礦井供電系統(tǒng)防越級跳閘技術及應用研究

郭凱明

關鍵詞：煤礦;供電系統(tǒng);防越級跳閘;技術應用

0引言

根據(jù)我國最新能源需求統(tǒng)計分析可知，煤炭資源仍然是我國經(jīng)濟社會日常能源消耗形式的主要組成部分。各個煤礦企業(yè)正在實現(xiàn)現(xiàn)代化發(fā)展，以提高煤炭資源的產(chǎn)量以滿足社會需要。在實現(xiàn)現(xiàn)代化發(fā)展的同時需要有各類先進電氣設備才能得以保證，對礦井供電系統(tǒng)的工作性能以及安全平穩(wěn)性能有了更高的要求。煤礦企業(yè)都會根據(jù)自己礦井的特點，建立起不同構架類型的供電系統(tǒng)，主要以單側多回輻射狀電網(wǎng)主結構為主要類型，該類型電網(wǎng)結構之問的變電站相對距離很近，電線阻抗較小，整體線路布置有安全開關，但當線路某處發(fā)生故障的時候無法精確地定位電路故障位置，無法區(qū)分是否在某個電路區(qū)間段內(nèi)出現(xiàn)有故障情況，因此無法進行精確的斷電動作，從而造成上級開關掉跳閘，使得大面積電網(wǎng)出現(xiàn)斷電情況。越級跳閘的情況發(fā)生會使得大面積停電，造成煤礦企業(yè)經(jīng)濟損失，此外，停電后會使得井下通風設備、監(jiān)測設備、監(jiān)控設備等停止運行，使井下作業(yè)一線人員的生命健康安全受到極大威脅。通過調(diào)研查閱各類資料，本文提出通過GOOSE通訊技術實現(xiàn)礦井供電系統(tǒng)防越級跳閘技術的實現(xiàn)并應用于現(xiàn)場，改善供電系統(tǒng)的安全性能，為煤礦行業(yè)研發(fā)新型供電系統(tǒng)防越級跳閘技術提供依據(jù)。

1供電線路故障自適應判別原理

在建立GOOSE通訊防越級跳閘技術系統(tǒng)之前，對供電系統(tǒng)的各個電路故障判別的原理進行介紹。由于供電系統(tǒng)是由電網(wǎng)組成分為很多供電級數(shù)，設計目的在于使得離故障點最近的安全開關能夠第一時問檢測到故障并進行快速故障清除。同時根據(jù)依次順序，在最近安全開關失效后，第二距離位置的安全開關也能迅速動作。根據(jù)系統(tǒng)拓普節(jié)點排列順序能夠實現(xiàn)逐級安全閉鎖功能，將故障信息通過正向傳遞給上級節(jié)點，使故障信息得到判斷并迅速對電路進行切斷，整體過程步驟如下：

（1）故障信號被檢測后，將啟動閉鎖構件，使得閉鎖信息能夠向上級傳遞;

（2）當故障信息在得到判斷后卻未能及時進行故障閉鎖，電流速斷裝置也會進行安全切斷動作;

（3）斷路器將一直判斷故障信息是否存在，斷路信息將故障閉鎖的節(jié)點信號向正向傳遞;

（4）為了避免故障閉鎖時間消耗較長，通過區(qū)域保護安全定值，能夠在規(guī)定時間內(nèi)強制清除故障信號信息，避免電流斷路器頻繁工作，降低了安全使用壽命;

（5）當線路反向節(jié)點接收到故障信號后，由電流速斷保護裝置進行閉鎖控制，此時斷路器將與電流速斷保護裝置同時快速動作。

2GOOSE通訊故障區(qū)域定位原理

2.1原理簡介

在對定位原理進行了解之前，首先建立起礦井供電系統(tǒng)故障模型，以煤礦企業(yè)常見的供電系統(tǒng)為研究對象，將礦井供電系統(tǒng)等效為集中模型，如圖1所示。

當某個線路發(fā)生故障的時候，其中線路上的接地連續(xù)電流將產(chǎn)生降壓現(xiàn)象，產(chǎn)生單相接地故障，此時的等效模型為等效連續(xù)網(wǎng)格。當線路閉合后，開關K的狀態(tài)為關閉，閉合后的開關將使得整個等效電流變化為中性點接地系統(tǒng)。

對圖1中完整線路進行簡化如圖2所示。簡化后的線路在母線上（背側）等效為電源，在故障發(fā)生后，流過健全線路的連續(xù)電流將產(chǎn)生對地電壓，使得電容電流的總量為整個等效模型電路的零序電流的總和。

2.2故障區(qū)段定位

礦井供電系統(tǒng)以單側輻射干線與支線相重疊組合的網(wǎng)格模型為主要形式，大多數(shù)電網(wǎng)都存在有較多的分支系統(tǒng)，在對故障進行定位的時候存在難度，供電系統(tǒng)節(jié)點示意圖如圖3所示。

其中，HBrk開頭的圖標為通過GOOSE通訊信息交換的中轉站，也是供電系統(tǒng)正向與反向節(jié)點之間的信息聯(lián)絡處。例如當K4點發(fā)生了電路故障之后，HBrk10、HBrk12通過信息辨識出整體線路出現(xiàn)了故障，但無法進行精準定位，同時通過正向節(jié)點發(fā)送故障判別信息使得HBrk08、HBrk11收到了反向節(jié)點的故障代碼，實現(xiàn)了電氣閉鎖，最終，由HBrk02表明供電系統(tǒng)在K4位置發(fā)生了短路故障。在系統(tǒng)實際應用中可將閉鎖時間進行延長，使得故障信息判定位置能夠更加的精確。

3系統(tǒng)設計

通過對井下供電系統(tǒng)分析以及正反向節(jié)點信息輸送原理的說明，設計出了GOOSE通訊防越級跳閘的整體硬件架構，如圖4所示。

可將整體硬件架構分為通訊模塊、電源模塊、I/，O模塊、人機交互模塊、報警模塊、看門狗模塊等。其中最為關鍵的是I/O模塊，該模塊作為故障信息傳送的模塊處理單元，采用光電隔離裝置提高抗干擾能力，并在CPU接口位置實現(xiàn)信號干擾隔離，從而達到電氣隔離的目的，為實現(xiàn)I/O模塊分閘、合閘出口、閉鎖合閘等功能，設計I/O模塊電路圖如圖5所示。

GOOSE通訊防越級跳閘系統(tǒng)采用逐級閉鎖的機制，具體實施過程如下：

（1）當發(fā)生短路故障時，保護裝置檢測到故障后，啟動閉鎖元件，并發(fā)送故障閉鎖信息至其正向結點（下稱上級保護裝置）;

（2）短路保護動作后，保護裝置要進行斷路器拒動判別，如果故障被切除故障電流消失，則保護返回并發(fā)送解除故障閉鎖信息至正向結點，如果斷路器拒動故障一直存在，則發(fā)送斷路器失靈信息至其上級保護裝置;

（3）為了防止保護被長時間閉鎖，裝置設置有“區(qū)域保護解鎖時限”定值，若故障一直存在，閉鎖時問超過該定值時強制解除閉鎖，保護裝置跳閘切除故障。

4應用效果分析

在礦井現(xiàn)場實際應用GOOSE通訊防越級跳閘系統(tǒng)，有120臺防越級跳閘保護裝置投入使用，經(jīng)過半年的試運行，共發(fā)生4次短路故障，其中越級跳閘1次，此次越級跳閘問題是由于通信問題導致的。根據(jù)現(xiàn)場的事件記錄，在發(fā)生故障的過程中，存在GOOSE通信不穩(wěn)定的情況，易引起越級跳閘。經(jīng)過檢查通信網(wǎng)絡，包括使用的通信接口、交換機設置等，消除了可能引起通信不穩(wěn)定的不良因素。

為了提高保護裝置接收GOOSE報文的可靠性，當發(fā)生短路故障時，等待下級裝置閉鎖信號的時間由10ms增加到20ms，經(jīng)試驗和現(xiàn)場驗證，GOOSE通訊防越級跳閘系統(tǒng)完全滿足礦井供電系統(tǒng)的安全使用，達到了設計研究的效果。

5結束語

礦井供電系統(tǒng)可靠性能不僅將對煤炭生產(chǎn)效率產(chǎn)生影響，還將對煤礦企業(yè)安全生產(chǎn)常態(tài)化發(fā)展有著重要的促進作用。本文根據(jù)目前礦井供電系統(tǒng)容易發(fā)生越級跳閘的現(xiàn)象，從解決問題角度出發(fā)，提出了采用GOOSE通訊原理設計出防越級跳閘系統(tǒng)，應用于工程現(xiàn)場，實際解決了礦井供電系統(tǒng)越級跳閘的問題，整體系統(tǒng)解決方案適用于礦井惡劣的作業(yè)環(huán)境，并能精確地對線路故障進行定位并實現(xiàn)斷路動作。研究成果促進了煤礦行業(yè)供電系統(tǒng)安全、可靠性發(fā)展，提高了煤炭生產(chǎn)的效率，使得礦井下各類安全防護設備平穩(wěn)運行。