談煤礦供電系統(tǒng)防越級跳閘技術(shù)

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摘要：煤礦供電系統(tǒng)線路長、運行方式多變，在整定過流速斷保護(hù)時無法滿足選擇性要求，容易出現(xiàn)越級跳閘造成停電范圍擴大。為了避免越級跳閘，研究了一種先進(jìn)的微機集成光纖保護(hù)系統(tǒng)，該系統(tǒng)由智能光纖保護(hù)裝置PA61和智能光纖控制服務(wù)器SU20組網(wǎng)構(gòu)成。在分析煤礦供電網(wǎng)絡(luò)及其越級跳閘現(xiàn)象的基礎(chǔ)上，介紹了PA61和SU20的硬件設(shè)計方案。

關(guān)鍵詞：越級跳閘；煤礦；供電系統(tǒng)

引言

在煤礦供電網(wǎng)絡(luò)中，饋電開關(guān)可能由于某些情況誤動作跳開，分饋電開關(guān)動作跳開可能造成某工作面范圍所有用電設(shè)備停用，影響煤炭生產(chǎn)，如果出現(xiàn)越級跳閘將導(dǎo)致停電范圍擴大，引發(fā)電氣設(shè)備損壞甚至人員傷亡事故。煤礦井下防越級跳閘技術(shù)一直是國內(nèi)外技術(shù)人員研究的熱點，最初我國有部分煤礦采用電信號邏輯閉鎖方式和分站集中控制方式，這兩種方式分別存在實用性差以及控制主機要求高等問題。隨著相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，有專家提出一種基于縱聯(lián)差動保護(hù)原理的防越級跳閘方案，目前光纖縱差保護(hù)是地面電網(wǎng)應(yīng)用廣泛的線路保護(hù)技術(shù)，但其應(yīng)用于礦井供電網(wǎng)絡(luò)時存在保護(hù)區(qū)域單一、成本高的問題。本文針對防越級跳閘技術(shù)中的通信問題，設(shè)計了一種專用的通信控制器，實現(xiàn)了基于廣域測量技術(shù)的現(xiàn)場智能設(shè)備越級跳閘的速斷保護(hù)。

1煤礦供電網(wǎng)絡(luò)及越級跳閘分析

1．1煤礦供電網(wǎng)絡(luò)

某煤礦井下供電網(wǎng)絡(luò)接線圖如圖1（a）所示，礦井供電系統(tǒng)采用10kV電壓等級，中性點不接地方式運行，地面35kV變電站的101母線和102母線分別引出，經(jīng)高壓電纜穿過井筒作為井下中央變電所進(jìn)線電源，井下中央變電所也是分段結(jié)構(gòu)，分別向2個采區(qū)變電所供電，然后出線至工作面負(fù)荷。按照不同等級變電所簡化網(wǎng)絡(luò)，可以得到簡化示意圖如圖1（b）所示。正常情況下每個分段線路都配置有速斷保護(hù)，即在本線路范圍內(nèi)如果發(fā)生短路故障，則希望離短路點最近的開關(guān)保護(hù)動作跳閘，例如K2點或K3點短路時希望201跳閘，K4點短路時希望301跳閘，實際情況K3點和K4點短路的短路電流對于201保護(hù)裝置來說是無法區(qū)分的，因此K4點短路故障發(fā)生時就會出現(xiàn)跳201而非跳301的越級跳閘現(xiàn)象。

1．2越級跳閘的原因

煤礦供電環(huán)境相比地面惡劣，空氣潮濕，地質(zhì)情況多變，因此供電電纜容易發(fā)生絕緣損壞造成短路，當(dāng)短路點接近開關(guān)兩側(cè)時就會發(fā)生越級跳閘?？傮w而言，越級跳閘的原因是由電網(wǎng)的特性和結(jié)構(gòu)決定的，短路電流越大、供電線路越長，在保護(hù)方案不完善的情況下越容易發(fā)生越級跳閘，井下電網(wǎng)的運行方式千差萬別，為了滿足靈敏度要求，保護(hù)整定值會比正常線路選取更低，速斷保護(hù)無法體現(xiàn)選擇性時就出現(xiàn)了越級跳閘。

2防越級跳閘系統(tǒng)總體設(shè)計

煤礦智能變電站的結(jié)構(gòu)分為三層：上層為設(shè)備控制、數(shù)據(jù)通信和人機交互的站控層；中間層為現(xiàn)場設(shè)備連接和數(shù)據(jù)監(jiān)控的間隔層；底層為與一次設(shè)備連接、數(shù)據(jù)采集和保護(hù)的過程層。本系統(tǒng)設(shè)計了智能光纖保護(hù)裝置和智能光纖保護(hù)服務(wù)器，智能保護(hù)裝置采用分布式安裝在井下各供電支路，實時采集數(shù)據(jù)并發(fā)送給合并單元，進(jìn)而通過光纖網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給上一級智能保護(hù)裝置，光纖服務(wù)器的作用是對光纖信號進(jìn)行接收、匯總和上傳。

2．1智能光纖保護(hù)裝置

PA61智能光纖保護(hù)裝置PA61采用了三核心硬件架構(gòu)：LED信號燈、LCD顯示屏和鍵盤等顯示控制模塊采用ARM控制器；PT、CT采集的電流電壓數(shù)據(jù)信號、數(shù)字量輸出模塊、RS485通信模塊采用DSP控制器；數(shù)字量輸入模塊和光纖傳輸模塊采用FPGA控制器。防越級跳閘保護(hù)裝置PA61總體設(shè)計原理如圖2所示。

2．2智能光纖服務(wù)器

SU20智能光纖服務(wù)器SU20的核心控制器為FPGA，每個控制器具有7路端口，通過74LV4245芯片與光纖收發(fā)器連接。前6路端口的設(shè)計邏輯相同，每路端口發(fā)送和接收的數(shù)據(jù)信息為除本路信息以外的其他6路信息。第7路端口TX7發(fā)送和接收的數(shù)據(jù)信息為所有7路信息的總和。這種設(shè)計的好處是適合運行方式多變的煤礦供電系統(tǒng)，當(dāng)運行方式發(fā)生變化時，只需要根據(jù)相應(yīng)的運行方式改變光纖連接即可。圖3為智能光纖服務(wù)器硬件設(shè)計原理圖。

3礦井變電所設(shè)備組網(wǎng)保護(hù)

3．1組網(wǎng)方案

整套防越級保護(hù)系統(tǒng)由智能光纖保護(hù)裝置PA61和智能光纖服務(wù)器SU20組成光纖信號閉鎖系統(tǒng)，應(yīng)用時需要按照上下級系統(tǒng)或多級系統(tǒng)的要求進(jìn)行組網(wǎng)。如果是上下級系統(tǒng)，只需在饋線開關(guān)和進(jìn)線開關(guān)處分別裝設(shè)一臺PA61，由下級線路保護(hù)向上級線路保護(hù)發(fā)送光纖閉鎖信號，實現(xiàn)防越級跳閘功能，上下級防越級跳閘組網(wǎng)方案如圖4所示。如果是多進(jìn)線、多分段的供電方式可變的多級系統(tǒng)，需要在所有饋線開關(guān)配置PA61，在所有進(jìn)線開關(guān)、母線和分段開關(guān)配置SU20，形成多點集中、閉鎖信號統(tǒng)一發(fā)送的防越級跳閘組網(wǎng)方式，如圖5所示。 

3．2不同供電系統(tǒng)組網(wǎng)案例

井下各變電所組網(wǎng)情況根據(jù)各自接線方式的不同分別設(shè)計，主要有煤機頭變電所、煤盤區(qū)變電所和機頭變電所。

3．2．1煤機頭變電所組網(wǎng)方案圖6為煤機頭變電所組網(wǎng)方案。如圖6所示，1＃進(jìn)線柜內(nèi)，PA61的光口接收來自SU20（1）的閉鎖信號；15＃進(jìn)線柜內(nèi)，PA61的光口接收來自SU20（2）的閉鎖信號；9＃分段柜內(nèi)，PA61有兩對接收和發(fā)送光口，分別對應(yīng)SU20（1）和SU20（2）的發(fā)送光口；Ⅰ段母線的2號柜、4號柜、5號柜、6號柜、7號柜、8號柜，Ⅱ段母線的11號柜、13號柜、14號柜內(nèi)PA61向上級饋電線路發(fā)送閉鎖信號；除此以外，5＃柜、13＃柜內(nèi)PA61裝置還要分別接收下級線路的光纖閉鎖信號。

3．2．2煤盤區(qū)變電所組網(wǎng)方案圖7為煤盤區(qū)變電所組網(wǎng)方案。圖7中，煤盤區(qū)變電所共有兩條進(jìn)線1＃柜、20＃柜，一個分段11＃柜，17條饋線，其中14條運行。PA61配置：每個開關(guān)柜上配置一臺PA61，共計17臺PA61；SU20配置：分段兩側(cè)母線上都配置2臺SU20，共計4臺SU20。

3．2．3機頭變電所組網(wǎng)方案圖8為機頭變電所組網(wǎng)方案。圖8中，該變電所共有兩條進(jìn)線，分別是1＃柜、18＃柜，一個分段11＃柜，10條饋線。每個開關(guān)柜上配置一臺PA61，共計13臺PA61；因Ⅰ段母線上接的饋線數(shù)量和分段數(shù)量的總數(shù)超過7個，所以要用兩臺SU20，其中一臺備用。Ⅱ段母線上配置一臺SU20。

4軟件設(shè)計

本系統(tǒng)的軟件設(shè)計采用模塊化設(shè)計語言，分別設(shè)計了DSP控制器主程序、光纖傳輸信號子程序、判斷故障閉鎖信號發(fā)出子程序、速斷保護(hù)子程序、SU20服務(wù)器主程序。圖9為SU20服務(wù)器主程序流程圖。

5結(jié)束語

針對煤礦井下變電所數(shù)量多，組成的多級供電網(wǎng)絡(luò)保護(hù)整定困難，饋電開關(guān)的保護(hù)選擇性不強造成的越級跳閘問題，研究了一種基于智能光纖保護(hù)裝置PA61和智能光纖服務(wù)器SU20的防越級微機集成保護(hù)系統(tǒng)，本系統(tǒng)的應(yīng)用能夠提高煤礦供電系統(tǒng)保護(hù)裝置的選擇性，防止越級跳閘造成事故擴大，對于煤礦供電系統(tǒng)的安全性和可靠性具有重要意義。

參考文獻(xiàn)：

［1］王倩．煤礦供電防短路越級跳閘系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計［J］．機械管理開發(fā)，2020，35（10）：191－192．

［2］付炅．煤礦供電系統(tǒng)越級跳閘問題研究［J］．采礦技術(shù)，2020，20（4）：132－134．

［3］榮翔．煤礦供電防越級跳閘常用方案探究［J］．能源與節(jié)能，2020（5）：125－126．

［4］王勇．煤礦供電系統(tǒng)防越級跳閘保護(hù)裝置的設(shè)計與研究［J］．機械工程與自動化，2020（2）：195－197．

［5］趙麗康．淺析煤礦井下6kV供電系統(tǒng)防越級跳閘方案［J］．當(dāng)代化工研究，2019（14）：73－74．

［6］任錦華．煤礦供電系統(tǒng)防越級跳閘技術(shù)的應(yīng)用分析［J］．當(dāng)代化工研究，2019（14）：79－80．

［7］時進(jìn)．基于縱聯(lián)差動保護(hù)原理的供電系統(tǒng)防越級跳閘研究［J］．能源與節(jié)能，2019（9）：123－124．

［8］王亮亮．礦井供電防越級跳閘監(jiān)控系統(tǒng)研究［J］．機電工程技術(shù)，2019，48（9）：110－111．

［9］焦向?qū)帲旱V井下供電監(jiān)控及防越級跳閘系統(tǒng)設(shè)計［J］．水力采煤與管道運輸，2019（3）：58－59，63．

作者：張健 單位：山西春成煤礦勘察設(shè)計有限公司