煤礦井下供電防越級跳閘新技術(shù)探析

摘要：由于煤礦供電系統(tǒng)經(jīng)常會有越級跳閘的情況出現(xiàn)，所以本文提出避免越級跳閘的解決方法，考慮到現(xiàn)在煤礦井下的施工環(huán)境以及保護控制器的現(xiàn)有狀況，保護控制器采用的是基于GOOSE閉鎖且具有選擇性短路保護功能。結(jié)果顯示，優(yōu)化后的保護控制器確定故障點位置更快更準，這就可以根據(jù)故障點就近選擇開關(guān)跳閘，防止為此造成的大面積停電，既保證安全隱患減少，又使煤礦供電系統(tǒng)更加可靠和安全。

關(guān)鍵詞：越級跳閘；現(xiàn)狀；電路保護；技術(shù)

一、概述

作為煤礦安全生產(chǎn)的重要組成部分，供電系統(tǒng)的作用不可或缺。由于現(xiàn)在采煤工作面持續(xù)延伸至煤礦井下，各變電所（上至地面變電所，下至井下中央變電所以及各工作面采區(qū)變電所）和變電站的之間的供電模式為縱向、垂直、多層級，供電網(wǎng)絡(luò)為單側(cè)電源三到四級干線式，供電線路通過多段電纜或是大截面電纜組成。受到供電線路電氣距離短的緣故，當短路故障發(fā)生時始末端短路電流相差不大。通常一個地方短路就會使得多級開關(guān)故障電流一樣，可通過設(shè)定時限級差確保速斷選擇性的方式來防止誤動，因為上級供電部門的管控，井下發(fā)生多級開關(guān)跳閘先后跳閘不能以設(shè)定時限級差的方式解決，這樣就會致使多級開關(guān)一起跳閘，然后發(fā)生大面積停電的現(xiàn)象。

二、當前防越級跳閘解決方案分析

（一）以電氣信號閉鎖方式的短路保護

該短路保護理論較為簡單，而且目的性也比較明確，但實際效果一般。第一，眾所周知，煤礦井下環(huán)境惡劣，供電系統(tǒng)復雜，無法充分確保電氣閉鎖信號遠距可靠傳輸，即使是有屏蔽雙絞線差分信號傳輸方案提出，也無濟于事。第二，電氣閉鎖涉及很多電纜，而且連接也很復雜，需要通過邏輯閉鎖器來解決出進線開關(guān)間的電氣閉鎖，同時要通過供電網(wǎng)絡(luò)變化情況調(diào)整閉鎖邏輯，由于太過復雜，加之施工難，這就造成邏輯閉鎖器不易完成。第三，以電氣信號閉鎖方式的短路保護自檢功能欠缺，如有故障，不能及時發(fā)現(xiàn)，維修和維護有一定的難度。綜上所述，這種方式可用性不強。

（二）光線縱差和縱聯(lián)保護

光纖縱差是通過比較對端的輸電線路兩端電流幅值以及相位信息（其是由專門的光纖網(wǎng)絡(luò)進行傳送）進而分析本線路范圍有無故障發(fā)生，然后判斷是否切除本線路。光纖縱聯(lián)保護原理和光纖縱差保護大致一樣，但傳送的是邏輯信息，而非電流幅值和相位。

光纖縱差和縱聯(lián)保護最顯著的優(yōu)勢就是可以令保護的選擇性和快速性得以實現(xiàn)。前者需要同步處理線路兩側(cè)的電流信息，這對現(xiàn)有的礦用保護裝置來說有一定的技術(shù)難度。另外，這兩者保護需要用到很多專用的通訊光纖，不但令供電系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計的難度增加，而且增加了成本，加之礦上的惡劣環(huán)境，光纖和電纜極易受到破壞，那么光纖縱差和縱聯(lián)保護就沒有通信信道做支撐，也就實現(xiàn)不了應(yīng)有功能。總之，在原理上而言，光纖縱差和縱聯(lián)保護能夠把礦井供電系統(tǒng)的故障選擇性解決，但是考慮施工條件和成本，這種方式的實用性也欠佳。

（三）以數(shù)字化變電站技術(shù)的集中式保護

該技術(shù)主要把信息由模擬信息變?yōu)閿?shù)字信息，然后建立相應(yīng)的控制系統(tǒng)以及通信網(wǎng)絡(luò)。該方式需要井下保護控制單元有光纖數(shù)字通訊接口，通過光纖網(wǎng)絡(luò)把井下控制點電氣量信息傳輸至集中式保護控制器，在其里面完成故障位置識別以及跳閘出口的控制，然后井下保護控制單元斷開相關(guān)斷路器，這樣能夠正確識別故障，同時防止越級跳閘。

該保護方式在技術(shù)的實行上沒有問題，但是要克服多個測量控制點數(shù)據(jù)同步的技術(shù)難題，另外，該保護方式對通訊系統(tǒng)要求較高，而且對其依賴性也高，倘若通訊系統(tǒng)有問題發(fā)生，則可能使得停電范圍進一步擴大，更甚至喪失所有的保護功能。不僅如此，集中式保護控制器作為系統(tǒng)中樞，使得風險也較為集中。

該保護方式要實現(xiàn)并不容易，因為其理念和礦井高壓開關(guān)設(shè)計方式、網(wǎng)架結(jié)構(gòu)、安裝模式還有一定的差距，所以，其實現(xiàn)過程仍舊會比較漫長，對解決現(xiàn)在的越級跳閘問題而言，條件還不成熟。

（四）以CAN網(wǎng)的選擇性短路保護

該保護方式原理是增加一臺保護控制器在每個輻射狀的供電保護系統(tǒng)中，邏輯控制器接受輻射狀供電保護系統(tǒng)的信號，根據(jù)上級關(guān)系，設(shè)置各級保護控制器不一樣的優(yōu)先級，靠近電源越近，優(yōu)先級越低，如果有故障發(fā)生，那么達到跳閘條件的各保護控制器就會向邏輯控制器送故障信號，然后邏輯控制器根據(jù)優(yōu)先等級來發(fā)出跳閘命令，進而把故障切除，如果有延時的情況而導致最優(yōu)先的保護控制器沒有把故障切除的話，那么次優(yōu)先級保護器就會解決上述問題，從而令保護的選擇性得以實現(xiàn)。

該方式實用性不錯，但是由于要增加額外的邏輯控制器，并且還有設(shè)置相對獨立的CAN通訊網(wǎng)絡(luò)，施工難度和成本都是煤礦難解決的。另外，跳閘指令的執(zhí)行受到CAN通訊的影響，故障切除需要較長時間。

三、GOOSE閉鎖短路保護

（一）GOOSE特征

GOOSE傳輸模式為無連接，報文有優(yōu)先級標簽，只用應(yīng)用層、物理層、表示層和鏈路層，便于提高傳輸?shù)膶崟r性，是延時降低。其通過重發(fā)機制來解決丟失問題，以增大發(fā)送時間間隔的方式使網(wǎng)絡(luò)流量和可靠性關(guān)系得以平衡，同時引入相應(yīng)參數(shù)（報文存活時間、重發(fā)序號、狀態(tài)變化次數(shù)序號）確保數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽?。另外，GOOSE報文的發(fā)送方式為多播，能夠通過發(fā)送心跳報文的形式完成異常自檢，防止鏈路異常而引發(fā)的越級跳閘。

（二）GOOSE閉鎖的短路保護原理

GOOSE閉鎖短路保護控制器系統(tǒng)圖如圖1所示，在現(xiàn)有保護功能的基礎(chǔ)上加入了以太網(wǎng)通訊接口以及GOOSE閉鎖時間定值，通過以太網(wǎng)通訊接口，使GOOSE閉鎖信號的處理和系統(tǒng)功能得以完成。

圖1 GOOSE閉鎖的選擇性短路保護系統(tǒng)

礦井供電系統(tǒng)故障示意圖如圖2所示，K4有短路故障時，1-4保護控制器都會把故障電流檢測到，一旦達到動作門檻，就會把GOOSE閉鎖報文發(fā)送，GOOSE配置完成后，1-3保護控制器會收到保護控制器4的報文信息，1-3保護控制器在閉鎖的間定值內(nèi)不會動作，由保護控制器4先動作將故障切除，如果在間定值內(nèi)1-3保護控制器仍舊達到動作的條件，那么則有保護控制器3將故障切除，同理，其它線路也是如此。

圖2 煤礦井下供電系統(tǒng)故障示意圖

（三）GOOSE閉鎖的短路保護實現(xiàn)

該保護控制器所選用的控制器型號為ARM芯片STM32系列，由ST公司生產(chǎn)，主要通過絕緣監(jiān)視保護單元、開關(guān)量單元、人機接口單元、交流采樣單元、通訊單元、中央處理器單元以及電源單元等來實現(xiàn)閉鎖短路保護。同時，經(jīng)過實驗驗證得知，基于GOOSE閉鎖的短路保護對于解決越級跳閘問題效果較好。

（四）工程實施

該工程實施比較簡單易行，安裝保護控制器，設(shè)置IP地質(zhì)，接入監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)，整定短路保護電流定值，然后投入GOOSE閉鎖控制字，以0.1S的實踐級差來整定GOOSE閉鎖有效時間的定值，靠近電源端的遠近決定定值大小。此外，該保護控制器要提供GOOSE配置信息，通過配置工具和保護控制的文件，以圖形化拖拽形式完成上下級GOOSE閉鎖關(guān)系配置，然后把這些信息傳給相應(yīng)的保護控制器，下傳好的配置文件會立即生效，然后發(fā)送GOOSE心跳報文。

參考文獻：

[1]趙利. 煤礦井下供電越級跳閘問題處理措施探討[J]. 科技與企業(yè)，2012，09：134.

[2]郝培亮. 煤礦供電防越級跳閘技術(shù)的研究[J]. 電氣時代，2016，07：62-64.

[3]劉開元. 煤礦井下供電系統(tǒng)越級跳閘研究[J]. 山東煤炭科技，2016，09：127-128+130.

[4]劉波. 電力監(jiān)控及防短路越級跳閘系統(tǒng)在煤礦的應(yīng)用[J]. 煤炭工程，2016，12：66-69.

作者簡介：李強（1979.08—）；男，回族，籍貫：河南.太康；本科，畢業(yè)于河南農(nóng)業(yè)大學生物技術(shù)專業(yè)，工程師。