礦井供電系統(tǒng)防越級(jí)跳閘技術(shù)研究

渠潤(rùn)生 QU Run-sheng；宋述生 SONG Shu-sheng

（山東能源棗礦集團(tuán)付村煤業(yè)有限公司，棗莊 277000）

（Shandong Energy Zaozhuang Mining Group Fucun Coal Industry Co.，Ltd.，Zaozhuang 277000，China）

0 引言

煤礦井下空氣濕度大，大量煤塵和瓦斯氣體浮游在空氣中，作業(yè)環(huán)境相當(dāng)惡劣。井下電纜一旦發(fā)生短路故障越級(jí)跳閘，就會(huì)引發(fā)大面積停電事故，主要的通風(fēng)機(jī)以及局部的通風(fēng)機(jī)隨之停止運(yùn)行，繼而使瓦斯大量集聚，瓦斯和煤塵爆炸風(fēng)險(xiǎn)加劇。停電后井下排水設(shè)備也會(huì)一度癱瘓，造成排水不暢，最終引發(fā)淹井事故，嚴(yán)重威脅井下作業(yè)人員的生命安全。由于短路越級(jí)跳閘是煤礦安全生產(chǎn)中的一個(gè)難題，解決煤礦供電短路越級(jí)跳閘問題的技術(shù)成為煤礦供電自動(dòng)化設(shè)備公司的一個(gè)熱門課題，產(chǎn)生了多種設(shè)計(jì)方案。大致有電流速斷延時(shí)法、電流速斷閉鎖法、光纖縱差保護(hù)法、地面通訊保護(hù)法、雙口通訊法幾種，本文所談防越級(jí)跳閘采用電流速斷延時(shí)法。

下面淺談我礦井防越級(jí)跳閘改造方案：

1 解決正常越級(jí)跳閘方案

本方案是基于網(wǎng)絡(luò)通訊確定繼電保護(hù)范圍，在確保饋電線路末端故障動(dòng)作選擇性的同時(shí)保證線路首端故障的快速性。

1.1 實(shí)現(xiàn)原理

1.1.1 實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)“工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)+GD-BUS 本安型電力監(jiān)控現(xiàn)場(chǎng)總線”。工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)目前在煤炭行業(yè)已經(jīng)逐漸普及，作為煤礦信息自動(dòng)化的網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)。工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)可以為自動(dòng)化系統(tǒng)提供足夠的帶寬，并提供VLAN、Qos 優(yōu)先級(jí)、IGMP 等功能配置，保證監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)字量信息實(shí)時(shí)交互。GD-BUS 本安型電力監(jiān)控現(xiàn)場(chǎng)總線是專門用于電力監(jiān)控系統(tǒng)的工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)總線，具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)，通過國(guó)家煤安認(rèn)定，為本質(zhì)安全型總線，具有高實(shí)時(shí)性和可靠性。在煤礦電力監(jiān)控系統(tǒng)中得到迅速發(fā)展和廣泛應(yīng)用。

GD-BUS 總線有以下特點(diǎn)：

①專為電力監(jiān)控設(shè)計(jì)的工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)總線，可靠性和抗干擾性能優(yōu)異，實(shí)時(shí)性高，監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)和事件實(shí)時(shí)傳送，能夠可靠傳輸和處理各種瞬時(shí)電力數(shù)據(jù)，滿足電力事故的快速處理要求，支持網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)監(jiān)控繼電保護(hù)和網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)控制、網(wǎng)絡(luò)神經(jīng)算法控制等先進(jìn)的網(wǎng)絡(luò)智能控制技術(shù)。②兼容CAN 和RS485現(xiàn)場(chǎng)總線，具有多主式和主從式通信方式。③多主式通信，網(wǎng)絡(luò)上任一接點(diǎn)均可在任意時(shí)刻主動(dòng)的向網(wǎng)絡(luò)上其他的節(jié)點(diǎn)發(fā)送信息，而不分主從，且無需站地址等節(jié)點(diǎn)信息，因此，通過優(yōu)先權(quán)設(shè)置，重要監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)和事件可以不受巡檢周期的影響，實(shí)時(shí)傳送，比如：能夠?qū)崟r(shí)傳送故障信息，采集到突變數(shù)據(jù)；而且每個(gè)節(jié)點(diǎn)可以直接與其他節(jié)點(diǎn)實(shí)時(shí)通訊，并可直接控制其他節(jié)點(diǎn)，在實(shí)時(shí)性要求很高并需要整體協(xié)同故障保護(hù)的電氣系統(tǒng)中尤其重要，比如可以由一條線路上的幾個(gè)節(jié)點(diǎn)組成保護(hù)系統(tǒng)。④損壞的節(jié)點(diǎn)將自動(dòng)關(guān)閉輸出，不會(huì)波及總線上的其他節(jié)點(diǎn)，且能夠保證總線正常通訊，最重要的是可以快速定位故障點(diǎn)。⑤通過短幀結(jié)構(gòu)傳輸數(shù)據(jù)，每幀數(shù)據(jù)都經(jīng)CRC 校驗(yàn)及其他檢錯(cuò)措施，具有極強(qiáng)的抗干擾性，能夠保證數(shù)據(jù)穩(wěn)定傳輸。⑥應(yīng)用非破壞性總線仲裁技術(shù)，在網(wǎng)絡(luò)負(fù)載較大時(shí)能保證網(wǎng)絡(luò)正常運(yùn)轉(zhuǎn)。⑦具有心跳監(jiān)測(cè)功能，定時(shí)自動(dòng)檢測(cè)網(wǎng)絡(luò)通訊狀況，保證監(jiān)控設(shè)備工作在正常通訊狀態(tài)，避免系統(tǒng)監(jiān)控點(diǎn)因網(wǎng)絡(luò)故障造成越級(jí)跳閘保護(hù)失效。⑧傳輸介質(zhì)多樣化，一般采用雙絞線，但也可以采用電纜或光纖進(jìn)行傳輸。⑨可實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)、一點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)及全局廣播等多條路徑進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。⑩可實(shí)現(xiàn)10km 遠(yuǎn)距直接通信，不加中繼有7km 的實(shí)際應(yīng)用。

1.1.2 網(wǎng)絡(luò)繼電保護(hù) 基于工業(yè)以太網(wǎng)、GD-BUS 現(xiàn)場(chǎng)總線和“零延時(shí)”傳輸技術(shù)，這些構(gòu)成了網(wǎng)絡(luò)繼電保護(hù)的基礎(chǔ)，使解決由于短路引起越級(jí)跳閘成為可能，將輸電線路各端的保護(hù)裝置互聯(lián)成網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)信息共享，協(xié)同保護(hù)。

通過網(wǎng)絡(luò)，可將輸電線各端的故障信息傳送到網(wǎng)絡(luò)中相關(guān)的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行比較，判斷出故障點(diǎn)位置，由保護(hù)裝置根據(jù)其對(duì)故障的位置和作用決定其保護(hù)方式，實(shí)施多級(jí)保護(hù)，從而能切除離故障點(diǎn)最近的線路，同時(shí)，一個(gè)保護(hù)裝置本身發(fā)生故障時(shí)上級(jí)能自動(dòng)代替保護(hù)。由于這種保護(hù)自動(dòng)與相鄰線路的保護(hù)在動(dòng)作參數(shù)上進(jìn)行配合，因而可以實(shí)現(xiàn)全線速動(dòng)。網(wǎng)絡(luò)中的保護(hù)裝置根據(jù)各自收到的保護(hù)故障信息及地址編號(hào)，自動(dòng)調(diào)整各級(jí)保護(hù)的動(dòng)作參數(shù)。從而實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確快速有選擇性的切除故障線路，保證非故障線路安全可靠運(yùn)行，并且可根據(jù)網(wǎng)絡(luò)的通訊狀況自動(dòng)選擇采用的繼電保護(hù)方式。

1.2 方案特點(diǎn) ①全線均具有速斷保護(hù)，適應(yīng)煤礦多級(jí)供電系統(tǒng)要求，不存在速斷保護(hù)失效問題。②全線多級(jí)動(dòng)態(tài)保護(hù)，后備保護(hù)、遠(yuǎn)后備保護(hù)時(shí)間動(dòng)態(tài)調(diào)整，不存在越靠近電源側(cè)后備保護(hù)時(shí)間越長(zhǎng)的問題。③監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)傳輸狀況實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，避免設(shè)備或者線路隱患導(dǎo)致的防越級(jí)跳閘功能失效。④真正意義上閉鎖非直接故障速斷保護(hù)投入后備保護(hù)，而非閉鎖跳閘出口，避免雖然不跳閘但多臺(tái)開關(guān)報(bào)速斷保護(hù)事件的情況，防止給用戶分析造成困惑。⑤基于供電系統(tǒng)監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)，不需要額外增加設(shè)備，減少投資以及出現(xiàn)故障的環(huán)節(jié)。⑥基于保護(hù)裝置控制開關(guān)，不增加開關(guān)額外閉鎖環(huán)節(jié)，不會(huì)因?yàn)樵黾宇~外閉鎖環(huán)節(jié)給開關(guān)帶來的安全隱患。

2 解決由于電壓波動(dòng)引起的越級(jí)跳閘

將開關(guān)內(nèi)部無延時(shí)的失壓脫扣裝置取消，使用具有失壓延時(shí)的保護(hù)裝置。根據(jù)煤礦相關(guān)設(shè)計(jì)手冊(cè)，設(shè)置0.5s-1s的失壓延時(shí)，解決由于電壓波動(dòng)引起的越級(jí)跳閘。要求保護(hù)裝置的后備延時(shí)切實(shí)可靠，對(duì)保護(hù)裝置內(nèi)部器件選型有嚴(yán)格的要求。通過更換高防開關(guān)的保護(hù)裝置解決電壓波動(dòng)引起的大面積停電已在很多礦務(wù)局進(jìn)行推廣，經(jīng)這幾年的應(yīng)用證明產(chǎn)品穩(wěn)定可靠，現(xiàn)在已被多家開關(guān)廠采用。

3 解決由于干擾引起的保護(hù)器誤動(dòng)

提高保護(hù)裝置的抗干擾性能，要求系統(tǒng)中所配保護(hù)裝置通過國(guó)家四級(jí)電磁兼容試驗(yàn)。本系統(tǒng)中產(chǎn)品在煤炭行業(yè)首次通過電磁兼容試驗(yàn)（靜電放電抗干擾4級(jí)、射頻電磁場(chǎng)輻射抗干擾度3級(jí)、電快速瞬變脈沖群抗擾度4級(jí)、浪涌沖擊抗擾3級(jí)、工頻磁場(chǎng)抗擾度5級(jí)等試驗(yàn)），適應(yīng)煤礦惡劣環(huán)境下工作。

4 當(dāng)開關(guān)發(fā)生拒動(dòng)時(shí)的解決方案

系統(tǒng)充分考慮當(dāng)開關(guān)因機(jī)械故障而越級(jí)跳閘時(shí)，系統(tǒng)可以快速精準(zhǔn)地鎖定故障點(diǎn)，及時(shí)斷開故障點(diǎn)的電源，同時(shí)確保無故障的部位正常供電，以免試送電引發(fā)二次故事故。另外，系統(tǒng)設(shè)計(jì)必須兼顧多級(jí)開關(guān)同進(jìn)發(fā)生拒動(dòng)時(shí)的情況，提前制定應(yīng)急預(yù)案，從而在事故發(fā)生時(shí)最大限度縮小事故波及范圍。

礦井電網(wǎng)繼電保護(hù)的“越級(jí)跳閘”問題、漏電保護(hù)功能的可靠性問題，是多年來的行業(yè)技術(shù)難題，困擾礦井電網(wǎng)的安全運(yùn)行，影響煤炭安全生產(chǎn)。本方案研究的多項(xiàng)防“越級(jí)跳閘”技術(shù)為國(guó)內(nèi)首創(chuàng)，是解決礦井電網(wǎng)運(yùn)行可靠性的有效手段，該技術(shù)不僅可應(yīng)用于井下電網(wǎng)，也可應(yīng)用于地面電網(wǎng)和其他有類似越級(jí)跳閘問題的行業(yè)配電網(wǎng)，其技術(shù)理論具有良好的應(yīng)用前景，具有很好的經(jīng)濟(jì)及顯著的社會(huì)效益。

[1]金雙林.煤礦6kV 電網(wǎng)防越級(jí)跳閘原因及解決方案[J].價(jià)值工程,2014(11).

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[3]董小秋,張偉.基于閉鎖控制的煤礦供電系統(tǒng)防越級(jí)跳閘新方案[J].中州煤炭,2012(11).