煤矿井下电网越级跳闸故障识别及防治技术研究严明林

煤矿井下电网越级跳闸故障识别及防治技术研究严明林

严明林

（河南能源化工集团新疆投资控股有限公司新疆乌鲁木齐市830011）

摘要：随着我国科学技术水平的不断提高，我国矿井开采得到了延伸，井上下供电系统越来越庞大、复杂。矿井井下有多个变电所，具有分布区域广、设备多、距离远等特点。供电事故屡次发生，多次出现开关越级跳闸现象造成大面积停电；在事故处理方面由于缺乏电网的监测监控系统，对事故发生的地点和原因不详很容易造成供电的二次事故，且恢复供电系统需要很长时间，影响矿井安全生产。本文重点介绍了引起煤矿井下电网越级跳闸的原因，并根据实际情况提出了几点解决措施，对煤矿井下安全供电具有十分重要的意义。

关键词：煤矿井下：电网；越级跳闸；故障识别；防治技术

1预防煤矿井下电网越级跳闸的重要性

供电安全是煤矿安全生产的重要保障，煤矿作业环境很差，极易造成电缆绝缘破坏，从而导致相间短路和漏电事故的发生。煤矿供电电网具有其自身的特点，各级线路很短且分支多，导致保护整定值很难设定。当短路故障发生时，下级和上级之间的短路电流差别很小，导致上级保护装置误动作，造成越级跳闸事故的发生。随着电力电子技术、光纤通讯技术和电力监测技术的发展，数字化变电站技术已趋于成熟，在地面电力系统防越级跳闸方面已经取得成功运用。但由于煤矿井下供电网络与井上存在较大差异，无法直接将地面数字化变电站技术直接移植到井下，因此研究该技术应用于煤矿井下解决电网越级跳闸问题是十分必要的。

2煤矿井下电网越级跳闸的原因

2.1短路故障

电压波动容易引起大面积停电。当电压波动时，失压脱扣线圈失压脱扣，引起开关跳闸；当短路情况发生在供电线路初端时，母线电压会出现大幅下降，进而导致失压线圈脱口，引起大面积跳闸事故，此时，因工作电压未能达到标准要求，即便实际短路保护采取了电流跳闸回路措施，也不能对跳闸予以短路保护；譬如说，母线末端因短路造成电压下降，若此时尚未引起施压脱扣情况，其主要原因在于保护调整精度较低，无法与地面保护协作，最终引起越级跳闸事故。

2.2选择性漏电保护问题

选择性漏电保护问题主要是出现选线不准：一是因为接地方式复杂。通常情况下，煤矿井下环境较为恶劣，因此对井下电路设计要求也相当高，在这种环境下，接地方式主要分为两种，一是瞬时性接地，二是稳定性接地，两者又可在细分为电弧性接地、电阻性接地等等，无论是何种接地方式，皆存在故障信号从复杂性。其次是零序电流互感器特性存在差异，且互感器对于强信号或微弱、奇异信号容易出现失真问题，无法正确识别信号。最后是电网系统参数较为复杂，对电网极易产生影响；譬如说，系统对电路长短、平衡程度等参数均有一定的定性要求。

2.3井下保护器的技术问题

分析煤矿井下保护器原理我们不难发现，其本质就是一种半模拟半数字保护，这个属性通常会导致定值漂移现象发生，进而造成保护拒动或保护误动作，加之保护器精度不够高，定值连续调整无法达成，因而只得采取倍率调整的方式，最终无法实现上级与下级变动所之间的配合保护，造成越级跳闸故障发生。

现阶段，线性模拟电源是保护器的主要电源，该电源工作电压范围较小，没有足够强的抗干扰性能，造成供电电压不稳引起保护工作失常。本系统开关PT就是保护装置电源，装置内所安装芯片的工作电源，通常情况下允许额定值为百分之五左右，由于模拟电源输入/输出比例变化是同步的，因此只要煤矿电网电压超出或低于5%，保护装置就会立即失电。进而导致其他保护无法正常工作，引起越级跳闸事故。

漏电保护的实现通常采用固定零序电源定值比较法来完成，因未对不平衡电力及零序方向影响加以考虑，势必会出现拒动或误动作情况的发生。失压保护的实现主要是利用开关的失压脱扣线圈来完成的。当在线电压降低至百分之六十五时，失压脱扣线圈会因为延时不存在而自动脱扣跳闸，出现这种情况，母线失压与电压波动就不能被及时有效区分，最终导致没有失压保护而引发停电故障。

3数字化变电站关键技术

3.1光纤纵差保护技术

目前，煤矿井下监控系统大都采用电缆传输，电缆具有价格低、维护方便的特点。但是在电力监控系统中保护跳闸、闭锁等报文信息传输要求不能超过2ms，这就对煤矿监控通讯网络提出了很高的要求。光纤信息传输以其距离远、速率高、带宽大、抗干扰强等特点得到广泛的应用。将光纤通讯技术应用于煤矿电力监控系统中是十分必要的。光纤纵差保护就是基于光纤通讯技术发展而来的，该技术是通过对输电线路两端电流信息进行比较从而实现故障的准确判断。通过对线路两端电网电流的快速检测比较，若线路两端的向量和为0，则可判断该线路无故障。反之则可判断该线路故障，从而实现线路故障的准确判断和切除。

3.2GOOSE报文传输机制

GOOSE报文是IEC61850里规定的一种标准通讯机制，用于快速实时信号的传输。电网正常工作时，节点以比较长的固定时间T0间隔发送报文信息，当电力监测系统某节点检测到线路故障时，节点立即停止固定间隔报文发送，并打包跳闸和闭锁指令GOOSE报文信息，以间隔很短的T1时间连续两次发送该指令信息，然后逐渐加大时间间隔T2，直到事件状态稳定，再恢复到固定时间T0间隔发送。GOOSE通讯的实时性一方面是由于其传输服务在应用层至表示层经编码后,不经网络层和传输层，直接映射到底层数据链路层和物理层；另一方面必须采用光纤网络通讯技术，以保证信息传输的实时性。

3.3同步采样技术

光纤纵差保护要进行线路两端电流信息的对比，需要精确快速同步采样才能保证数据判断的准确性，如果不同步，将导致错误数据判断造成开关误动。系统采用GPS时间同步技术，利用GPS时间同步服务器实现节点采集时间的同步。时间同步服务器获取卫星GPS标准时间，然后间隔固定时间将数据发送给各个节点设备，实现各个节点设备间隔校时，为了保证各个节点设备动作的准确性，必须要固定间隔一定时间要重复进行校时工作，从而确保各个设备时间的准确。

4保护系统设计

数字变电站技术应用于煤矿防越级跳闸保护需要解决各节点保护同步采样问题、多分支供电线路纵差电流逻辑分析判断问题、需要解决通讯网络报文大量传输准确度的问题等。本文设计保护系统设备主要由电子互感器、智能断路器、光纤纵差保护器和监控主机等组成。监控主机用于管理各个节点保护器，保护器用于管理电子互感器和智能断路器设备。各个设备之间都通过光纤连接成光纤通讯网络，为了保障光纤通讯的可靠性，设计成光纤冗余环网结构，增加了网络通讯的可靠性。系统在线路两端装设型号规格相同的电子互感器和智能断路器，分别通过光纤接到光纤纵差保护器上。系统正常工作时，保护器通过光纤传输监控信息；当系统发生故障时，故障相邻位置的保护器将检测到故障电流信息发送到监控主机，主机控制保护器进行故障判断和选线。线路两端的电流分别为iA和iB，通过保护器计算iA和iB的向量和，若向量和为0，则本段线路工作正常，保护器控制智能断路器不动作，反之则控制断路器切除故障线路。

结束语

煤矿供电安全是十分重要的，由于煤矿供电网络特殊结构，各级间距离短，同级分支多，这样的结构与地面供电网络存在很大的差别，存在参数难整定，容易发生越级跳闸的情况。本文首先分析煤矿电网基本情况和越级跳闸产生的原因，然后通过粗糙集理论故障识别技术和GOOSE防越级跳闸技术的研究和应用，设计了煤矿井下电网防越级跳闸故障智能识别及防治系统。系统为煤矿越级跳闸问题提供了一种解决方案，为提高煤矿供电安全水平具有重要意义。

参考文献：

[1]李德臣.煤矿井下高压电网防越级跳闸装置的研究[J].煤炭科技，2012.31（5）：30-32.

[2]王玉梅,赵宏卫,陈家林.基于EtherCAT的井下电网防越级跳闸方案研究[J].电子测量技术,2016,11:164-167.

作者简介：

严明林，1982年生，贵州龙里人，机电高级工程师，2004年毕业于贵州工业大学机电专业，一直从事机电技术与管理工作，现在河南能源化工集团新疆公司机电部工作。