煤礦供電系統(tǒng)的防越級跳閘保護(hù)系統(tǒng)的設(shè)計

邢西鋒

（國能神東煤炭集團(tuán)生產(chǎn)服務(wù)中心，內(nèi)蒙古鄂爾多斯 017209）

0.引言

煤礦供電系統(tǒng)在整個煤礦開采過程中具有重要作用，是整個煤礦運營的主要能源。特別在信息化時代背景下，煤礦井下受到巷道延伸長度限制，經(jīng)常在相同水平面上設(shè)置各種多級供電所，讓每級變電所線路分級呈現(xiàn)逐漸增加趨勢，導(dǎo)致線路長度不斷降低，給供電電纜線路阻抗能力帶來不同程度的影響。從目前煤礦供電系統(tǒng)實際情況來看，一旦其出現(xiàn)短路故障時，不同線路的短路電流沒有明顯變化，繼電器保護(hù)裝置無法準(zhǔn)確判斷短路故障點，無形中提高保護(hù)整定難度系數(shù)，造成線路出現(xiàn)越級跳閘、開關(guān)誤動作等問題，甚至?xí)M(jìn)一步拓展井下的停電范圍，給煤礦生產(chǎn)安全性、開采效率帶來嚴(yán)重影響，甚至出現(xiàn)嚴(yán)重的煤礦安全事故。因此，本文針對煤礦供電系統(tǒng)出現(xiàn)的短路故障問題，如越級跳閘現(xiàn)象、開關(guān)誤動作等，設(shè)計出多樣化防越級跳閘保護(hù)裝置，探究保護(hù)裝置日常運行原理，制定出保護(hù)裝置的硬件框圖和控制器主程序流程框圖，并進(jìn)行開關(guān)量輸入單元、微控制器選型、CAN 總線通信單元、線路電參數(shù)采集單元等環(huán)節(jié)的設(shè)計工作，從而規(guī)范保護(hù)裝置的程序設(shè)計方法[1]。

1.誘發(fā)煤礦供電系統(tǒng)出現(xiàn)越級跳閘的主要因素

1.1 短路保護(hù)整定難度提升

由于井下煤礦供電系統(tǒng)具有較強(qiáng)的復(fù)雜性，在線路零秒速斷線路中并未設(shè)置保護(hù)區(qū)域，一旦出現(xiàn)線路故障，相關(guān)的開關(guān)無法準(zhǔn)確掌握線路電路出現(xiàn)的變化，導(dǎo)致開關(guān)零秒速斷保護(hù)器出現(xiàn)大量跳閘現(xiàn)象，無形中給越級跳閘創(chuàng)造有利條件。主變事故跳閘會對供電的性能產(chǎn)生非常巨大的影響，甚至?xí)?dǎo)致對外限電的現(xiàn)象，為了能夠有效控制變壓器，對調(diào)度做出以下規(guī)定，在變壓器保護(hù)動作跳閘時，在沒有完全弄清楚原因的前提下，不能對其進(jìn)行送電。在正常情況下，井下供電系統(tǒng)過流保護(hù)整體存在較強(qiáng)困難，只要產(chǎn)生短路故障，就立刻會出現(xiàn)越級跳閘問題，且煤礦井下多次產(chǎn)生防爆開關(guān)抖動，也是引起供電系統(tǒng)出現(xiàn)越級跳閘的主要原因。

1.2 光線縱差保護(hù)的效果有待提升

在信息化時代背景下，井下供電系統(tǒng)保護(hù)方面以保護(hù)光線縱差為主，這種方式雖然能有效避免出現(xiàn)越級跳閘問題，但由于該線路系統(tǒng)涉及多樣化線路，一旦出現(xiàn)問題，需要工作人員花費大量時間和精力進(jìn)行處理，無形中給相關(guān)企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益造成不同程度的影響。差動保護(hù)是變壓器的主要保護(hù)措施，在實施過程中一定要保證其可靠性和速動性要求，差動保護(hù)具有結(jié)構(gòu)復(fù)雜、接線麻煩等特征，一旦檢修不及時會留下嚴(yán)重的安全隱患，再加上光纖縱差保護(hù)存在兩端線路理論，對解決三端線路問題帶來嚴(yán)重阻礙。

1.3 失壓保護(hù)整定難度系數(shù)較高

在出現(xiàn)開關(guān)拒動問題時，很多煤礦井下保護(hù)線路會陷入失壓保護(hù)狀態(tài)，給各環(huán)節(jié)開關(guān)帶來嚴(yán)重的延時問題，從而影響到失壓保護(hù)裝置的穩(wěn)定性。同時，部分失壓保護(hù)器脫扣值準(zhǔn)確度較低，也會給失壓保護(hù)穩(wěn)定性造成影響，一旦短路故障位置和母線距離較近，很可能誘發(fā)母線出現(xiàn)失壓問題，導(dǎo)致開關(guān)保護(hù)系統(tǒng)出現(xiàn)越級跳閘問題。

2.防越級跳閘保護(hù)裝置保護(hù)原理分析

整個保護(hù)系統(tǒng)主要包括各種防越級跳閘保護(hù)裝置、供電系統(tǒng)、CAN 總線通信系統(tǒng)、上位機(jī)監(jiān)控平臺。在日常供電系統(tǒng)設(shè)計過程中，由于設(shè)計者對重要因素重視度不足，未針對實際情況制定供電系統(tǒng)故障維修方案。因此，在設(shè)計煤礦系統(tǒng)日常使用過程中，要嚴(yán)格遵循行業(yè)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，讓煤礦用電和其他用電系統(tǒng)保持獨立狀態(tài)，無法共同使用同一電源，并將動力用電設(shè)備和單相用電設(shè)備進(jìn)行分開使用電纜，確保電力在傳輸過程中不會進(jìn)行相互影響。同時，煤礦的照明設(shè)備要采用特有的供電系統(tǒng)，對那些要求較低、規(guī)模較小的系統(tǒng)，工作人員可利用ATS 切換系統(tǒng)來控制系統(tǒng)日常工作，提高工作效率；面對負(fù)荷電流量大的系統(tǒng)，可使用開關(guān)柜倒閘系統(tǒng)，避免系統(tǒng)受到雷電因素影響，提高系統(tǒng)運行通暢性。另外，供電系統(tǒng)中設(shè)計配電主要是將經(jīng)濟(jì)安全性作為主要核心，通過利用多樣化方式來加強(qiáng)產(chǎn)品質(zhì)量，具體考慮電力負(fù)荷、未來所增加的負(fù)荷。本文根據(jù)系統(tǒng)實際情況來設(shè)計CAN 總線通信方案，將時限速斷保護(hù)理念應(yīng)用其中，在采區(qū)變電站、地面變電站、移動變電站等線路中安裝防越級跳閘保護(hù)裝置，從而實現(xiàn)不同線路防越級跳閘裝置進(jìn)行相互連接，當(dāng)供電網(wǎng)絡(luò)某條線路存在短路故障時，會同步向各節(jié)點輸送大量故障數(shù)據(jù)，系統(tǒng)以此為基礎(chǔ)來進(jìn)行故障判斷，決定是否采用故障操作和保護(hù)措施，再通過CAN 總線和上位機(jī)監(jiān)控平臺進(jìn)行雙向通信，有利于工作人員遠(yuǎn)程監(jiān)督供電系統(tǒng)[2]。

3.保護(hù)裝置硬件方案設(shè)計

3.1 防越級跳閘保護(hù)裝置硬件

防越級跳閘保護(hù)裝置主要包括CAN 總線通信單元、開關(guān)量輸入輸出單元、液晶顯示單元、微控制器等。微控制器是保護(hù)裝置的重要部分，主要負(fù)責(zé)處理現(xiàn)場數(shù)據(jù)、故障信息，讓工作人員利用上位機(jī)控制平臺來控制指標(biāo)，實現(xiàn)與各種保護(hù)裝置進(jìn)行信息交互，合理控制每個保護(hù)裝置的實際情況；線路電參數(shù)采集單元的主要功能是統(tǒng)計故障線路實際數(shù)據(jù)，并將其傳輸?shù)轿⒖刂破髦?，通過利用控制器中的電流信號來分析隱藏的問題，有利于系統(tǒng)計算電壓和電流信號；開關(guān)量輸出單元是通過接收微控制器來控制指令內(nèi)容，避免線路斷路器日常工作給系統(tǒng)運行效率帶來嚴(yán)重影響。

3.2 微控制器選型

在日常工作中，工作人員可利用微控制器來分析線路電信號，從而掌握實時數(shù)據(jù)能力和快速處理能力，進(jìn)一步滿足保護(hù)裝置的日常要求。因此，在選擇微控制器類型中，工作人員可采用TMS320F2812 芯片，其具有功能多樣化、性能優(yōu)良、性價比高等特征，是DSP 最常用的產(chǎn)品。同時，該芯片內(nèi)部設(shè)置優(yōu)化版eCAN 模塊，能完全兼容CAN2.0B 協(xié)議，不能添加CAN 控制器，能有效提高保護(hù)裝置效率。另外，該芯片擁有較強(qiáng)的運算精度和系統(tǒng)處理能力，有利于保護(hù)措施和算法的實施[3]。

3.3 線路電參數(shù)采集單元設(shè)計

線路電參數(shù)采集單元是通過專業(yè)工具來收集線路基本信號，如電壓信號、電流信號等，經(jīng)過互感器進(jìn)行優(yōu)化后，再通過A/D 轉(zhuǎn)換電路、信號調(diào)理電路等環(huán)節(jié)，轉(zhuǎn)變成DSP 可處理數(shù)字信號。兩級反向比例放大器用來控制放大倍數(shù)，為避免高次諧波給放大系數(shù)帶來嚴(yán)重影響，工作人員要在放大器間設(shè)置低通濾波電路，防止瞬態(tài)電壓過高，給保護(hù)裝置性能帶來嚴(yán)重威脅，并且要提前在輸出端安裝雙向瞬態(tài)電壓抑制器。針對電流信號，工作人員對于相同型號的信號調(diào)理電路，可通過安裝電壓電流轉(zhuǎn)換電路，就能將電流信號轉(zhuǎn)換為電壓信號，從實現(xiàn)信號轉(zhuǎn)換功能；針對A/D 轉(zhuǎn)換電路，可采用MAXIM 公司生產(chǎn)的MAX125 轉(zhuǎn)換芯片作為保護(hù)裝置，該芯片具有轉(zhuǎn)換精度高、轉(zhuǎn)速快等特征，對提高保護(hù)裝置性能發(fā)揮重要作用。

3.4 CAN 總線通信電路設(shè)計

CAN 總線通信電路主要應(yīng)用在保護(hù)裝置通信機(jī)制日常運行，因TMS320F2812 內(nèi)部有eCAN 控制器，工作人員只要在外部連接CAN 總線驅(qū)動器，就能實現(xiàn)通信電路信息共享功能。本保護(hù)裝置選擇SN65HVD230 收發(fā)器，該收發(fā)器具有通信速度快、抗干擾性強(qiáng)、可靠性高等特征，在DSP 和CAN 總線收發(fā)器間設(shè)置隔離器，從而提高通信系統(tǒng)的抗干擾能力。但值得注意的是，在供電系統(tǒng)安全裝前，工作人員要利用專用設(shè)備來檢測兩路市電交流地阻和安全保護(hù)地阻量是否能滿足行業(yè)要求。在空載調(diào)試方面，其要提前調(diào)整好不同時間的繼電器延時時間，再調(diào)整系統(tǒng)動作，在確定這兩個方面準(zhǔn)確后連接負(fù)載。在負(fù)荷通電前，要從不同方面檢測供電系統(tǒng)插座連線、接線排是否滿足國家標(biāo)準(zhǔn)。在確定應(yīng)急空調(diào)遙控器安裝位置正確后，當(dāng)主線路停電再來電后，要在第一時間正確遙控器具體工作狀態(tài)[4]。

3.5 供電電源系統(tǒng)設(shè)置

供電供電系統(tǒng)設(shè)計是作為煤礦低壓設(shè)備設(shè)計的重要環(huán)節(jié)，主要分為集中供電和分區(qū)供電兩種方式，需要利用何種方式進(jìn)行供電主要和煤礦布局有直接聯(lián)系。同時，不間斷電源供電系統(tǒng)輸入開關(guān)是將低壓斷路器作為主體，在日常運行時將漏電保護(hù)設(shè)備安裝到電流輸入環(huán)節(jié)，從而避免配電房出現(xiàn)嚴(yán)重的安全事故，且禁止不間斷電源供電電源連接脫零線，避免其出現(xiàn)管理人員傷亡，工作人員要嚴(yán)格遵循國家標(biāo)準(zhǔn)來安裝接地設(shè)備，確保接地阻值能符合國家要求，能有效降低設(shè)備損壞問題。另外，在不間斷電源供電電源選擇方面禁止選擇同一電池型號，要根據(jù)煤礦空間、經(jīng)濟(jì)效益、使用時間等要素要做出合理選擇，從而加強(qiáng)電池的安全性和穩(wěn)定性，避免出現(xiàn)劣質(zhì)電池給設(shè)備供電時間帶來嚴(yán)重影響。在信息化時代背景下，我國具有各種電網(wǎng)質(zhì)量問題，如浪涌、電壓波動、斷電、電壓跌落等方面的問題，這些問題很容易給計算機(jī)設(shè)備帶來嚴(yán)重影響，如信息丟失、敏感元件損壞、磁盤程序被沖洗等問題。根據(jù)有關(guān)人員統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，我國計算機(jī)故障中有一半左右的問題是由于電源所產(chǎn)生。為確保煤礦采礦能根據(jù)要求進(jìn)行運行，工作人員要在監(jiān)控房內(nèi)安裝不間斷電源，不僅能保證監(jiān)控室電源正常運行，還能給控制系統(tǒng)提供穩(wěn)定電力保護(hù)[5]。

3.6 開關(guān)量輸入單元設(shè)計

開關(guān)量輸入單元是用來檢測現(xiàn)場線路斷路器開關(guān)的實際情況，通過開關(guān)量信號來連接斷路器常閉接點和輔助常開接點。其中斷路器狀態(tài)信號是通過二進(jìn)制數(shù)字變化形式來進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸工作，并將數(shù)據(jù)詳細(xì)顯示在上位機(jī)監(jiān)控平臺上，有利于工作人員掌握日常工作狀態(tài)[6]。

4.軟件設(shè)計

本文選擇TMS320F2812 微控制器，程序編寫以C 語言為主。在編寫時，要根據(jù)不同模塊所實現(xiàn)的功能選擇模塊化設(shè)計理念，是由不同功能子程序、主程序組成，所有工作通過主程序進(jìn)行統(tǒng)一控制。煤礦井下受到巷道延伸長度限制，會在同一方向上安裝多級供電所，且每級變電所線路分級不斷增加，給線路長度帶來嚴(yán)重影響，加上供電電纜線路阻抗能力較低。當(dāng)供電系統(tǒng)線路出現(xiàn)短路故障時，不同線路間的短路電流在數(shù)值上并未出現(xiàn)明顯區(qū)別，導(dǎo)致各級原有繼電器保護(hù)裝置無法用短路電流數(shù)據(jù)來判斷短路故障點，無形中提高保護(hù)整定難度系數(shù)，造成線路出現(xiàn)越級跳閘、開關(guān)誤動作等問題。為提升工作人員人身安全，確保設(shè)備功能和信號功能滿足日常要求，工作人員通常會將控制系統(tǒng)和接地系統(tǒng)相連接。同時，接地系統(tǒng)面對各種接地電阻時要滿足下面條件：第一，煤礦開采工程工藝接地電阻要低于1；第二，直流地電阻要根據(jù)不同系統(tǒng)要求來確定，工作人員要將交流工作和直流工作作為一個整體；第三，交流工作和安全保護(hù)地的接地電阻都要低于4[7]。

5.上位機(jī)設(shè)計

上位機(jī)采用選擇金景集團(tuán)開發(fā)的軟件，該軟件系統(tǒng)通過密碼登錄，給不同部門工作人員設(shè)置不同操作權(quán)限。監(jiān)控側(cè)重點集中在地下各監(jiān)控點環(huán)節(jié)，如電力、電壓、電流等方面的運行數(shù)據(jù)、保護(hù)設(shè)備交付狀態(tài)、斷路器狀態(tài)等，且在供電設(shè)備出現(xiàn)問題時能及時確定其故障位置，采用合理的解決方式進(jìn)行處理。同時，在停電期間，可利用軟件中的實時曲線來控制數(shù)量變量，有利于工作人員實時觀察數(shù)據(jù)變動幅度，對供電裝置運行做出最科學(xué)的判斷。而數(shù)據(jù)庫規(guī)劃和實際參數(shù)有直接聯(lián)系，有利于工作人員進(jìn)行后期查詢，提高日常工作效率。

6.結(jié)語

本文通過分析煤礦供電系統(tǒng)越級跳閘現(xiàn)象出現(xiàn)的具體原因，來發(fā)現(xiàn)供電線路保護(hù)裝置參數(shù)中隱藏的問題，如動作靈敏度低、整定難度大等問題。針對上述這些問題，工作人員要合理利用DSP 控制技術(shù)、CAN 總線通信技術(shù)等來設(shè)計完善的防越級跳閘保護(hù)裝置，確保不同級別保護(hù)裝置在出現(xiàn)短路問題時實現(xiàn)相互通信，將故障信息數(shù)據(jù)共享，避免出現(xiàn)越級跳閘問題。