煤礦供電系統的防越級跳閘保護系統的設計

邢西鋒

（國能神東煤炭集團生產服務中心，內蒙古鄂爾多斯 017209）

0.引言

煤礦供電系統在整個煤礦開采過程中具有重要作用，是整個煤礦運營的主要能源。特別在信息化時代背景下，煤礦井下受到巷道延伸長度限制，經常在相同水平面上設置各種多級供電所，讓每級變電所線路分級呈現逐漸增加趨勢，導致線路長度不斷降低，給供電電纜線路阻抗能力帶來不同程度的影響。從目前煤礦供電系統實際情況來看，一旦其出現短路故障時，不同線路的短路電流沒有明顯變化，繼電器保護裝置無法準確判斷短路故障點，無形中提高保護整定難度系數，造成線路出現越級跳閘、開關誤動作等問題，甚至會進一步拓展井下的停電范圍，給煤礦生產安全性、開采效率帶來嚴重影響，甚至出現嚴重的煤礦安全事故。因此，本文針對煤礦供電系統出現的短路故障問題，如越級跳閘現象、開關誤動作等，設計出多樣化防越級跳閘保護裝置，探究保護裝置日常運行原理，制定出保護裝置的硬件框圖和控制器主程序流程框圖，并進行開關量輸入單元、微控制器選型、CAN 總線通信單元、線路電參數采集單元等環節的設計工作，從而規范保護裝置的程序設計方法[1]。

1.誘發煤礦供電系統出現越級跳閘的主要因素

1.1 短路保護整定難度提升

由于井下煤礦供電系統具有較強的復雜性，在線路零秒速斷線路中并未設置保護區域，一旦出現線路故障，相關的開關無法準確掌握線路電路出現的變化，導致開關零秒速斷保護器出現大量跳閘現象，無形中給越級跳閘創造有利條件。主變事故跳閘會對供電的性能產生非常巨大的影響，甚至會導致對外限電的現象，為了能夠有效控制變壓器，對調度做出以下規定，在變壓器保護動作跳閘時，在沒有完全弄清楚原因的前提下，不能對其進行送電。在正常情況下，井下供電系統過流保護整體存在較強困難，只要產生短路故障，就立刻會出現越級跳閘問題，且煤礦井下多次產生防爆開關抖動，也是引起供電系統出現越級跳閘的主要原因。

1.2 光線縱差保護的效果有待提升

在信息化時代背景下，井下供電系統保護方面以保護光線縱差為主，這種方式雖然能有效避免出現越級跳閘問題，但由于該線路系統涉及多樣化線路，一旦出現問題，需要工作人員花費大量時間和精力進行處理，無形中給相關企業經濟效益造成不同程度的影響。差動保護是變壓器的主要保護措施，在實施過程中一定要保證其可靠性和速動性要求，差動保護具有結構復雜、接線麻煩等特征，一旦檢修不及時會留下嚴重的安全隱患，再加上光纖縱差保護存在兩端線路理論，對解決三端線路問題帶來嚴重阻礙。

1.3 失壓保護整定難度系數較高

在出現開關拒動問題時，很多煤礦井下保護線路會陷入失壓保護狀態，給各環節開關帶來嚴重的延時問題，從而影響到失壓保護裝置的穩定性。同時，部分失壓保護器脫扣值準確度較低，也會給失壓保護穩定性造成影響，一旦短路故障位置和母線距離較近，很可能誘發母線出現失壓問題，導致開關保護系統出現越級跳閘問題。

2.防越級跳閘保護裝置保護原理分析

整個保護系統主要包括各種防越級跳閘保護裝置、供電系統、CAN 總線通信系統、上位機監控平臺。在日常供電系統設計過程中，由于設計者對重要因素重視度不足，未針對實際情況制定供電系統故障維修方案。因此，在設計煤礦系統日常使用過程中，要嚴格遵循行業設計標準，讓煤礦用電和其他用電系統保持獨立狀態，無法共同使用同一電源，并將動力用電設備和單相用電設備進行分開使用電纜，確保電力在傳輸過程中不會進行相互影響。同時，煤礦的照明設備要采用特有的供電系統，對那些要求較低、規模較小的系統，工作人員可利用ATS 切換系統來控制系統日常工作，提高工作效率；面對負荷電流量大的系統，可使用開關柜倒閘系統，避免系統受到雷電因素影響，提高系統運行通暢性。另外，供電系統中設計配電主要是將經濟安全性作為主要核心，通過利用多樣化方式來加強產品質量，具體考慮電力負荷、未來所增加的負荷。本文根據系統實際情況來設計CAN 總線通信方案，將時限速斷保護理念應用其中，在采區變電站、地面變電站、移動變電站等線路中安裝防越級跳閘保護裝置，從而實現不同線路防越級跳閘裝置進行相互連接，當供電網絡某條線路存在短路故障時，會同步向各節點輸送大量故障數據，系統以此為基礎來進行故障判斷，決定是否采用故障操作和保護措施，再通過CAN 總線和上位機監控平臺進行雙向通信，有利于工作人員遠程監督供電系統[2]。

3.保護裝置硬件方案設計

3.1 防越級跳閘保護裝置硬件

防越級跳閘保護裝置主要包括CAN 總線通信單元、開關量輸入輸出單元、液晶顯示單元、微控制器等。微控制器是保護裝置的重要部分，主要負責處理現場數據、故障信息，讓工作人員利用上位機控制平臺來控制指標，實現與各種保護裝置進行信息交互，合理控制每個保護裝置的實際情況；線路電參數采集單元的主要功能是統計故障線路實際數據，并將其傳輸到微控制器中，通過利用控制器中的電流信號來分析隱藏的問題，有利于系統計算電壓和電流信號；開關量輸出單元是通過接收微控制器來控制指令內容，避免線路斷路器日常工作給系統運行效率帶來嚴重影響。

3.2 微控制器選型

在日常工作中，工作人員可利用微控制器來分析線路電信號，從而掌握實時數據能力和快速處理能力，進一步滿足保護裝置的日常要求。因此，在選擇微控制器類型中，工作人員可采用TMS320F2812 芯片，其具有功能多樣化、性能優良、性價比高等特征，是DSP 最常用的產品。同時，該芯片內部設置優化版eCAN 模塊，能完全兼容CAN2.0B 協議，不能添加CAN 控制器，能有效提高保護裝置效率。另外，該芯片擁有較強的運算精度和系統處理能力，有利于保護措施和算法的實施[3]。

3.3 線路電參數采集單元設計

線路電參數采集單元是通過專業工具來收集線路基本信號，如電壓信號、電流信號等，經過互感器進行優化后，再通過A/D 轉換電路、信號調理電路等環節，轉變成DSP 可處理數字信號。兩級反向比例放大器用來控制放大倍數，為避免高次諧波給放大系數帶來嚴重影響，工作人員要在放大器間設置低通濾波電路，防止瞬態電壓過高，給保護裝置性能帶來嚴重威脅，并且要提前在輸出端安裝雙向瞬態電壓抑制器。針對電流信號，工作人員對于相同型號的信號調理電路，可通過安裝電壓電流轉換電路，就能將電流信號轉換為電壓信號，從實現信號轉換功能；針對A/D 轉換電路，可采用MAXIM 公司生產的MAX125 轉換芯片作為保護裝置，該芯片具有轉換精度高、轉速快等特征，對提高保護裝置性能發揮重要作用。

3.4 CAN 總線通信電路設計

CAN 總線通信電路主要應用在保護裝置通信機制日常運行，因TMS320F2812 內部有eCAN 控制器，工作人員只要在外部連接CAN 總線驅動器，就能實現通信電路信息共享功能。本保護裝置選擇SN65HVD230 收發器，該收發器具有通信速度快、抗干擾性強、可靠性高等特征，在DSP 和CAN 總線收發器間設置隔離器，從而提高通信系統的抗干擾能力。但值得注意的是，在供電系統安全裝前，工作人員要利用專用設備來檢測兩路市電交流地阻和安全保護地阻量是否能滿足行業要求。在空載調試方面，其要提前調整好不同時間的繼電器延時時間，再調整系統動作，在確定這兩個方面準確后連接負載。在負荷通電前，要從不同方面檢測供電系統插座連線、接線排是否滿足國家標準。在確定應急空調遙控器安裝位置正確后，當主線路停電再來電后，要在第一時間正確遙控器具體工作狀態[4]。

3.5 供電電源系統設置

供電供電系統設計是作為煤礦低壓設備設計的重要環節，主要分為集中供電和分區供電兩種方式，需要利用何種方式進行供電主要和煤礦布局有直接聯系。同時，不間斷電源供電系統輸入開關是將低壓斷路器作為主體，在日常運行時將漏電保護設備安裝到電流輸入環節，從而避免配電房出現嚴重的安全事故，且禁止不間斷電源供電電源連接脫零線，避免其出現管理人員傷亡，工作人員要嚴格遵循國家標準來安裝接地設備，確保接地阻值能符合國家要求，能有效降低設備損壞問題。另外，在不間斷電源供電電源選擇方面禁止選擇同一電池型號，要根據煤礦空間、經濟效益、使用時間等要素要做出合理選擇，從而加強電池的安全性和穩定性，避免出現劣質電池給設備供電時間帶來嚴重影響。在信息化時代背景下，我國具有各種電網質量問題，如浪涌、電壓波動、斷電、電壓跌落等方面的問題，這些問題很容易給計算機設備帶來嚴重影響，如信息丟失、敏感元件損壞、磁盤程序被沖洗等問題。根據有關人員統計發現，我國計算機故障中有一半左右的問題是由于電源所產生。為確保煤礦采礦能根據要求進行運行，工作人員要在監控房內安裝不間斷電源，不僅能保證監控室電源正常運行，還能給控制系統提供穩定電力保護[5]。

3.6 開關量輸入單元設計

開關量輸入單元是用來檢測現場線路斷路器開關的實際情況，通過開關量信號來連接斷路器常閉接點和輔助常開接點。其中斷路器狀態信號是通過二進制數字變化形式來進行數據傳輸工作，并將數據詳細顯示在上位機監控平臺上，有利于工作人員掌握日常工作狀態[6]。

4.軟件設計

本文選擇TMS320F2812 微控制器，程序編寫以C 語言為主。在編寫時，要根據不同模塊所實現的功能選擇模塊化設計理念，是由不同功能子程序、主程序組成，所有工作通過主程序進行統一控制。煤礦井下受到巷道延伸長度限制，會在同一方向上安裝多級供電所，且每級變電所線路分級不斷增加，給線路長度帶來嚴重影響，加上供電電纜線路阻抗能力較低。當供電系統線路出現短路故障時，不同線路間的短路電流在數值上并未出現明顯區別，導致各級原有繼電器保護裝置無法用短路電流數據來判斷短路故障點，無形中提高保護整定難度系數，造成線路出現越級跳閘、開關誤動作等問題。為提升工作人員人身安全，確保設備功能和信號功能滿足日常要求，工作人員通常會將控制系統和接地系統相連接。同時，接地系統面對各種接地電阻時要滿足下面條件：第一，煤礦開采工程工藝接地電阻要低于1；第二，直流地電阻要根據不同系統要求來確定，工作人員要將交流工作和直流工作作為一個整體；第三，交流工作和安全保護地的接地電阻都要低于4[7]。

5.上位機設計

上位機采用選擇金景集團開發的軟件，該軟件系統通過密碼登錄，給不同部門工作人員設置不同操作權限。監控側重點集中在地下各監控點環節，如電力、電壓、電流等方面的運行數據、保護設備交付狀態、斷路器狀態等，且在供電設備出現問題時能及時確定其故障位置，采用合理的解決方式進行處理。同時，在停電期間，可利用軟件中的實時曲線來控制數量變量，有利于工作人員實時觀察數據變動幅度，對供電裝置運行做出最科學的判斷。而數據庫規劃和實際參數有直接聯系，有利于工作人員進行后期查詢，提高日常工作效率。

6.結語

本文通過分析煤礦供電系統越級跳閘現象出現的具體原因，來發現供電線路保護裝置參數中隱藏的問題，如動作靈敏度低、整定難度大等問題。針對上述這些問題，工作人員要合理利用DSP 控制技術、CAN 總線通信技術等來設計完善的防越級跳閘保護裝置，確保不同級別保護裝置在出現短路問題時實現相互通信，將故障信息數據共享，避免出現越級跳閘問題。