磁窯溝煤礦中央變電所PLC技術(shù)應(yīng)用分析

李雪蓮，劉顯驗

（1、山西省晉神能源有限公司，山西 忻州 036500；2、山西河曲晉神磁窯溝煤業(yè)有限公司，山西 忻州 036500）

1 概述

近年來，在礦山供電系統(tǒng)上，由于電氣自動化控制技術(shù)的大范圍應(yīng)用，提高了煤礦供電的效率和安全，然而在應(yīng)用中仍存在一些問題，主要問題是“越級跳閘”和“漏電保護可靠性”安全隱患。鑒于此，國內(nèi)學(xué)者對解決此問題展開了大量的研究，如李振貴在礦山機電控制中闡述了PLC技術(shù)的應(yīng)用；車守強等分析了中央變電所繼電保護越級跳閘原因，并且提出了防止措施，對供電系統(tǒng)的優(yōu)化起到了促進作用；王韶偉從原理上系統(tǒng)地設(shè)計改造了防越級跳閘系統(tǒng)，取得了很好的應(yīng)用成果。實踐證明PLC技術(shù)針對系統(tǒng)供電系統(tǒng)兩大問題的解決有很好的應(yīng)用效果。對此，作者嘗試將其應(yīng)用于山西河曲晉神公司磁窯溝煤礦。

磁窯溝煤礦供電采取的供電模式為多級輻射狀供電模式，此種模式的延伸級數(shù)過多，與之配合的保護不充分，保護時限沒有形成有效配合；此外，供電線路短的局限性和系統(tǒng)容量擴增，以及不同級別電流較近，致使保護電流無法配合，為保證快速性犧牲選擇性，“越級跳閘”的情況普遍發(fā)生在礦山電網(wǎng)保護系統(tǒng)，由于配合無選擇性，一旦發(fā)生短路，礦山供電系統(tǒng)將發(fā)生大面積停電，嚴(yán)重影響安全生產(chǎn)?！爸行渣c不接地”和“經(jīng)消弧線圈接地”兩種接地方式是主要采用的兩種接地方式，磁窯溝煤礦井下變壓器采用“中性點不接地”接地方式，此方式會產(chǎn)生的小電流接地系統(tǒng)漏電保護可靠性問題，影響煤礦安全供電。一旦系統(tǒng)發(fā)生單向接地故障，受故障復(fù)雜性及保護原理的適用性等因素的影響，漏電保護“誤動”、“拒動”現(xiàn)象時有發(fā)生，防爆開關(guān)采用“經(jīng)消弧線圈接地”接地方式，在補償方式和消弧線圈脫諧度共同影響下，漏電保護的可靠性大大降低，影響礦井供電系統(tǒng)的供電穩(wěn)定。鑒于以上原因，基于網(wǎng)絡(luò)智能識別的電流保護系統(tǒng)和PLC技術(shù)構(gòu)成的防“越級跳閘”系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，能夠從原理上解決礦山供電系統(tǒng)“越級跳閘”問題和通過采用KJ38煤礦供電監(jiān)控系統(tǒng)將提高 “漏電保護”的穩(wěn)定性。

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2.1 防“越級跳閘”系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

基于網(wǎng)絡(luò)智能識別的電流保護和PLC技術(shù)用于防“越級跳閘”系統(tǒng)。網(wǎng)絡(luò)互操作，即通過保護裝置間的智能通信，實現(xiàn)故障定位。系統(tǒng)由DPR360 F系列數(shù)字式保護裝置 （防爆場所：MPR304S數(shù)字式礦用綜合保護裝置）和KHL127礦用隔爆型電流保護控制器組成。井下監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1 井下監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2.2 KJ38煤礦供電監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

KJ38煤礦供電監(jiān)控系統(tǒng)，是為適應(yīng)煤礦電網(wǎng)的特殊需求而開發(fā)的集保護、測控和通信功能于一體的電站綜合自動化系統(tǒng)。系統(tǒng)在設(shè)計上采用了較高的軟硬件平臺，借鑒了地面變電站綜合自動化系統(tǒng)成熟的軟硬件技術(shù)，使系統(tǒng)具有高效、穩(wěn)定、可靠的特點。KJ38煤礦供電監(jiān)控系統(tǒng)的井下監(jiān)控部分，包括DPS301M主站自動化監(jiān)控系統(tǒng)、KJ38-F礦用隔爆兼本安型監(jiān)控分站和MPR300S系列數(shù)字式礦用綜合保護裝置，實現(xiàn)井下電網(wǎng)的實時監(jiān)控、繼電保護和運行管理等功能。井下監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見圖2。

圖2 井下監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

3 工作原理

分支開關(guān)處于閉合狀態(tài)，母線采取并聯(lián)工作，參數(shù)保持不變，單線路供電裝置的自我調(diào)節(jié)系統(tǒng)自行調(diào)整工作方式。電流通過K42開關(guān)，為K2、K21、K5、K6提供電力。一旦在d1處出現(xiàn)障礙，K42、K21、K5、K6、K2共同啟動保護機制，各個裝置信息交流互換，PLC系統(tǒng)準(zhǔn)確確定障礙位置，K42保護機制啟動，在安全時限內(nèi)及時反饋處理，排除故障，在故障處理完成后K2、K21、K5、K6關(guān)閉保護機制，可靠保證不動作；如果出現(xiàn)K42保護機制未啟動，開關(guān)無法及時打開，由于障礙沒有消除，分支開關(guān)的“保護跳閘功能”啟動，導(dǎo)致K6開關(guān)通過安全時間t后判斷下級開關(guān)狀態(tài)，K6位置顯示為有效并跳閘狀態(tài)，K2、K21、K5及時監(jiān)測到K6的工作狀態(tài)為不動作。當(dāng)經(jīng)過二倍安全時間2 t時，障礙電流仍然存在，K42、K6被系統(tǒng)診斷為拒動狀態(tài)，分類為嚴(yán)重障礙，則K2、K21、K5同步切斷開關(guān)，排除障礙，極大程度上保證了系統(tǒng)的安全；如果分支開關(guān)跳閘功能無法正常啟用，一旦K42開關(guān)工作狀態(tài)為拒動，由K5通過安全時間t后自動跳閘排除障礙；d2處產(chǎn)生障礙時，K21保護機制瞬時激動，快速動作，K2監(jiān)測到K21的工作狀態(tài)有效，保持啟動狀態(tài)，當(dāng)障礙排除后K2保護機制關(guān)閉，可靠保證不動作。

4 工程應(yīng)用

4.1 工程背景

山西河曲晉神磁窯溝煤礦是我國改革開放以來，全國百所中型現(xiàn)代化高產(chǎn)高效礦井之一。地質(zhì)儲量為12500 Mt/a，礦井生產(chǎn)能力240 Mt/a，年工作日為276天，工作時間為“三八制”。井下供電基本概況：井下供電由地面35 kV變電站6 kV母線Ⅰ、Ⅱ段雙回路供給，6 kV直接下井。變電站6 kV側(cè)611#、612#開關(guān)經(jīng)兩趟MYJV22-6/10-3×95 型礦用電纜沿主斜井敷設(shè)至井下中央變電所，中央變電所內(nèi)6 kV單母線分段，所內(nèi)設(shè)250 kVA變壓器兩臺，0.69 kV雙回路供中央水泵房；6 kV電源供各采區(qū)變電所。各采區(qū)變電所負(fù)責(zé)向井下其它電氣設(shè)備、照明等用電設(shè)備供電。井下動力電壓等級為6、1.14、0.66 kV，照明、信號及煤電鉆均為127 V。采區(qū)變電所兩路電源均來自中央變電所，電纜型號為MYJV22-6-3×95，總長一萬多米電纜，做采區(qū)主供電源。

4.2 中央變電所優(yōu)化改造

將優(yōu)化的供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)應(yīng)用于山西河曲晉神磁窯溝煤礦中央變電所。其井下12個變電所的196臺防爆開關(guān)需改造更換MPR304S數(shù)字式礦用綜合保護裝置，同時更換原開關(guān)的零序電流互感器，采用專用光纖引入裝置將保護裝置的光纖通信接口引至開關(guān)接線腔，采用專用通信光纜將光通信接口與KHL127通信服務(wù)器連接。

為了與井下變電所智能零時限電流保護配合完成防 “越級跳閘”功能，地面35 kV變電所的630#、640#、605#、607#、646#、623#、608#和風(fēng)機房變電所的612#、621#出線開關(guān)需要更換DPR361LF數(shù)字式線路保護裝置；同時井下96臺低壓饋電開關(guān)需改造更換MPR392S數(shù)字式礦用綜合保護裝置；10臺整流柜需改造更換為MPR302S數(shù)字式礦用綜合保護裝置；10臺風(fēng)機開關(guān)需改造更換MPR392F數(shù)字式風(fēng)機綜合保護裝置。

每個變電所安裝1臺KHL127電流保護控制器，用于防“越級跳閘”系統(tǒng)通信；1臺KJ38-F隔爆兼本安型電力監(jiān)控分站，用于變電所本地監(jiān)控及上傳地面監(jiān)控中心；保護裝置與電力監(jiān)控分站采用CAN通信方式；監(jiān)控分站之間、監(jiān)控分站與地面監(jiān)控中心之間采用光纖或以太網(wǎng)通信。中央變電所配置如表1所示。

表1 中央變電所優(yōu)化配置

序號 設(shè)備名稱11 礦用低壓零序互感器型號TR2153B數(shù)量5 MPR302S數(shù)字式礦用綜合保護裝置 MPR302S 6 電流保護控制器 KHL127 7 DFR361LF數(shù)字式線路保護裝置 DFR361LF 8 專用光纜 MGTSV-6B 9 礦用隔爆兼本安型網(wǎng)絡(luò)交換機 KJJ127 10 礦用高壓零序互感器 2MXQ51B 12 礦用低壓電流互感器 ZMXQ49 13 礦用低壓電流互感器 AKH-0.66/4×10 14 保護裝置改造配線15 保護裝置安裝支架

圖3 磁窯溝煤礦電力監(jiān)控分站（上）及電流保護控制系統(tǒng)(下）

4.3 優(yōu)化效果

磁窯溝煤礦井下中央變電所基于PLC技術(shù)，利用KHL127電流保護系統(tǒng)及KJ38-F電力監(jiān)控系統(tǒng)，優(yōu)化了原供電系統(tǒng)，解決了原供電系統(tǒng)中存在的兩大安全隱患。磁窯溝煤礦中央變電所供電系統(tǒng)目前運轉(zhuǎn)穩(wěn)定，保護機制可靠安全，在3年內(nèi)未發(fā)生任何故障，減輕了維護人員的工作量，大大降低了維護費用，對建設(shè)安全高效礦井建設(shè)起到了重要作用。

5 結(jié)語

針對礦山供電系統(tǒng)中存在的“越級跳閘”問題和“漏電保護”的不穩(wěn)定，通過對問題的原因分析，利用PLC技術(shù)從原理上優(yōu)化了供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。將此結(jié)構(gòu)應(yīng)用于磁窯溝煤礦中央變電所，提高了供電系統(tǒng)的穩(wěn)定性和安全性，表明了PLC技術(shù)對于礦山供電系統(tǒng)問題解決的可行性。隨著自動化技術(shù)不斷深入生產(chǎn)工作，PLC技術(shù)的應(yīng)用將越來越廣泛，如何對煤礦生產(chǎn)系統(tǒng)進一步優(yōu)化，仍需要科研人員，不斷地探索和實踐。