、 监控系统软件防病毒，可靠性高

      Windows操作系统应用普遍，流行病毒多，很容易受到黑客攻击，安全性差。为此，该系统特采用了最安全的军工安全级Linux操作系统的监控软件平台，Linux操作系统源码开源，安全分区管理，安全级别高，病毒少，不容易被黑客攻击；采用基于Linux操作系统的煤矿供电监控系统，对于保证煤矿供电安全具有重要意义。

9、先进的互联网+技术

      该系统开发了手机APP，如图5所示，手机移动监控、数据监控、报警记录、视频监控全覆盖，一机在手，监控不愁；电能计量在线监测，精度误差＜1%，应用互联网+技术，电能报表（日报、月报、年报）云端监控，随时随地掌握用电成本；本监控系统平台不只是供电监控平台，还是矿井综合监控一体化软件平台，可兼容排水自动化监控、输煤自动化监控、压风机监控、主扇监控等。生产自动化各个环节可方便接入软件平台，成本低、见效快，可实现矿井生产自动化全过程一体化监控。

三、结语

      “三位一体”供电防越级跳闸系统提供了国内同类厂家无法比拟的功能，并成功解决了一直困扰煤炭行业多年的难题，在国内处于领先水平。赵家坝煤矿在未投入该系统以前井下发生供电越级跳闸平均每年10余次，2018年10月该系统投入使用以后再未发生越级跳闸事故。该系统在赵家坝煤矿井下的成功应用，保证了矿井生产的供电安全，具有极高的推广应用价值。