井下电网越级跳闸的研究及解决建议.pdf

第 6期 2 0 0 8年 1 2月 工矿 自 动化 I n d u s t r y a n d M i n e Au t o ma t i o n No ． 6 De c ．2 0 0 8 文章编 号 1 6 7 1 2 5 1 X 2 0 0 8 0 6 0 1 3 6 0 3 井下电网越级跳闻的研究及解决建议 吴 文瑕 ， 陈柏峰 ， 高 燕。 1 ． 国网电力科学研究院， 2 ． 国电南京 自动化股份有限公司， 江苏 南京 2 1 0 0 0 3 摘要 井下供电系统出现短路故障时， 越级跳 闸事故时常发生， 造成 大面积停电， 引起 瓦斯积聚， 威胁井 下工人生命安全， 严重时将会造成整个煤矿生产 系统的瘫痪。文章分析 了井下高压 电网越级跳 闸产 生的原 因， 指 出 了井下高压 电 网供 电线路较 短 、 继 电保护 的质量及 速 断保护 方案是 影响 井下 高压 电网越 级跳 闸的主 要 原 因， 并给 出了解 决井 下高压 电 网越级跳 闸的建议 。 关键 词 矿 井 ；电网 ； 越级跳 闸 ； 微机 保护 ； 选择 性 ；速 断保 护 中图分 类号 T D 6 1 1 文献标 识码 B 0 引言 1 越 级跳 闸产生 的原 因 我 国煤 矿 井 下 电 网 大 多 采 用 短 电 缆 1 0 0 ～ 1 0 0 0 m 组 成级 数 较 多 的 辐 射 状 的干 线 式 级 联 网 络 ， 实际运行中， 由于综采工作面工作条件较差 、 环 境 比较恶劣 ， 电缆在 回采过程 中来 回拖拽 ， 容易受 损 。一旦 电缆受损就可能造成电缆绝缘击穿而形成 相间短路 ， 引起 电网系统短路故障。由于井下配电 回路阻抗较小 ， 通常下级回路发生短路故障时 ， 短路 电流比较大 ， 超过上级装置速断保护整定值 ， 使上级 速断保护启动而造成越级跳 闸， 甚至越过多级。如 果越级跳闸到上级采区变 电所 ， 不但造成井下大面 积停电， 影响采区生产， 还会影响井下各级风机， 引 起瓦斯积聚 ， 危胁井下工人生命安全。如果越级跳 闸引起 地 面井 下 中央 变 电所 进 线 馈 出柜 断 路 器 跳 闸， 将会造成整个煤矿生产系统瘫痪 ， 严重威胁矿井 及人 身安全 _ 1 ] 。 收稿 日期 2 0 0 8 0 6 2 0 作者简 介 吴文 瑕 1 9 7 9 一 ， 男 ， 江苏 扬 州 人 ， 助 理 工 程 师， 2 0 0 1 年毕业于南京工程学院 ， 现主要从事电气 自动化研究方 面的工 作 。Te l 1 3 9 5 1 6 1 8 0 4 1 ， E - ma i l C X W WX 1 2 6 ． c o rn 1 开关机 构原 因 因机械工艺原因或开关机构卡涩等原 因， 造成 高防开关拒动而引发上级后备保护动作 ， 引发系统 越级跳 闸。 2 供电设计不合理 因供 电设计原因， 造成保护死 区或保护上下级 无法配合 。参考文献E 3 3 中指 出因为短路电流不流 经现场保护的电流互感器 ， 保护无法感受到故 障电 流而造成本级保护不动作 。参考文献[ 4 ] 中指出开 闭所 出线保护和高配室 内保护不能互相配合 ， 开闭 所发生故障时 ， 高配室保护先动作 ， 引起高配室全停 的越 级跳 闸事故 。 3 整定值整定不当 由于定值计算不准确、 定值输入不当、 或者 由于 运行方式改变后 ， 没有重新计算定值。参考文献[ 5 ] 中指出由于保护配置整定计算方面 的错误造成 了 1条线路故障引起多条线路跳闸的事故。 4 继电保护原因 继电保护 由于种种原因造成保护不动作、 动作 但出口不跳闸、 或者继 电保护动作时延不准、 离散性 较大造成越级跳闸。参考文献1- 6 ] 中指 出某保护装 机控制系统 中， 大大提升了系统的再利用率。 参考文献 1- 1 ] 何朝 阳， 高金萍．基于 P C I 总线的高速 高精度实 时数 据采集 系 统 [ J ] ． 计 算 机 测 量 与 控 制 ， 2 0 0 3 ， 1 1 5 3 71～ 37 4 ． [ 2 ] 张正茂 ，左维． P C I 总线数据采集卡设计[ J ] ． 光电技 术应 用，2 0 0 4 ， 1 9 4 3 8 ～4 2 ． E 3 ] 申柏华 ， 徐杜． 基于 3 6 5芯片 的 高速 数据 采集 系统 P C I 接 口设计 [ J ] ． 计算 机测 量 与控制 ，2 0 0 5 ，I 3 6 6 O 6～ 6 0 7． 1- 4 ] 罗 毅， 李莺 ． P C I 总线接 口卡 的设计与实现[ J ] ．四 川 I 理 工学 院学报 ， 2 0 0 6 ， 1 9 5 5 5 ～5 8 ． 2 0 0 8年第 6期 吴 文瑕等 井 下 电网越 级跳 闸的研 究及 解 决建议 1 3 7 置整定 值 为 0 ． 1 S时 ， 其 测 试 时 限在 0 ． 1 5 ～ 0 ． 4 3 S 之 间变化 。 5 操 作 电源原 因 由于操作 电源原 因， 造成开关拒动或者保护动 作后不能跳闸。参考文献E 7 3 中指出 4 1 号开关直流 控制回路保险 I R D氧化锈蚀 ， 直流 电压达不到保护 元件的启动值 。参考文献 E 8 3 中指 出中央变电所故 障开关柜拒动的主要原因是当高压馈 出线发生短路 故障时 ， 引起中央变电所控制电源电压降低 。 6 其它设备原 因 由于没有 严 格 把 好 质 量 关 ， 设 备 的 质 量 较 差 。 参考文献[ 9 ] 中指出由于电流互感器质量原 因导致 3 0 4回路速断保护拒动 ， 越级造成上级区域变电站 保 护动作 。 2 井下 高压 电网越级 跳 闸的主 要原 因分析 2 ． 1 井下供 电线路较 短 、 短路 电流较 大 当井下供 电线路较长时 ， 其首端和末端 的短路 电流级差较大， 因此 ， 短路 电流的变化趋势较 陡， 保 护范围也较大； 当井下供 电线路较短时 ， 短路电流的 变化趋 势平缓 ， 速 断保 护 的整 定值 在 考 虑 了可靠 系 数后， 其保护范围将很小甚至为零。 而井下高压电网大多是采用长度较短 的多段电 缆线路构成供电网络 ， 其上下级的短路 电流一般很 难 区分 ， 有 的线 路 的 速 断保 护 范 围基 本 为 零 。往 往 下一级回路发生短路故障时， 由于短路 电流很大 ， 即 使上下级 回路在速断保 护整定值上有一定级差， 却 起不 到级 差作用 ， 往往 上下 级速 断保护 同 时启动 ， 造 成上下级保护同时动作或上级抢先动作 而越 级跳 闸。有的线路虽然较长但 电缆截面较大 ， 短路 电流 也很大， 短路故障时也容易引起保护越级跳闸。对 于微机保护来说 ， 短路电流超过定值， 微机就启动保 护， 短路电流的大小不影响保护动作时间， 所以当上 级保护启动时， 无时限的速断保护将 同时与下级保 护动作 。 2 ． 2 继 电保 护 的质 量 由于受经济因素等原因， 井下高压电网一直使 用的是老式数字化保护 ， 已经严重滞后于电力 系统 的发展 。在某些老式保护里使用 了大量 电位器、 拨 码开关作为时间定值 、 电流定值 ， 随着工作的时间延 长 ， 电位器难免出现偏移或损坏造成定值不准 ； 而井 下相对潮湿的环境 ， 常常使拨码开关 因为腐蚀而接 触不良， 这些都可能造成保护装置拒动或误动。虽 然部分煤矿已开始使 用微机保护， 但某些微机继 电 保护只是在老式数字化保护基础上的部分改造 没 有摒除电位器而采用真正意义上的微机保护； 没有 完善的软硬件 自检系统； 没有完备 的抗干扰 、 抗扰动 的措施 ， 装置容易因为外界扰动造成拒动、 误动 、 超 前动作 。 2 ． 3速 断保 护 方案 传统的速断保护是按常规设计， 上下级保护动 作时限按At 为 0 ． 5 S 的阶梯配合原则 ， 下级保护应 比上级保护时限少 0 ． 5 S 。而电力系统为了迅速、 准 确地切除故障 ， 一般将工矿企业 的 1 0 k V 电源馈出 线电流速断保护动作时限多数定为 0 S ， 即地面井下 中央变电所进线馈 出柜速断保 护采用 0 S动作时 限， 致使井下各级速断保护时限只能整定为 0 S 。即 使能够满足时限配合 ， 如果速断保护不能瞬时动作， 而采用延时动作 ， 就需要增强电缆在故障时通过大 故障电流的导电能力， 同时也要增加 电缆绝缘和防 爆性能， 这就需要增加大量投资 ， 系统安全性也会变 差 。 井下高压电网的继电保护现大多采用老式数字 化保护， 保护延时只能整定为 0 S 、 0 ． 1 S等固定 时 限 ， 不 能实 现无级 整 定 如 动作 整 定 为 0 ． 1 2 s 。而 且装置动作离散性也较大 ， 某些井下老保护 由于种 种原因， 其保护 0 S 动作时间离散性在 1 O ～1 0 0 ms 之间。保护功能一般 只有两段过流保护， 保护功能 也 比较欠缺 ， 无法实施各种新型速断保护方案。 3 井 下高压 电 网越 级跳 闸解 决方 案的建 议 3 ． 1 重要 负荷 尽 量独 立供 电或双 回路供 电 由于井下高压电网采用多级短电缆构成供电网 络 ， 对于井下重要负荷 ， 如风机等 ， 笔者建议采用独 立供 电 的方 式 。对 某 些 严 重 影 响到 矿 井 安 全 的 负 荷 ， 建议负荷采用不同供 电等级的双回路供电。随 着供电技术的发展， 注重供电设计 、 优化供电组合可 能是一 个 良好 的解 决 方案 。 3 ． 2 使 用 高品质 的 智能化 微机保 护装 置 电力系统对继电保护的基本要求是选择性 、 速 动性 、 灵 敏 性 、 可 靠 性 _ 】 。 当井 下 高压 电 网 系统 发 生故障时， 继电保护装置必须 以尽可能短的时间、 有 选择地将故障与系统切除， 使非故障部分能够继续 运行， 从而将事故影响限制在最小范围以内。要求 保护该动作时不应拒动、 不该动作时不应误动作 。 根据 煤矿安全规程 第 4 5 5条和第 4 5 7 条的要 求 ， 井下高压电网中高品质的微机保护装置应不仅 能够在线监测电压 、 电流、 功率 、 电度等交流参数 ， 具 1 3 8 工矿 自动 化 2 0 0 8年 1 2月 备规程要求的各项常规保护功能， 而且必须集保护 、 测控、 通信为一体 ， 可实现与矿井调度系统 、 煤矿瓦 斯安全监测监控系统等联网， 实现矿井的综合 自动 化 。随着微机保护 自动化系统在煤矿的逐步推广应 用 ， 对井下高压电网综合保护装置的要求 新型综合 保护装置必须体积小 ， 安全防爆 ， 并且有相应标准的 接 口； 保护模块应具有相应 的 自检功能 、 抗干扰功 能， 可靠性高、 灵活性强、 调试维护方便、 性价比好、 功能多等特点； 由于采用交流供电， 对电源模块必须 采样监 视 ， 防止 电源 影响跳 闸功 能 。 3 ． 3采 用优 良的速 断保 护方案 参 考文 献 [- 1 - ] 指 出 ， 应 该 附加 限 时 电 流 速 断 保 护。限时电流速断保护原则上要求保护本线路的全 长。但上下级同时要求投入速断保护 无时限速断 保护 时 ， 如果短路 电流较大， 上级线路速断保护仍 然可能启动并出口跳 闸， 不能起 到有效的防止越级 跳闸的作用 。参考文献[ 1 o 3 设计出一种基于单片机 和 串行通信 的新 型过 流 保 护 系统 ， 该 系 统能 够 在 电 网发生短 路故 障后 0 ． 2 S内实 现有 选择 性 的快 速 断 电， 从而避免井下电网因越级跳闸而造成的大面积 停电。该方案在一定程度上满足了井下高压电网的 选择性的要求 ， 但放弃 了速断保 护的速动性要求。 该方案采用 R S 4 8 5串行网络通信 ， 容易受到外界干 扰、 误码率影响， 如果涉及多级系统且通信距离较长 时， 该方案会因无法通信而无法实现速断保护。参 考文献[ 1 2 ] 提出了一种链式过 电流保护方案 ， 可实 现级联线路全线故障的有选择性的快速切除。该方 案以纵差保护为主保护 、 过流保护为后备保护 ， 可以 有效地快速切除故障。但 由于井下防爆开关的前后 腔端子的限制 ， 装置间无法构建光纤网， 无法形成纵 差保护。如果改用串行 口传递保护数据 ， 一则传输 速率不够 ， 二则通信可靠性相对较差 。参考文献I- 2 ] 提出利用接点形成各级保护间的选择性联锁， 构建 一 种在井下高压电网可行的选择性过流保护系统方 案。但该 方案不 能确 定 出相邻 故障级 ， 短延 时在 多级情况下， 上下级保护动作时限按At 为 0 ． 5 s 的 阶梯配合， 将造成上级保护短延时整定过长而失去 意义。如果短延时都是躲过下级开关拉弧时 间整 定， 在下级开关拒动时， 上级开关甚至再上一级开关 都有可能经过短延时动作 ， 造成故障范围扩大 ， 不便 于查找故障点。由于经济效益、 技术因素、 人为因素 等原因， 井下电网发生开关拒动并不少见。因此 ， 必 须充分利用微机保护的实时性、 可靠性的特点 ， 构造 出一套可以选择出故障级和相邻故 障级 ， 既可保证 速断保护的速动性又可保证速断保护的选择性的速 断保护方案。 4 结语 由上述对井下电网越级跳闸的原 因分析可知， 采用高品质的新型智能化的微机保护装置 ， 利用优 良的速断保护方案必将有效地降低越级跳闸事故的 发生 ， 大大提高矿井供电系统的安全可靠水平。 当然 ， 以上对井下电网越级跳闸产生的原 因只 是笔者个人 的分析总结 ， 实际上造成井下电网越级 跳闸的原因可能还有很多 ， 还得从生产实际中不断 积累、 总结 。笔者深信通过煤矿企业、 科研单位的共 同努力 ， 一定能够有效地防止越级跳闸事故 ， 保障矿 井 的生 产安全 。 参考 文献 E l i 张宏连． 井下 高压 线路 越级 跳 闸的 保护 [ J ] ． 安徽科 技 ， 2 0 0 7 9 4 2 4 3 ． [ 2 ] 吴君 ， 邹有 明， 江均 ． 井下高压电网选择 性联锁 自 适应过流保 护 系统 研究 [ J ] ． 工 矿 自动 化 ， 2 0 0 6 1 1 4～ 16 ． [ 3 ] 陈刚， 马志云． 一 次越级 跳 闸事故 的分析 [ J 3 ． 电工 技术杂 志， 2 0 0 1 5 4 9 ． E 4 ] 董伟俊 ， 阮胜冬 ， 冯燕． 对一起保护越级跳闸事故的 分析[ J ] ． 大众用 电， 2 0 0 6 5 3 6 ～3 7 ． [ 5 ] 魏庆海． 一起因保护误整定 引起越级跳 闸的事故分析 [ J ] ． 供用电 ， 1 9 9 5 ， 1 2 3 3 7 3 9 ． [ 6 ] 李文起 ， 田立 中． 变 电所 Z KH一3型成 套保护故 障分 析及措施[ J ] ． 电气 化铁道 ， 2 0 0 5 4 1 7 ～1 9 ． E 7 3 卜 凡文 ， 李百顺． 张集 煤矿 3 5 k V变 电所越 级跳 闸事 故分析[ J ] ． 徐煤科 技 ， 1 9 9 4 1 4 5 4 6 ． E 8 ] 车守强 ， 齐建林 ， 张军利． 中央变电所继 电保护越级跳 闸 原 因 探 析 及 防 治 措 施 E J 3 ．山 东 煤 炭 科 技 ， 2 0 0 6 B 0 6 1 0 2 ～ 1 0 3 ． E g ] 田兴云． 1 O k V系统故障保护越级跳 闸的原 因及解决 方法 口] ． 电工技术 ， 2 0 0 7 5 3 2 ～3 3 ． E l O ] 宁传文． 煤 矿井 下供 电速 断保 护新 设 想[ J ] ． 煤 炭技 术 ， 2 0 0 5， 2 4 9 2 9 ． E l 1 ] 吴必信． 电力系统继电保护[ M] ． 北 京 中国电力 出版 社 ， 2 0 0 03 ～4 ． [ 1 2 ] 冯 建勤 ， 冯巧玲． 级联 线路 的链 式过 电流保护 方案研 究口] ． 继电器 ， 2 0 0 6 ， 3 4 8 8 0 8 3 ． E 1 3 3 赵重明．电力系统继 电保 护 的作 用与 未来 发展 [ J ] ． 内蒙古科技 与经济 ， 2 0 0 6 0 2 S 1 1 4 ～1 1 5 ． [ 1 4 ] 杜生华 ， 王拓 ， 邹有 明， 等．煤 矿井 下 6 ～1 0 k V 电 网选择 性 速断 过 流保 护 系统 设 计 [ J ] ．煤矿 安 全 ， 2 0 0 5， 3 6 4 1 ～ 3 ．