煤礦供電智能化建設(shè)關(guān)鍵技術(shù)

高啟業(yè)，李 軍

（榆林神華能源有限責(zé)任公司 青龍寺煤礦分公司，陜西 榆林719300）

國家發(fā)改委、國家能源局、應(yīng)急部、國家煤礦安監(jiān)局等8部委聯(lián)合發(fā)布的《關(guān)于加快煤礦智能化發(fā)展的指導(dǎo)意見》的通知提出“推進固定崗位的無人值守和危險崗位的機器人作業(yè)”；國家安全生產(chǎn)監(jiān)督管理總局［安監(jiān)總煤行（2016）64號］《關(guān)于減少井下作業(yè)人數(shù)提升煤礦安全保障能力的指導(dǎo)意見》的通知提出:“大力推進機械化、自動化、信息化、智能化，實施井下機電設(shè)備智能監(jiān)控、推廣應(yīng)用智能監(jiān)控技術(shù)，實現(xiàn)井下排水系統(tǒng)、變電所遠程監(jiān)控和無人值守”。這2個通知為煤礦智能化建設(shè)提出了明確的方向，即通過對裝備進行自動化、信息化、智能化的提升和改造達到最終無人化的目的，然而，當(dāng)前煤礦供電智能化、無人化建設(shè)方面仍存在較多的安全隱患，因此，深挖煤礦供電智能化和無人值守建設(shè)的安全隱患，并采取全方位、可靠的防范措施，對提高煤礦供電安全水平和助力煤礦智能化高質(zhì)量發(fā)展具有重要意義[1-3]。

1 煤礦供電智能化及無人值守現(xiàn)狀

通過對全國100多家礦井的調(diào)研發(fā)現(xiàn)，國內(nèi)各大煤礦推進“無人值守、減人提效”的熱情都很高，煤礦供電智能化及無人值守也取得了很大大進步，并取得了一定的減人提效的效果，但是，一些關(guān)系到供電安全的“痛點”問題仍未解決，主要體現(xiàn)在如下幾個方面：

1）供電越級跳閘問題未能徹底解決，平均每個礦每年的越級跳閘事故還在6次以上，因越級跳閘引起的大范圍停電嚴重威脅著礦井生產(chǎn)及安全。

2）高壓單相接地故障選線準確率不高，保護誤跳閘或越級跳閘問題依然嚴重，由此而引起的停電范圍擴大、電纜或設(shè)備絕緣被擊穿等問題已經(jīng)成為了煤礦供電的“痛點”問題。

3）防爆開關(guān)動作不靈敏，跳閘不及時或跳不開時有發(fā)生，加之缺乏“開關(guān)拒跳”預(yù)警手段，一旦發(fā)生短路事故，極易引起越級跳閘擴大停電范圍，嚴重時可能導(dǎo)致風(fēng)機、水泵等一類負荷停運，給礦井帶來巨大的安全隱患。

4）低壓開關(guān)漏電誤跳或越級到移變跳閘幾乎成常態(tài)，由此引起的工人觸電、局扇停風(fēng)等事故也時有發(fā)生，給礦井的安全埋下了巨大的安全隱患。

5）規(guī)程要求變電所低壓漏電保護功能每天做試驗，然而，試驗情況卻不容樂觀，“漏試”、“不試”、“假試”現(xiàn)象比比皆是，這無疑又為礦井安全埋下了一顆“定時炸彈”。

以上問題只是煤礦供電智能化和無人值守建設(shè)中的幾個突出問題，這些問題已經(jīng)已經(jīng)成為了煤礦智能化和無人值守建設(shè)的“瓶頸”問題，亟待解決。

2“六位一體”煤礦智能供電無人值守解決方案

針對以上問題，提出了“六位一體”供電智能化和無人值守建設(shè)解決方案，“六位”即從6個維度保證供電的安全，包括全方位防越級跳閘、高壓單相接地故障精確選線（100%）、低壓漏電故障精確選漏（100%）、漏電試驗自動化、供電遠程監(jiān)控系統(tǒng)安全、遠程控制安全；“一體”即方案將多種功能一體化，提高供電可靠性，包括網(wǎng)絡(luò)一體、智能保護一體、備電一體、云地一體。

2.1 全方位防越級跳閘

供電越級跳閘事故輕則越過1級導(dǎo)致1個采區(qū)停電，重則越過多級直至地面變電所，導(dǎo)致整個井下供電系統(tǒng)癱瘓，嚴重威脅生產(chǎn)安全。引起越級跳閘的原因有多種，比如短路越級、開關(guān)拒跳越級、電壓波動越級、定值不匹配越級等，然而目前國內(nèi)的防越級方法（如GOOSE信號閉鎖防越級、差動保護防越級、集中判別式防越級）應(yīng)用多年始終無法杜絕越級跳閘事故的發(fā)生，主要是因為這些方法存在防越級“死區(qū)”，無法全方位防止越級跳閘，為此，提出一種“分布式網(wǎng)絡(luò)保護防越級技術(shù)”，經(jīng)過多年的應(yīng)用證明，該技術(shù)可以徹底解決煤礦供電越級跳閘問題，為此，該技術(shù)入選了國家煤監(jiān)局發(fā)布的“2019年煤礦安全生產(chǎn)先進適用技術(shù)裝備推廣目錄“，分布式網(wǎng)絡(luò)保護防越級跳閘技術(shù)原理圖如圖1。

圖1 分布式網(wǎng)絡(luò)保護防越級跳閘技術(shù)原理圖Fig.1 Principle diagram of distributed network protection against override trip

由圖1可以看出，防爆開關(guān)的智能微機保護裝置（以下簡稱保護裝置）通過礦井光纖環(huán)網(wǎng)實現(xiàn)信息共享，打破了傳統(tǒng)的“保護裝置孤島運行“模式，保護裝置之間互聯(lián)互通、實時共享信息，可以不依賴分站自動構(gòu)建防越級區(qū)域保護[4]，其工作原理如下：

1）保護裝置之間通過光纖環(huán)網(wǎng)共享位置信息，自動識別供電上下級關(guān)系，構(gòu)建防越級區(qū)域保護。

2）保護裝置之間通過光纖環(huán)網(wǎng)共享實時電流信息，當(dāng)電流值超過保護定值時由區(qū)域保護的最下級自動跳閘，區(qū)域保護的其他開關(guān)不跳閘，有效防止由短路事故引起的越級跳閘事故。

3）保護裝置之間通過光纖環(huán)網(wǎng)共享保護定值信息，上下級保護定值不匹配自動報警，有效防止因定值不匹配引起的越級跳閘事故的發(fā)生。

4）保護裝置之間通過光纖環(huán)網(wǎng)共享開關(guān)分閘時機構(gòu)行程時間，提前發(fā)現(xiàn)開關(guān)拒跳隱患并預(yù)警，有效防止故障發(fā)生時由于開關(guān)拒跳導(dǎo)致的越級跳閘事故發(fā)生。

5）保護裝置之間通過光纖環(huán)網(wǎng)共享實時電壓信息，通過上下級電壓信號綜合比對識別電壓短時波動故障，閉鎖開關(guān)欠壓脫扣器不動作，有效防止由于電壓波動引起的開關(guān)群跳、越級跳閘事故。

2.2 高壓單相接地故障精確選線（100%）

煤礦供電系統(tǒng)中性點普遍采用不接地或經(jīng)消弧線圈接地方式，傳統(tǒng)的漏電選線方法很難保證選線準確性。提出一種新的接地故障精確選線方法，通過原理分析和實際應(yīng)用證明，該方法選線準確率可達100%，接地故障精確選線原理圖如圖2。

圖2 接地故障精確選線原理圖Fig.2 Principle diagram of accurate line selection for grounding fault

該原理采用“注入信號+防越級定位”技術(shù)，發(fā)生接地故障時，可有效避免消弧線圈、變頻器等的影響，變“被動選線”（以容性電流判據(jù)）為“主動選線”（以注入信號為判據(jù)），其精確選線分為3個步驟：

1）發(fā)生單相接地故障后，系統(tǒng)零序電壓變大，觸發(fā)異頻信號源短時投入，向供電回路中注入1個特殊頻率的信號。

2）注入的信號從“供電回路－接地點－大地”流回信號源，從而構(gòu)成唯一的信號回路。

3）開關(guān)內(nèi)安裝的選線裝置對注入的信號敏感，檢測到注入的信號以后，保護裝置之間通過環(huán)網(wǎng)共享實時信息，根據(jù)共享的信息，103#、105#、107#開關(guān)自動組成區(qū)域選線網(wǎng)絡(luò)，103#、105#、107#開關(guān)根據(jù)各自的上下級級聯(lián)關(guān)系，確定107#開關(guān)離故障點最近，由107#開關(guān)跳閘切除接地線路，完成精確選線。

2.3 低壓漏電故障精確選漏（100%）

根據(jù)調(diào)研發(fā)現(xiàn)，低壓漏電故障引起的誤跳閘、越級跳閘問題十分普遍，給生產(chǎn)安全帶來嚴重隱患，因此，提出一種低壓漏電精確選漏方法，該方法創(chuàng)新性的研發(fā)了“區(qū)域信息共享、相對判據(jù)選線”技術(shù)，經(jīng)過實際應(yīng)用證明，該方法選漏準確率可達100%，低壓漏電精確選漏原理圖如圖3。

圖3 低壓漏電精確選漏原理圖Fig.3 Schematic diagram of precise leakage selection for low voltage leakage

該原理采用“信息共享、綜合對比、一致性相對判別”技術(shù)實現(xiàn)精確選漏，可有效避免變頻器、供電回路變化等給選漏帶來的影響，精確選漏分為以下3個步驟：

1）201#總開關(guān)和202#～205#分開關(guān)，通過網(wǎng)絡(luò)交換機組成信息共享網(wǎng)絡(luò)。

2）當(dāng)?shù)蛪合到y(tǒng)發(fā)生漏電時，201#總開關(guān)通過附加直流的方法快速檢測出系統(tǒng)漏電故障，同時，201#開關(guān)將漏電故障信息通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到202#～205#開關(guān)，此時，202#～205#開關(guān)之間實時共享信息（信息內(nèi)容包括：零序電壓、零序電流以及相位）。

3）202#～205#開關(guān)根據(jù)自身采集的信息與其他開關(guān)共享的信息進行綜合判別，綜合對比各開關(guān)零序電壓與零序電流的相位角以及幅值，確定相位角和幅值的一致性范圍，當(dāng)某開關(guān)的相位角所和幅值偏離一致性范圍時，則判定該開關(guān)回路漏電并跳閘。

2.4 漏電試驗自動化及遠程一鍵聯(lián)動試驗

《煤礦安全規(guī)程》第453條要求：“每天必須對低壓漏電保護進行1次跳閘試驗”，因此，在供電智能化建設(shè)中保證低壓漏電保護的有效性和漏電試驗的全面性尤為重要。調(diào)研發(fā)現(xiàn)，雖然各煤礦每天安排工人現(xiàn)場做漏電試驗，然而漏電試驗的全面性、有效性卻很難保證，工人做漏電試驗時“漏試”、“不試”、“假試”現(xiàn)象非常嚴重，電網(wǎng)發(fā)生漏電事故時，一旦漏電保護失效，不僅會有人體觸電風(fēng)險，甚至可能引起瓦斯、煤塵爆炸。為此，提出一種“漏電保護遠程一鍵聯(lián)動試驗”方法，該方法可實現(xiàn)遠程一鍵試驗、自動記錄試驗結(jié)果、自動生成試驗報告，試驗過程中自動判別漏電保護、漏電閉鎖保護的有效性，同時自動判斷開關(guān)機構(gòu)動作的靈敏性，通過該方法不但可以達到減人提效的目的，更重要的是徹底消除了由漏電保護失效帶來的安全隱患，使煤礦供電智能化及無人值守建設(shè)又加了一道“保險”[5-7]。

2.5 遠程監(jiān)控系統(tǒng)的安全

監(jiān)控系統(tǒng)的安全和可靠直接關(guān)系到供電無人值守的安全和可靠，例如：國家電監(jiān)會［2012］12號文件通報指出“Windows操作系統(tǒng)的脆弱性和局部安全事件擴散可能造成整個監(jiān)控系統(tǒng)癱瘓”，國家電網(wǎng)公司調(diào)繼［2017］119號文件指出：“根據(jù)公司故障錄波器及保信子站運行情況統(tǒng)計，使用Windows操作系統(tǒng)的設(shè)備容易再運行中感染病毒”。調(diào)研也發(fā)現(xiàn)，目前各煤礦的供電監(jiān)控系統(tǒng)基本上都是采用的Windows操作系統(tǒng)，監(jiān)控系統(tǒng)運行慢、中病毒甚至死機等問題頻發(fā),導(dǎo)致煤礦的供電監(jiān)控系統(tǒng)安全性和可靠性得不到保證，嚴重制約了煤礦供電智能化建設(shè)的步伐，根據(jù)多年來研究和應(yīng)用煤礦供電監(jiān)控系統(tǒng)的經(jīng)驗證明，采用基于Linux操作系統(tǒng)的供電監(jiān)控軟件平臺，可有效防止病毒入侵，系統(tǒng)安全性和可靠性明顯提高，系統(tǒng)年可用率可達99.99%，系統(tǒng)平均故障間隔時間（MTBF）不小于20 000 h，因此，建議在煤礦供電智能化建設(shè)過程中，首選基于Linux操作系統(tǒng)的監(jiān)控軟件平臺，這也是煤礦供電智能化及無人值守建設(shè)的安全保證[8-11]。

3 結(jié) 語

通過對多年煤礦供電無人值守監(jiān)控經(jīng)驗的分析，同時根據(jù)對國內(nèi)超過100多家煤礦的調(diào)研，總結(jié)了目前煤礦供電智能化及無人值守建設(shè)存在的主要問題，分析了這些問題給煤礦安全帶來的安全隱患，同時提出了針對性的“六位一體”解決方案，采用該方案可實現(xiàn)全方位防越級跳閘（包括短路防越級、開關(guān)拒動防越級、電壓波動防越級以及定值不匹配防越級等）、接地故障精確選線（準確率100%）、低壓漏電精確選漏（準確率100%）、漏電遠程一鍵試驗以及全面的遠程控制等功能，為煤礦供電智能化及無人值守建設(shè)提供了更加全面的參考。