煤礦供電系統防越級跳閘技術研究

張 健

(山西春成煤礦勘察設計有限公司，山西 太原 030000)

0 引言

在煤礦供電網絡中，饋電開關可能由于某些情況誤動作跳開，分饋電開關動作跳開可能造成某工作面范圍所有用電設備停用，影響煤炭生產，如果出現越級跳閘將導致停電范圍擴大，引發電氣設備損壞甚至人員傷亡事故。煤礦井下防越級跳閘技術一直是國內外技術人員研究的熱點，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。隨著相關技術的發展，有專家提出一種基于縱聯差動保護原理的防越級跳閘方案，目前光纖縱差保護是地面電網應用廣泛的線路保護技術，但其應用于礦井供電網絡時存在保護區域單一、成本高的問題。本文針對防越級跳閘技術中的通信問題，設計了一種專用的通信控制器，實現了基于廣域測量技術的現場智能設備越級跳閘的速斷保護。

1 煤礦供電網絡及越級跳閘分析

1.1 煤礦供電網絡

某煤礦井下供電網絡接線圖如圖1(a)所示，礦井供電系統采用10 kV電壓等級，中性點不接地方式運行，地面35 kV變電站的101母線和102母線分別引出，經高壓電纜穿過井筒作為井下中央變電所進線電源，井下中央變電所也是分段結構，分別向2個采區變電所供電，然后出線至工作面負荷。按照不同等級變電所簡化網絡，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，即在本線路范圍內如果發生短路故障，則希望離短路點最近的開關保護動作跳閘，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保護裝置來說是無法區分的，因此K4點短路故障發生時就會出現跳201而非跳301的越級跳閘現象。

圖1 煤礦井下供電網絡接線圖及簡化示意圖

1.2 越級跳閘的原因

煤礦供電環境相比地面惡劣，空氣潮濕，地質情況多變，因此供電電纜容易發生絕緣損壞造成短路，當短路點接近開關兩側時就會發生越級跳閘。總體而言，越級跳閘的原因是由電網的特性和結構決定的，短路電流越大、供電線路越長，在保護方案不完善的情況下越容易發生越級跳閘，井下電網的運行方式千差萬別，為了滿足靈敏度要求，保護整定值會比正常線路選取更低，速斷保護無法體現選擇性時就出現了越級跳閘。

2 防越級跳閘系統總體設計

煤礦智能變電站的結構分為三層：上層為設備控制、數據通信和人機交互的站控層；中間層為現場設備連接和數據監控的間隔層；底層為與一次設備連接、數據采集和保護的過程層。本系統設計了智能光纖保護裝置和智能光纖保護服務器，智能保護裝置采用分布式安裝在井下各供電支路，實時采集數據并發送給合并單元，進而通過光纖網絡發送給上一級智能保護裝置，光纖服務器的作用是對光纖信號進行接收、匯總和上傳。

2.1 智能光纖保護裝置PA61

智能光纖保護裝置PA61采用了三核心硬件架構：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采集的電流電壓數據信號、數字量輸出模塊、RS485通信模塊采用DSP控制器；數字量輸入模塊和光纖傳輸模塊采用FPGA控制器。防越級跳閘保護裝置PA61總體設計原理如圖2所示。

圖2 防越級跳閘保護裝置PA61總體設計原理圖

2.2 智能光纖服務器SU20

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

圖3 智能光纖服務器SU20硬件設計原理圖

3 礦井變電所設備組網保護

3.1 組網方案

整套防越級保護系統由智能光纖保護裝置PA61和智能光纖服務器SU20組成光纖信號閉鎖系統，應用時需要按照上下級系統或多級系統的要求進行組網。如果是上下級系統，只需在饋線開關和進線開關處分別裝設一臺PA61，由下級線路保護向上級線路保護發送光纖閉鎖信號，實現防越級跳閘功能，上下級防越級跳閘組網方案如圖4所示。如果是多進線、多分段的供電方式可變的多級系統，需要在所有饋線開關配置PA61，在所有進線開關、母線和分段開關配置SU20，形成多點集中、閉鎖信號統一發送的防越級跳閘組網方式，如圖5所示。

圖4 上下級防越級跳閘組網方案

圖5 多輸入防越級跳閘組網方案

3.2 不同供電系統組網案例

井下各變電所組網情況根據各自接線方式的不同分別設計，主要有煤機頭變電所、煤盤區變電所和機頭變電所。

3.2.1 煤機頭變電所組網方案

圖6為煤機頭變電所組網方案。如圖6所示，1#進線柜內，PA61的光口接收來自SU20(1)的閉鎖信號；15#進線柜內，PA61的光口接收來自SU20(2)的閉鎖信號；9#分段柜內，PA61有兩對接收和發送光口，分別對應SU20(1)和SU20(2)的發送光口；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PA61向上級饋電線路發送閉鎖信號；除此以外，5#柜、13#柜內PA61裝置還要分別接收下級線路的光纖閉鎖信號。

圖6 煤機頭變電所組網方案示意圖

3.2.2 煤盤區變電所組網方案

圖7為煤盤區變電所組網方案。圖7中，煤盤區變電所共有兩條進線1#柜、20#柜，一個分段11#柜，17條饋線，其中14條運行。PA61配置：每個開關柜上配置一臺PA61，共計17臺PA61；SU20配置：分段兩側母線上都配置2臺SU20，共計4臺SU20。

圖7 煤盤區變電所組網方案示意圖

3.2.3 機頭變電所組網方案

圖8為機頭變電所組網方案。圖8中，該變電所共有兩條進線，分別是1#柜、18#柜，一個分段11#柜，10條饋線。每個開關柜上配置一臺PA61，共計13臺PA61；因Ⅰ段母線上接的饋線數量和分段數量的總數超過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。

圖8 機頭變電所組網方案示意圖

4 軟件設計

本系統的軟件設計采用模塊化設計語言，分別設計了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出子程序、速斷保護子程序、SU20服務器主程序。圖 9 為SU20服務器主程序流程圖。

圖9 SU20服務器主程序流程圖

5 結束語

針對煤礦井下變電所數量多，組成的多級供電網絡保護整定困難，饋電開關的保護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裝置PA61和智能光纖服務器SU20的防越級微機集成保護系統，本系統的應用能夠提高煤礦供電系統保護裝置的選擇性，防止越級跳閘造成事故擴大，對于煤礦供電系統的安全性和可靠性具有重要意義。