煤礦井下遠傳式弧光保護系統設計

豆騰飛

（陜西中能煤田有限公司 陜西省榆林市 719000）

隨著弧光保護裝置相關國家標準、行業標準的確立，電力系統對中低壓開關柜加裝弧光保護裝置越來越重視，在地面供電系統中，中低壓母線及開關柜加裝弧光保護填補原有繼電保護空白點的應用越來越多，但在煤礦井下由于供電方式、使用環境的不同，目前尚無適合井下高壓防爆開關使用的弧光保護裝置。

1 煤礦供電現狀及其對弧光保護的要求

煤礦供電系統是整個礦山的重要組成部分，為整個煤礦的安全生產提供基礎電力供應，供電系統的安全可靠性是礦山安全穩定生產的前提。

1.1 煤礦井下輻射狀供電方式

煤礦供電系統包括地面供電系統和井下供電系統兩個部分，地面變電所有分為總降變電站和廠區變電所兩個部分。總降變電所負責向整個煤礦提供電源，一般為110kV 或35kV 變電站，采用多條10kV/6kV 出線給廠區變電所和井下變電所供電；廠區變電所一般有主運輸變電所、壓風機房變電所、風井主扇變電所、辦公樓變電所等，進線為10kV/6kV；井下供電系統一般采用多級輻射狀供電模式，分為中央變電所、采區變電所和移動變電站三個層級。煤礦井下高壓供電級數一般隨著煤炭采掘面的移動而增加，井下各級變電站之間采用電纜相連，煤礦供電系統結構圖如圖1 所示。[1][2]

1.2 弧光保護原理

弧光保護通過監測開關柜內閃弧信息電流突變信息，對開關柜內故障情況進行判斷，能夠快速切除弧光故障，降低開關柜損傷程度，避免事故擴大和人身傷害。弧光保護一般采用光學元件實現光信號的采集，采用電流互感器采集本開關柜進線電流，事故后通過切除進線開關實現母線停電，從而防止事故擴大。[3][4]

在地面電力系統中，110kV 及以上的母線一般安裝有母線保護，而在35kV 及以下電壓等級的母線無快速保護，存在保護空白點，不利于消除故障隱患。弧光保護原理清晰，判據明確，動作速度快，相對于加裝特殊電流互感器的母線保護更為經濟合算，是中低壓母線快速保護的解決良策。

1.3 井下供電對弧光保護的要求

地面電力系統變電站內一般將相同電壓等級開關柜放置在一起，出線和進線距離不遠，弧光保護裝置采集出線開關的閃弧情況、進線開關的電流信息，事故時切斷進線開關斷路器，接線較為方便。但在煤礦井下相同電壓等級的開關可能分布在不同變電站，相互間距離較遠，無法通過電纜實現斷路器跳閘信息的傳輸。[5]

由于井下瓦斯等易燃氣體的存在，井下所有開關類設備必須采用防爆外殼，防止設備損壞時產生爆炸，高壓開關柜亦是如此。防爆柜的采用導致開關屏蔽型更好，弧光信息更易采集，同時開關更為緊湊，內部空間較小。但防爆開關各腔室的隔離更強，無法通過縫隙走線。[6]

井下繼電保護種類單一，不存在元件保護，也無明確母線概念，對于開關柜內弧光故障動作時間較長，一旦發生開關柜閃弧，將產生嚴重后果，輕則燒毀開關，重則導致全礦失電。

綜上，井下防爆開關對弧光保護裝置的要求與地面不同，必須具備遠程跳閘功能，有可能發生閃弧故障的防爆開關和需要跳閘切除故障的開關處于井下不同的變電站；同時井下弧光保護裝置需具備體積小，安裝方便，走線快捷的特點。[7][8]

2 遠傳式弧光保護系統組成及工作原理

2.1 系統組成

為適應煤礦井下防爆開關柜的運行及安裝環境，遠傳式弧光保護裝置采用模塊化設計，分為主控模塊、出口模塊和顯示模塊三個部分，連接方式如圖2 所示。

主控模塊主要實現本開關弧光、電流及開關狀態信息的采集，通過DSP 的計算分析，判別開關內是否發生弧光故障；出口模塊具備本地和光纖遠方兩個控制接口，主要實現本開關分合閘的控制，本開關柜內安裝的主控模塊可通過控制模塊實現本地控制，亦可通過光纖接收遠方主控模塊的控制命令，對于出線連接多個開關柜的進線開關，可通過光纖交換機實現多對一的控制；顯示模塊用于實現開關柜信息的本地顯示，直接與主控模塊相連，有遠方控制時間發生時，雙方的顯示模塊均可查看控制記錄。

2.2 工作原理

弧光保護系統通過檢測開關柜內部發生故障時產生的電弧光來判斷是否發生故障。弧光是電弧的最明顯且變化最快的特征物理量，用作電弧光保護作為判據，具有超高速的動作性能，整套保護的動作時間可保證在幾毫秒以內。對開關柜內部故障保護來說，這種超高速動作性能是最重要的。為了避免外界人造光源干擾可能引發系統的誤跳閘出口，弧光保護系統引入過流信息作為閉鎖信號，即只有同時檢測到弧光信號及過流信號才發出跳閘指令切除故障，從而進一步提高保護系統動作的可靠性。

與地面弧光保護系統不同的時，煤礦井下供電系統沒有直接的供電母線，一般進線采用電纜，串聯多個防爆開關柜，且防爆開關對外喇叭口數量有限，口內進出線均為板開關所用，因此井下弧光保護系統單裝置無需接入過多弧光傳感器，一般每臺裝置只采集本開關柜內弧光信息，電流亦只采集本開關的進線電流，而出口則采取雙出口的配置，即弧光保護裝置監測到弧光故障時，在跳開本開關的同時亦通過光纖向遠方的進線開關出口模塊發送跳閘命令，切除進線電源，防止事故擴大。

3 系統軟硬件設計

3.1 弧光傳感器

弧光傳感器是弧光保護裝置中關鍵元器件，主要負責將光信號轉換為電信號。弧光放電的光譜特性與放電電極的材料有關，一般電力開關采用的導體材料均為金屬銅，因此防爆開關柜內的閃弧光譜特性較為固定，從300nm 的紫外光譜到700nm 的紅外光譜均有，為避免燈光等人造光源的干擾，弧光傳感器一般選擇紫外光檢測原理。

目前地面弧光保護系統中采用較多的弧光傳感器是純光學傳感器，采用光纖將傳感器與主裝置相連，但在煤礦井下防爆柜內，無法實現光纖的穿墻傳輸，因此本系統的弧光傳感器采取就地光電轉換模式，在弧光傳感器上將光信號轉換為量化的電信號，直接輸出數字信號。

3.2 弧光保護主控模塊

弧光保護裝置主控模塊實現繼電保護裝置的主要功能，主要由數字信號處理器DSP 和現場可編程陣列FPGA 構成，實現模擬量輸入的采集、開關量狀態的監測、保護綜自信息的通信傳輸、現場數據的計算判斷、故障信息的記錄等功能。弧光保護主控模塊的內部功能示意圖如圖3 所示。

3.3 出口模塊

出口模塊主要有現場可編程陣列FPGA 實現，即可與本地主控模塊接口接受本地主控的控制，也可通過光纖與遠方的主控模塊接口接受遠方控制，出口模塊的主要功能是實現開關柜的分合閘控制。出口模塊主要由FPGA 和繼電器組成，具備遠方通信的光纖接口和本地通信接口，兩個接口之間的控制邏輯采用“與”邏輯，即本地和遠方均可獨立實現繼電器出口。

3.4 顯示模塊

為方便弧光保護裝置的安裝，將礦用遠傳式弧光保護的顯示部分從主裝置上獨立出來，顯示模塊主要實現現場數據的查看、保護定值的整定、事故信息的指示燈。由于弧光保護裝置安裝于防爆殼內，操作時無法接觸到裝置本體，顯示模塊的操作通過特制紅外遙控器實現。顯示模塊主要由FPGA 和液晶顯示器組成，FPGA 實現與主控模塊的通信、紅外遙控器解碼功能。

3.5 系統配置

地面弧光保護裝置一般是按照母線來配置的，即每段母線配置一臺主控單元，實現整段母線上所有開關柜的監測和保護，但在井下弧光保護的配置按照開關柜進行，即每臺開關柜配置一臺主控裝置，每臺裝置配置至少兩個個弧光傳感器實現對防爆開關內出線腔、開關下腔的閃弧監測，電流互感器安裝于開關柜內斷路器上側，用于檢測開關進線電流。

3.6 設備安裝

弧光保護裝置在煤礦井下使用時，裝置所有模塊均安裝于開關柜的防爆殼體內，其中弧光傳感器安裝于開關柜容易產生弧光的出線腔、開關室下腔內，主控單元和顯示單元安裝于防爆柜下腔柜門上，顯示單元的顯示器正對柜門上的防爆玻璃觀察窗，出口模塊安裝于開關室內，就近連接斷路器控制線圈。

4 系統應用

榆林市榆陽中能袁大灘礦是神南中能公司的主力礦井之一，是按照“高起點、高標準、高效率、高效益”的建礦要求創建而成的“本安、智能、生態”的第四代礦井。地面35kV 變電站的10kV 出線用于下井供電，在所有10kV 母線安裝了弧光保護系統，實現了中低壓母線的快速保護；同時為解決煤礦井下防爆開關柜本體無快速保護的現狀，安裝使用了煤礦井下遠傳式弧光保護系統，實現了井下所有高壓防爆開關網絡式的弧光保護，網絡架構和跳閘邏輯清晰，出線開關故障閃弧能夠快速實現進線開關跳閘，切除故障點電源，防止設備事故擴大，便于快速恢復供電，提高井下用電的安全可靠性。

5 結語

地面電力系統的技術發展較快，而煤礦井下受運行環境和安全生產需求的影響，不能直接采用地面成熟的智能化設備。通過分體設計、網絡遠程控制等多種方法設計的煤礦井下遠傳式弧光保護系統，因地制宜的將地面供電設備引入到井下，提高了供電可靠性。