煤礦井下供電防越級跳閘新技術探析

摘要：由于煤礦供電系統經常會有越級跳閘的情況出現，所以本文提出避免越級跳閘的解決方法，考慮到現在煤礦井下的施工環境以及保護控制器的現有狀況，保護控制器采用的是基于GOOSE閉鎖且具有選擇性短路保護功能。結果顯示，優化后的保護控制器確定故障點位置更快更準，這就可以根據故障點就近選擇開關跳閘，防止為此造成的大面積停電，既保證安全隱患減少，又使煤礦供電系統更加可靠和安全。

關鍵詞：越級跳閘；現狀；電路保護；技術

一、概述

作為煤礦安全生產的重要組成部分，供電系統的作用不可或缺。由于現在采煤工作面持續延伸至煤礦井下，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，供電網絡為單側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，當短路故障發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故障電流一樣，可通過設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，井下發生多級開關跳閘先后跳閘不能以設定時限級差的方式解決，這樣就會致使多級開關一起跳閘，然后發生大面積停電的現象。

二、當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

該短路保護理論較為簡單，而且目的性也比較明確，但實際效果一般。第一，眾所周知，煤礦井下環境惡劣，供電系統復雜，無法充分確保電氣閉鎖信號遠距可靠傳輸，即使是有屏蔽雙絞線差分信號傳輸方案提出，也無濟于事。第二，電氣閉鎖涉及很多電纜，而且連接也很復雜，需要通過邏輯閉鎖器來解決出進線開關間的電氣閉鎖，同時要通過供電網絡變化情況調整閉鎖邏輯，由于太過復雜，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自檢功能欠缺，如有故障，不能及時發現，維修和維護有一定的難度。綜上所述，這種方式可用性不強。

（二）光線縱差和縱聯保護

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絡進行傳送）進而分析本線路范圍有無故障發生，然后判斷是否切除本線路。光纖縱聯保護原理和光纖縱差保護大致一樣，但傳送的是邏輯信息，而非電流幅值和相位。

光纖縱差和縱聯保護最顯著的優勢就是可以令保護的選擇性和快速性得以實現。前者需要同步處理線路兩側的電流信息，這對現有的礦用保護裝置來說有一定的技術難度。另外，這兩者保護需要用到很多專用的通訊光纖，不但令供電系統網絡設計的難度增加，而且增加了成本，加之礦上的惡劣環境，光纖和電纜極易受到破壞，那么光纖縱差和縱聯保護就沒有通信信道做支撐，也就實現不了應有功能。總之，在原理上而言，光纖縱差和縱聯保護能夠把礦井供電系統的故障選擇性解決，但是考慮施工條件和成本，這種方式的實用性也欠佳。

（三）以數字化變電站技術的集中式保護

該技術主要把信息由模擬信息變為數字信息，然后建立相應的控制系統以及通信網絡。該方式需要井下保護控制單元有光纖數字通訊接口，通過光纖網絡把井下控制點電氣量信息傳輸至集中式保護控制器，在其里面完成故障位置識別以及跳閘出口的控制，然后井下保護控制單元斷開相關斷路器，這樣能夠正確識別故障，同時防止越級跳閘。

該保護方式在技術的實行上沒有問題，但是要克服多個測量控制點數據同步的技術難題，另外，該保護方式對通訊系統要求較高，而且對其依賴性也高，倘若通訊系統有問題發生，則可能使得停電范圍進一步擴大，更甚至喪失所有的保護功能。不僅如此，集中式保護控制器作為系統中樞，使得風險也較為集中。

該保護方式要實現并不容易，因為其理念和礦井高壓開關設計方式、網架結構、安裝模式還有一定的差距，所以，其實現過程仍舊會比較漫長，對解決現在的越級跳閘問題而言，條件還不成熟。

（四）以CAN網的選擇性短路保護

該保護方式原理是增加一臺保護控制器在每個輻射狀的供電保護系統中，邏輯控制器接受輻射狀供電保護系統的信號，根據上級關系，設置各級保護控制器不一樣的優先級，靠近電源越近，優先級越低，如果有故障發生，那么達到跳閘條件的各保護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優先等級來發出跳閘命令，進而把故障切除，如果有延時的情況而導致最優先的保護控制器沒有把故障切除的話，那么次優先級保護器就會解決上述問題，從而令保護的選擇性得以實現。

該方式實用性不錯，但是由于要增加額外的邏輯控制器，并且還有設置相對獨立的CAN通訊網絡，施工難度和成本都是煤礦難解決的。另外，跳閘指令的執行受到CAN通訊的影響，故障切除需要較長時間。

三、GOOSE閉鎖短路保護

（一）GOOSE特征

GOOSE傳輸模式為無連接，報文有優先級標簽，只用應用層、物理層、表示層和鏈路層，便于提高傳輸的實時性，是延時降低。其通過重發機制來解決丟失問題，以增大發送時間間隔的方式使網絡流量和可靠性關系得以平衡，同時引入相應參數（報文存活時間、重發序號、狀態變化次數序號）確保數據傳輸的可靠。另外，GOOSE報文的發送方式為多播，能夠通過發送心跳報文的形式完成異常自檢，防止鏈路異常而引發的越級跳閘。

（二）GOOSE閉鎖的短路保護原理

GOOSE閉鎖短路保護控制器系統圖如圖1所示，在現有保護功能的基礎上加入了以太網通訊接口以及GOOSE閉鎖時間定值，通過以太網通訊接口，使GOOSE閉鎖信號的處理和系統功能得以完成。

圖1 GOOSE閉鎖的選擇性短路保護系統

礦井供電系統故障示意圖如圖2所示，K4有短路故障時，1-4保護控制器都會把故障電流檢測到，一旦達到動作門檻，就會把GOOSE閉鎖報文發送，GOOSE配置完成后，1-3保護控制器會收到保護控制器4的報文信息，1-3保護控制器在閉鎖的間定值內不會動作，由保護控制器4先動作將故障切除，如果在間定值內1-3保護控制器仍舊達到動作的條件，那么則有保護控制器3將故障切除，同理，其它線路也是如此。

圖2 煤礦井下供電系統故障示意圖

（三）GOOSE閉鎖的短路保護實現

該保護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，主要通過絕緣監視保護單元、開關量單元、人機接口單元、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閉鎖短路保護。同時，經過實驗驗證得知，基于GOOSE閉鎖的短路保護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，安裝保護控制器，設置IP地質，接入監控網絡，整定短路保護電流定值，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，靠近電源端的遠近決定定值大小。此外，該保護控制器要提供GOOSE配置信息，通過配置工具和保護控制的文件，以圖形化拖拽形式完成上下級GOOSE閉鎖關系配置，然后把這些信息傳給相應的保護控制器，下傳好的配置文件會立即生效，然后發送GOOSE心跳報文。

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作者簡介：李強（1979.08—）；男，回族，籍貫：河南.太康；本科，畢業于河南農業大學生物技術專業，工程師。