煤礦井下電氣系統饋電開關防護系統分析

中煤科工能源科技發展有限公司 曹 牧

現今我國煤礦開采作業水平逐漸實現了自動化發展，同時為進一步實現自動化水平的提升，要確保井下供電網絡的安全與穩定，但是受到井下作業環境因素的影響，各類電氣設備在運行過程中難免會對井下的供電網絡系統造成一定的電流沖擊，甚至容易發生漏電、短路等事故問題。因此可應用饋電開關進行電網的防護，實現對已發生故障的網絡進行有效隔離。

1 饋電開關及防護系統概述

饋電開關在當前煤礦井下作業低壓供電網中始終發揮著重要作用，作為主要電氣設備，能對現有電動機和電纜、變頻器等實現全面的保護，饋電開關的應用能大幅度減少煤礦井下作業過程中供電網絡的故障問題和電氣系統隱患問題，確保供電線路和供電網絡的安全暢通。煤礦井下開采作業電網系統的運行環境相對惡劣且供電點位相對較多，線路繁雜，很容易在供電過程中出現故障和安全隱患問題，針對煤礦井下饋電開關建設有針對性的防護系統能進一步保證饋電開關的作用，發揮在進行保護系統建設時可以PLC 自動化控制技術為核心、全面提高饋電開關保護系統的欠壓保護及漏電保護等多方面功能，全面提高系統的靈敏性和穩定性，避免為井下的供電網絡安全帶來更為嚴重的風險和隱患[1]。

2 煤礦井下電氣系統饋電開關防護及漏電事故分析

當前雖然我國煤礦開采的自動化水平顯著提升，但現有煤礦井下電氣系統的運行過程中，仍會發生饋電開關防護失效及漏電事故等多方面問題。出現此類事故隱患主要可分為兩方面原因：一方面體現于原有供電設備及線纜等引發防護失效及漏電事故。由于煤礦井下作業和電氣系統的運行環境相對潮濕、環境惡劣，因此線纜在長期運行下易發生裂痕，同樣也會在相對潮濕的環境中出現損壞的情況，特別是煤礦井下作業過程中各類功率相對較大，使得各類電氣設備易發生發熱問題，而此類裂痕及設備發熱的問題同樣也會進一步加速設備老化速率，直接影響電氣系統饋電開關的防護效果[2]。

另一方面，管理不當問題同樣也是導致漏電事故發生及饋電開關防護效果下降的主要問題之一，如在煤礦井下電氣作業和電氣系統運行期間忽視了強而有效的管理，沒有定期開展設備的檢修與維護、工作人員的操作和設備檢查作業等并未全面到位，也會增加漏電的風險，使饋電開關無法充分發揮其作用和價值。因此在現有煤礦井下電氣系統內全面提高饋電開關防護系統建設水平能有效規避各類漏電風險事故，提高饋電開關防護系統的安全性和穩定性[3]。

3 煤礦井下電氣系統饋電開關防護系統設計與規劃

3.1 饋電開關防護系統總體結構

在進行煤礦井下電氣系統的饋電開關防護系統設計時，首先要從總體的角度進行架構，確保整個電氣系統的網絡結構及供電安全性能全面保障。在現有饋電開關防護系統中，主要包括最主要的保護器核心模塊及電源模塊、通信模塊、電路模塊等多個環節和設備，在現有饋電開關防護系統運行和工作過程中，位于電氣系統中的電壓感應器和電源感應器會對電氣系統內部電壓及電流的運轉情況進行全面的監測，旨在對電壓與電流信號進行預處理，隨后將預處理后的數據及時傳遞給保護器核心模塊和控制中心進行信息和數據的轉換，在數據中心內部進一步實現對預處理過后的信號數字量及模擬量間的信息有效轉換，并進一步判斷當前煤礦井下電氣系統的作業情況[4]。一旦在現有電氣系統的饋電開關防護系統中出現了故障或運行失誤問題都會第一時間反饋給信號與處理器，隨后通過保護器核心模塊進一步分析和確定故障的主要類型以及具體的發生點位，隨后保護器會進一步發出保護指令，由保護器實現對現有饋電開關防護系統電路的保護和隔離，真正起到控制電路和保護系統的作用。

圖1 饋電開關防護系統總體結構設計圖

在饋電開關防護系統發揮作用期間，不論是何種類型的故障都可通過現有防護系統進行故障的記錄和處理登記，旨在不斷豐富現有饋電開關防護系統的故障庫信息，提高整個系統故障判斷的安全性和有效性。此外，相關分析結果和故障發生原因處理方案的也能及時傳輸給井下電氣系統控制中心全面顯示故障信息，同時也方便相關人員了解煤礦井下電氣系統及饋電開關防護系統的作業情況。

3.2 饋電開關防護系統硬件結構設計

受到煤礦井下環境的影響，如始終處于濕度較高、塵埃較高、存在較大水源電磁干擾的條件下，需對現有饋電開關的防護系統提出更高的建設要求，以進一步滿足煤礦井下的特殊運行環境，有效保障饋電開關防護系統的安全性。因此在硬件結構設計中，可應用嵌入式的32位處理器作為微機控制系統的主要處理核心，進一步滿足饋電開關防護系統在數據分析與處理方面的需求，此外在32位處理器的內部也可專業設置獨立數字信號轉換模塊、電源模塊、監測模塊等，此類內置轉換模塊的形式也能進一步降低原有配電開關防護系統硬件結構設計方面的復雜性和多樣性，既提高了各個模塊間的運行安全和穩定，也大大提高了個人信息數據的處理速度，有效降低系統運行過程中的能源消耗[5]。

此外，饋電開關防護系統中設置了監測傳感器及各類數據處理元件，監測傳感器的最主要目標在于對饋電開關系統及電氣系統的電壓及電流情況進行實時監測，保障整個防護系統的運行安全性。此時在供電電路方面可專門增設穩壓芯片，以進一步滿足對現有饋電開關防護系統電壓的穩定性作用。在不同的硬件端口處設置專用的數據通信接口，實現各類監測信號的穩定傳輸和傳遞功能，在原有功能的基礎上大大拓展了系統要素，實現了饋電開關防護系統的全面升級。

另一方面，煤礦井下電網不同類型的電力設備相對較多，在設備運行過程中存在更大的沖擊電流情況，因此在電氣系統供電過程中，電壓和電流的波動較大，如無法全面保障饋電開關防護系統的安全性和穩定性，則會釀成更為嚴重的風險隱患。因此可在現有防護系統硬件設計的基礎上增加穩壓芯片和穩壓電源，進一步實現穩壓的目標，同時也可對現有饋電開關防護系統進行有效降壓和濾波處理，旨在為饋電開關防護系統提供更加連續、穩定的電壓保障。

3.3 饋電開關防護系統軟件控制設計

對于煤礦井下電氣系統饋電開關防護系統設計，軟件方面的控制是整個防護系統運行的核心所在。為進一步實現全面保護和綜合功能，要在軟件控制方面實現對電氣系統及饋電開關作業防護環境的溫度采集、故障判斷及系統運行功率檢測、數據通信等多種層次的需求。在進行軟件設計時，可首先對煤礦井下電氣系統的電路進行初始化設定，全面檢測有功功率和無功功率，并對煤礦井下作業環境中與電氣系統相連的各類硬件進行狀態自檢，全方位檢測電壓和電流狀態，隨后確保各類設備及硬件運轉正常后才可逐漸轉移，進行系統的正常巡檢和監測。此種形式能進一步保障整個煤礦井下電機系統的有效運行狀態，一旦不同的環節出現故障也會在相應之處通過信號傳感器傳達出故障信號，進行故障的鎖定和分析判斷，通過現有的防護系統對故障進行有針對性的處理，進一步提高供用電網絡和電氣系統的安全性和穩定性。

例如在饋電保護系統軟件邏輯設計過程中可增加手動復位功能，避免系統運行出現無效故障，可經過人工的故障排查后進行手動復位，確?，F有饋電開關防護系統能順利運轉。通過此類保護系統的運行，煤礦井下電氣系統出現各類故障的次數大大減少，故障發生后處理時間節約近90%，特別是現有饋電開關防護系統在發生故障后能進行自我學習和故障信息的存儲，記錄故障排查相關操作，使現有開關防護系統的保護功能實現了較高水平的智能化與自動化變革，進一步提高了煤礦井下電氣系統的運行穩定性效果。

3.4 饋電開關防護系統相關保護措施

由于煤礦井下的工作和作業環境相對惡劣，周邊環境過于潮濕，存在較大的電磁干擾性，這也使得煤礦井下的電氣系統容易發生漏電事故，或導致饋電開關防護系統難以充分發揮其作用。除現有的配電開關外，各類電氣設備在運行過程中同樣也會受到煤礦井下作業環境的影響，甚至導致饋電開關防護系統頻頻出現故障，因此需采取更有針對性的保護措施進行處理，如可針對漏電時無過流及短路等方面因素進行分散式保護措施或零序電流保護措施兩種類型的強效保護。

首先，在分散式保護措施中可對各類電容設備進行有針對性的分散保護，煤礦開采環境各類電纜和電線較多，甚至會直接對現有分析系統運行效率造成影響，因此可應用分散式的保護技術確保交流電能順利通過電纜。此類分散保護技術的實施既保障了饋電開關保護系統的正常運轉，也可將現有電纜和電線作為電容器進行電氣系統的統一設計和規劃。此外，通電的線路與交流電在功能方面相一致，因此當電阻達到相應數值后電流也會反向增大，如出現此類相對臨界的問題使現有電阻始終無法有效運行，也會導致整個電氣系統存在較大的安全風險，各類設備會出現脫落、跳閘等問題，因此可進行分散保護，確保分散保護系統能實施強有力的保護，彌補現有煤礦開采環境、電容設備以及電氣系統的主要不足和隱患。

其次，零序電流保護措施往往是直接應用于低壓饋電開關，是做好漏電防護的最主要類型之一。其保護原理在于對零序電流的漏電進行保護，而不是直接增加電氣系統和電網中的三相電壓負載量，所以在進行零序電流保護時可保障流動電流的通過率不是零，因此進行零序電流保護時相對于其他類型的保護措施更多、影響范圍更大，徹底打破了以往分散保護措施的絕對因素和局限性。

不容忽視的是，應用領域對電流保護系統同樣也存在一定的影響，例如當電氣系統發生漏電問題時，現有保護技術能實現對于電氣系統電流的立即切斷，導致整個電氣系統停電，但不會直接進行跳閘，此種運行模式的最大前提在于漏電情況發生于電氣系統內部，但如果直接對整個電氣系統進行中止和停電，則同樣也會影響煤礦井下開采作業的持續運轉，對煤礦開采工作效率和工作水平造成了一定影響和制約，此外如發生停電問題也會在地下環境的陰暗影響下造成更為嚴重的風險和事故。因此在應用零序電流保護措施時往往會與其他類型的保護技術進行同步應用，確保能有效規避其局限性和負面影響，真正實現對饋電開關防護系統的有效保護。

4 結語

饋電開關防護系統的規劃與設計，對于煤礦井下電氣系統的正常運轉有重要的意義和價值。本文首先概述了饋電開關及防護系統；其次分析了煤礦井下電氣系統饋電開關防護及漏電事故；最后從饋電開關防護系統的總體結構、硬件結構及軟件控制、相關保護措施四個方面探討了饋電開關防護系統的設計與規劃，希望能進一步提高饋電保護系統的應用效率和水平。