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摘要：供电系统是煤矿安全生产中最为基础的环节，当前我国煤矿中大多采用多层级供电模式，一旦出现短路越级跳闸现象，将导致多级开关同时跳闸，引发矿井大面积停电事故。如果不能及时恢复供电，将对煤矿生产造成重大影响，甚至造成人身伤亡事故。本文探讨了煤矿供电系统防短路越级跳闸的技术，并给出了具体防范措施。
关键词：供电系统；短路；防越级跳闸
前言：供电系统是煤矿安全生产的基础环节。随着采煤工作面延伸，从地面变电所到井下中央变电所、各采区变电所以及移动变电站之间大多采用纵向、多层级、垂直供电模式。一般为单侧电源三级或四级干线式供电网络，供电线路一般由长度不大于1500米，截面不小于95mm2的电缆构成。对于这种短距离、大截面的供电线路，当发生短路故障时，始端和末端的短路电流相差很小，即当线路某处发生短路故障时，本级及其上游多级开关的故障电流基本相同，难以根据线路末端短路电流的大小来实现短路保护分级配合。为避免误动可采用设定时限级差保证速断的选择性，但电力系统继电保护要求短路保护动作时间不大于0.2S。在如此短的时间内，通过设定时限级差来完成多级开关按先后次序跳闸在实践中是无法实现的。因而，在煤矿供电系统中发生短路故障时，常常会导致多级开关同时跳闸，进而引发矿井大面积停电。由于我国煤矿供电系统复杂且庞大、变电所自动化程度较低，恢复送电时间较长，主通风机、局部通风机等主要负荷不能在最短时间内恢复正常运转，这为煤矿井下人员缺氧窒息、瓦斯超限爆炸事故埋下了安全隐患。
1煤矿供电系统防短路越级跳闸的常见技术及分析
1.1光纤纵联差动保护技术
光纤纵联差动保护技术是建立在基尔霍夫电流定律基础上的。它利用光纤将安装在线路两端的保护装置纵向联结起来，将各端的电气量（电流、功率的方向等）传送到对端，将两端的电气量比较，以判断故障在本线路范围内还是在线路范围外，从而决定是否切断被保护线路。纵联差动保护只在保护区内短路时才动作，不存在与系统中相邻元件保护的选择性配合问题，因而可以快速切除整个保护区内任何一点的短路，该技术成熟可靠，抗干扰能力强，且可在不改变现有装置结构的基础上实现。但光纤纵联差动保护仅能保护“一进一出”型开关之间的线路，不能保护线路两端的母线，存在保护死区。光纤纵联差动保护需要实现线路两侧电流信息的同步处理，增加了利用现有矿用保护装置实现的技术难度，且需要敷设大量的专用通讯光纤，从而导致井下供电系统网络设计复杂、成本大量增加。另外，由于煤矿工作条件较差、环境比较恶劣，通讯光纤和电缆容易受到挤压碰撞，从而导致光纤纵联差动保护因丢失通信信道而失效。
1.2电气闭锁防越级跳闸技术
电气闭锁防越级跳闸技术采用纵向设置时间级差的方式使各级开关按照预定顺序动作而避免越级跳闸，同时采用通信级联闭锁将纵向级差控制在一定时间内。当发生短路故障时，所有检测到短路电流的保护装置均向上级开关保护装置发送开关闭锁信号，并经短延时等待下级开关闭锁信号，若未接到闭锁信号，则判断为本级故障，发出短路跳闸信号。收到闭锁信号的开关，经稍长时间延迟，等待下级开关跳闸信号，若在延迟时间内未检测到下级开关分闸信号，则判断为下级开关拒动，收到闭锁信号的开关发出短路跳闸信号。电气闭锁防短路越级跳闸的保护理论简单、目的明确，但煤矿井下供电环节复杂、干扰较强，信号远距离传输的可靠性无法得到保证，虽然也有采用屏蔽双绞线差分信号传输的方案提出，但传输距离仍然受限。其次，电气闭锁电缆众多，当存在多条进线时，其闭锁连接关系更加复杂，多条进出线开关之间的电气闭锁需要通过逻辑闭锁器来实现，当供电系统工作方式变化或检修时，需要根据供电网络的变化动态调整闭锁逻辑，给施工检修带来很多困难。此外，该方式缺乏完善的自检功能，当逻辑闭锁器或者信号电缆出现故障时，无法及时发现和报警，从而造成保护误动或产生新的越级跳闸现象。
1.3基于数字化集成保护的防越级跳闸技术
基于数字化集成保护的防越级跳闸技术是一种将地面变电站集成保护的原理应用在煤矿井下一种方式。这种技术方案的实现需要在地面安装一套集成保护装置或计算机主机，供电系统中所有高压开关综合保护装置采集到的电参数通过专用的光纤通道传输到集成保护装置或计算机主机中，由地面的集成保护装置或计算机主机对采集到的电参数进行分析和逻辑判断。在上下级多个高压开关均通过故障电流时，集成保护装置或计算机主机会向离故障点最近的微机保护发送跳闸命令，由离故障点最近的断路器切除短路故障。集成保护系统自带自检功能，在检测到通讯故障时，系统自动闭锁集成保护功能，转换为常规情况下由高压开关保护器自行保护的工作方式。该技术保护功能完善，可有效防止越级跳闸现象的产生。但是，该技术方案的实现需要通过增加配套的软硬件设备建立专用的电力监控系统，并需要将现有开关的综合保护器和低精度传感器更换为专用保护器和高精度互感器，但防爆开关更换部件后需要重新进行安标管理认证。此外，该技术对数据的同步采样要求严格，对通信的可靠性要求较高。因此，短时间内，该技术方案还难以在煤矿推广实现。
2煤矿供电系统短路越级跳闸的应对措施
根据以上技术分析比较，结合本人所在煤矿的当前实际情况，本人认为防止煤矿供电系统短路越级跳闸应从以下几方面着手：
1、防爆开关配置控制保护专用后备电源。目前，煤矿井下防爆开关都没有后备电源。当主电路故障时，控制保护装置由于没有稳定电源而不能可靠工作，导致防爆开关产生误动、拒动，造成越级跳闸，且发生故障后，保护装置不能记录报警信息，为故障排查和分析带来不便。配置保护专用后备电源的配置不仅能解决以上问题，还可提高开关保护控制装置对电源的抗干扰能力，避免因电磁干扰造成保护误动跳闸。
2、规范进行整定保护
根据手册规范要求，进行线路保护整定计算，且要根据供电网络变化情况及时核算修改。整定计算要留有计算过程，以便于进行后续修订工作。煤矿应制定严格的管理制度，用电单位的负荷调整必须经过供电管理部门审批备案，保护定值的修改必须由供电管理部门进行。
3、各级变电所进线设置光纤纵联差动保护
煤矿供电系统中，通常各个变电所都存在距离短、截面大的电缆线路，造成变电所进线短路电流与出线短路电流相差不大。通过设置光纤纵联差动保护，并将进线短路保护整定适当放大的方式，可将短路保护跳闸限定在距离故障点最近的本级变电所内，避免短路越级跳闸向更高一级变电所发展。
4、安装智能监测装置。比如在主变进线、关键负荷接点、母线处安装接点温度监测装置，设置高压电缆绝缘监视报警装置等。通过监测数据及时发现开关元器件老化、接触不良、电缆绝缘低等设备故障预兆，便于及时排除故障隐患。
5、加强日常检修、巡查和管理工作。设备检修、设备巡回检查、电缆外观检查、电缆绝缘摇测等日常工作是保证供电系统设备正常、可靠运行的基础条件。保证开关动作可靠、电缆吊挂规范、线路绝缘良好，能在很大程度上减少短路越级跳闸现象的发生。因此，煤矿各级单位应制定管理制度，并明确职责分工、检修周期、检修项目等具体内容。在条件具备的情况下，应利用煤矿综合自动化系统平台，建立包含“一台一档”信息、检修维护信息、运行故障信息等在内的智慧化供电系统，自动给出故障预警和检修维护提示信息。
总结：笔者分析煤矿井下供电系统防短路越级跳闸的几种常见技术，阐述了各技术方案在煤矿实际应用中存在的优缺点，并结合自己的总结分析提出了目前可行的解决方案，为煤矿井下高压开关的升级、供电系统防越级跳闸改造提供了指导和帮助。
参考文献：
[1]黄雄，郝后堂，刘晓铭.煤矿井下供电防越级跳闸新技术[J].煤炭工程，2014，46（01）：18-21.
[2]蔡正虎.煤矿井下供电防越级跳闸新技术研究[J].内蒙古煤炭经济，2014（12）：179-182.