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(hù)控制器的現(xiàn)有狀況，保護(hù)控制器采用的是基于GOOSE閉鎖且具有選擇性短路保護(hù)功能。結(jié)果顯示，優(yōu)化后的保護(hù)控制器確定故障點位置更快更準(zhǔn)，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(hù)；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(dāng)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(dāng)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(hù)

該短路保護(hù)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(fù)雜，無法充分確保電氣閉鎖信號遠(yuǎn)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(jì)于事。第二，電氣閉鎖涉及很多電纜，而且連接也很復(fù)雜，需要通過邏輯閉鎖器來解決出進(jìn)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(fù)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(hù)自檢功能欠缺，如有故障，不能及時發(fā)現(xiàn)，維修和維護(hù)有一定的難度。綜上所述，這種方式可用性不強(qiáng)。

（二）光線縱差和縱聯(lián)保護(hù)

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(jìn)行傳送）進(jìn)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(hù)原理和光纖縱差保護(hù)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(hù)最顯著的優(yōu)勢就是可以令保護(hù)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(hù)裝置來說有一定的技術(shù)難度。另外，這兩者保護(hù)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(hù)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(hù)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(hù)

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(hù)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(hù)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(hù)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(hù)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(hù)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(jìn)一步擴(kuò)大，更甚至喪失所有的保護(hù)功能。不僅如此，集中式保護(hù)控制器作為系統(tǒng)中樞，使得風(fēng)險也較為集中。

該保護(hù)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(hù)

該保護(hù)方式原理是增加一臺保護(hù)控制器在每個輻射狀的供電保護(hù)系統(tǒng)中，邏輯控制器接受輻射狀供電保護(hù)系統(tǒng)的信號，根據(jù)上級關(guān)系，設(shè)置各級保護(hù)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(dá)到跳閘條件的各保護(hù)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(jìn)而把故障切除，如果有延時的情況而導(dǎo)致最優(yōu)先的保護(hù)控制器沒有把故障切除的話，那么次優(yōu)先級保護(hù)器就會解決上述問題，從而令保護(hù)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(hù)

（一）GOOSE特征

GOOSE傳輸模式為無連接，報文有優(yōu)先級標(biāo)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(jī)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)目煽俊Ａ硗猓珿OOSE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(hù)原理

GOOSE閉鎖短路保護(hù)控制器系統(tǒng)圖如圖1所示，在現(xiàn)有保護(hù)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(hù)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(hù)控制器都會把故障電流檢測到，一旦達(dá)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(hù)控制器會收到保護(hù)控制器4的報文信息，1-3保護(hù)控制器在閉鎖的間定值內(nèi)不會動作，由保護(hù)控制器4先動作將故障切除，如果在間定值內(nèi)1-3保護(hù)控制器仍舊達(dá)到動作的條件，那么則有保護(hù)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(hù)實現(xiàn)

該保護(hù)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(hù)單元、開關(guān)量單元、人機(jī)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(hù)。同時，經(jīng)過實驗驗證得知，基于GOOSE閉鎖的短路保護(hù)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(hù)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(hù)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(yuǎn)近決定定值大小。此外，該保護(hù)控制器要提供GOOSE配置信息，通過配置工具和保護(hù)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(hù)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(xiàn)：

[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(qiáng)（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(xué)生物技術(shù)專業(yè)，工程師。