基于光纖電流差動(dòng)保護(hù)的煤礦防越級跳閘研究

劉德勝

(山西西山煤氣化有限責(zé)任公司，山西 太原 030200)

0 引言

煤礦井下供電系統(tǒng)的運(yùn)行質(zhì)量與生產(chǎn)安全息息相關(guān)，但由于井下作業(yè)環(huán)境較為惡劣，經(jīng)常因越級跳閘問題導(dǎo)致大面積停電事故，故障點(diǎn)難于判斷，恢復(fù)供電花費(fèi)時(shí)間長，容易造成不必要的經(jīng)濟(jì)損失與人員傷亡，影響了煤炭企業(yè)的長久發(fā)展，需采取合理有效的防越級跳閘措施，保證供電系統(tǒng)安全運(yùn)行。目前，我國在該方面的研究尚處于初級階段，還存在較多問題急需解決，應(yīng)積極探索實(shí)踐，充分發(fā)揮光纖電流差動(dòng)保護(hù)技術(shù)的優(yōu)勢，避免越級跳閘，進(jìn)而為煤炭企業(yè)的穩(wěn)定發(fā)展奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

1 煤礦井下供電系統(tǒng)概述

1.1 井下供電系統(tǒng)的構(gòu)成與特點(diǎn)

供電系統(tǒng)是煤礦開采作業(yè)中不可或缺的重要部分，可為開采過程提供動(dòng)力能源，保證機(jī)械設(shè)備、照明設(shè)備等正常運(yùn)行，提高生產(chǎn)效率與經(jīng)濟(jì)效益。一般情況下，我國煤礦井下作業(yè)采用高壓供電系統(tǒng)，規(guī)格為6 kV/10 kV，主要由多個(gè)變電所、高壓電纜及供電保護(hù)設(shè)備構(gòu)成。系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)利用高壓電纜將電流輸送至工作面，經(jīng)由變電站的降壓處理后才能提供給相關(guān)設(shè)備使用。高壓供電系統(tǒng)的輸電效率較高，可降低損耗，有利于節(jié)約能源，提供生產(chǎn)效益?，F(xiàn)如今，科技水平不斷提高，采煤作業(yè)的機(jī)械化程度逐漸提升，而且隨著工作面的延伸推進(jìn)，供電網(wǎng)絡(luò)愈加復(fù)雜，如果供電量不能滿足生產(chǎn)需求便會(huì)引發(fā)越級跳閘故障，影響了井下作業(yè)的安全性與可靠性，需及時(shí)解決，以免增大安全風(fēng)險(xiǎn)。

1.2 井下供電系統(tǒng)電流保護(hù)的原則

為了避免井下供電系統(tǒng)故障導(dǎo)致嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失，進(jìn)行全面可靠的電流保護(hù)至關(guān)重要，工作人員應(yīng)具備豐富的專業(yè)知識(shí)與工作經(jīng)驗(yàn)，嚴(yán)格遵循相關(guān)原則進(jìn)行供電系統(tǒng)的電流保護(hù)。井下供電系統(tǒng)大多采用分列運(yùn)行方式，這種方式具有一定的電流保護(hù)作用，但仍需根據(jù)實(shí)際情況選擇合適的保護(hù)措施。限時(shí)情況下設(shè)置電流速斷保護(hù)方式，可對電流的一段進(jìn)行保護(hù)，如果沒有時(shí)間限制，可對電流的二段進(jìn)行保護(hù)[1]。另外，終端線路只對速斷保護(hù)以及過電流保護(hù)進(jìn)行設(shè)置，而電路進(jìn)出線則可在多種情況下實(shí)施電流保護(hù)。

1.3 煤礦井下越級跳閘原因

越級跳閘是井下供電系統(tǒng)中經(jīng)常出現(xiàn)的問題，導(dǎo)致原因主要包括以下5個(gè)方面。

電路保護(hù)時(shí)間級差配合失調(diào)：井下供電線路較短，導(dǎo)致故障發(fā)生時(shí)電流差值較小，采用上下級的保護(hù)措施極易導(dǎo)致跳閘故障。電流保護(hù)的時(shí)間級差一般為半秒，如果供電線路中的級數(shù)較多，過電流保護(hù)無法滿足時(shí)限要求，越級跳閘故障便會(huì)發(fā)生。

電流保護(hù)與動(dòng)作值不適應(yīng)：電流保護(hù)的速斷保護(hù)措施應(yīng)劃分合理范圍，促使其與電流動(dòng)作值的節(jié)點(diǎn)相適應(yīng)，但實(shí)際生產(chǎn)中很難做到這一點(diǎn)，導(dǎo)致越級跳閘問題頻發(fā)，易造成大面積停電事故。

上下級繼電保護(hù)開關(guān)裝置不配合：相關(guān)規(guī)定要求井下供電系統(tǒng)須安裝繼電保護(hù)裝置，但此裝置的短路保護(hù)時(shí)間只有200 ms，此時(shí)間內(nèi)井下的高壓防爆開關(guān)無法有效配合，線路短路后會(huì)關(guān)閉所有開關(guān)，造成越級跳閘問題。

開關(guān)保護(hù)設(shè)備質(zhì)量問題：部分企業(yè)受利益驅(qū)使選擇成本低、質(zhì)量差的開關(guān)保護(hù)設(shè)備，在生產(chǎn)過程中埋下了安全隱患。另外，不注重開關(guān)保護(hù)設(shè)備的養(yǎng)護(hù)維修，降低了煤炭開采的安全性與高效性[2]。

漏電保護(hù)裝置選擇不合理：沒有考慮真實(shí)情況，所選的裝置無法滿足生產(chǎn)要求，降低了開采效率與質(zhì)量。

1.4 防越級跳閘保護(hù)技術(shù)分析

在煤炭行業(yè)的發(fā)展中，越級跳閘問題逐漸凸顯，基于此，研究防越級跳閘保護(hù)技術(shù)十分重要?，F(xiàn)有的保護(hù)技術(shù)主要有4種，并對其作簡要論述。

分站集中控制防越級跳閘技術(shù)：當(dāng)出現(xiàn)短路故障時(shí)，相關(guān)設(shè)備會(huì)對故障問題展開檢查，并將信息反饋給分站，防止越級跳閘。但這種技術(shù)對通信系統(tǒng)的要求較高，應(yīng)用效果受到了限制。

基于通信級聯(lián)閉鎖的保護(hù)技術(shù)：利用時(shí)間級差設(shè)置控制開關(guān)，以此控制越級跳閘問題，但實(shí)施過程過于繁瑣，如果通信時(shí)間出現(xiàn)延遲，也可能導(dǎo)致跳閘問題。

保護(hù)器網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測技術(shù)：利用網(wǎng)絡(luò)技術(shù)與先進(jìn)設(shè)備組成完善的監(jiān)控系統(tǒng)，監(jiān)測線路與開關(guān)的運(yùn)行狀態(tài)，根據(jù)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行故障判斷，并制定解決措施，以免出現(xiàn)越級跳閘故障[3]。

基于光纖電流差動(dòng)的保護(hù)技術(shù)：利用信道連接每段線路兩端的綜合保護(hù)裝置，通過比較兩端的電氣量判斷故障區(qū)域，從而更好的進(jìn)行保護(hù)處理。此種方式效果明顯，目前已經(jīng)廣泛應(yīng)用于煤炭行業(yè)。

2 光纖電流差動(dòng)保護(hù)技術(shù)

2.1 光纖電流差動(dòng)保護(hù)原理

目前，光纖電流差動(dòng)已經(jīng)成為煤礦防越級跳閘研究的熱點(diǎn)之一。光纖電流差動(dòng)保護(hù)技術(shù)以基爾霍夫電流定律為基礎(chǔ)，同時(shí)結(jié)合其他電學(xué)定律，能快速、靈敏地判斷供電線路中的故障問題，及時(shí)采取解決措施，防止跳閘故障出現(xiàn)。光纖通信技術(shù)的應(yīng)用，可快速準(zhǔn)確地傳遞供電線路各處的電流量及其他信息，在計(jì)算機(jī)技術(shù)與相關(guān)軟件的輔助下進(jìn)行數(shù)據(jù)處理與對比，確定內(nèi)外部故障類型后判斷是否切斷本線路，以此降低越級跳閘風(fēng)險(xiǎn)，保護(hù)井下供電系統(tǒng)正常運(yùn)行[4]。

2.2 光纖電流差動(dòng)保護(hù)系統(tǒng)的組成

基于光纖電流差動(dòng)的煤礦越級跳閘保護(hù)措施是保證井下安全作業(yè)的關(guān)鍵，需加大研究力度，全面優(yōu)化該保護(hù)系統(tǒng)的作用與功效。該系統(tǒng)應(yīng)用了大量先進(jìn)的現(xiàn)代化信息技術(shù)，包括數(shù)字化變電站技術(shù)、通信技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)等具有多種功能，數(shù)字化、智能化與自動(dòng)化程度大幅度提升，可實(shí)現(xiàn)信息分享、常規(guī)保護(hù)、信號(hào)采集、數(shù)據(jù)傳輸?shù)榷喾N功能，有利于推動(dòng)煤炭行業(yè)快速穩(wěn)定發(fā)展。光纖電流差動(dòng)保護(hù)系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，主要包括核心芯片、監(jiān)控主機(jī)、集成保護(hù)測控裝置、防爆服務(wù)器、交換服務(wù)器等。其中，核心芯片采用雙CPU結(jié)構(gòu)，可提供雙重保險(xiǎn)，減輕了系統(tǒng)運(yùn)行負(fù)擔(dān)，芯片故障時(shí)不影響系統(tǒng)正常運(yùn)行。保護(hù)裝置的動(dòng)作精度較高，降低了誤動(dòng)或拒動(dòng)問題的出現(xiàn)概率，可有效防止越級跳閘問題[5]。

2.3 光纖電流差動(dòng)保護(hù)技術(shù)的特點(diǎn)

集中采樣判斷：光纖電流差動(dòng)保護(hù)技術(shù)不影響井下供電系統(tǒng)的正常運(yùn)行，可集中收集數(shù)據(jù)與判斷，工作效率高，一定程度上提高了采煤效率。而且該系統(tǒng)施工簡便，易于維護(hù)，操作方式簡單易懂。

同步收集數(shù)據(jù)，光纖網(wǎng)絡(luò)的傳輸速度快：在GPS設(shè)備的輔助下能實(shí)現(xiàn)越級調(diào)整裝置相關(guān)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)共享，可做到及時(shí)發(fā)現(xiàn)問題及時(shí)處理，降低越級跳閘故障帶來的消極影響。另外，此種保護(hù)技術(shù)的靈敏度較高，安全可靠，不影響其他線路的穩(wěn)定運(yùn)行。

運(yùn)行速度快：光纖電流差動(dòng)保護(hù)技術(shù)采用集中保護(hù)裝置，運(yùn)算速度大大提高，可避免通訊延遲。

2.4 防越級跳閘保護(hù)系統(tǒng)時(shí)鐘同步方案

在防越級跳閘保護(hù)系統(tǒng)時(shí)鐘同步方案中，工作人員應(yīng)明確光纖電流差動(dòng)的保護(hù)原理，嚴(yán)格按照時(shí)鐘同步原則采取保護(hù)措施。時(shí)鐘同步系統(tǒng)對精度要求較高，應(yīng)簡化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，建立完善的同步模型，在此基礎(chǔ)上直接通過網(wǎng)絡(luò)對時(shí)獲取時(shí)間。除此之外，還應(yīng)安裝GPS授時(shí)裝置，利用其穩(wěn)定、精準(zhǔn)的優(yōu)勢降低時(shí)間誤差，進(jìn)而降低越級跳閘風(fēng)險(xiǎn)。建立健全同步對時(shí)系統(tǒng)時(shí)，應(yīng)安裝兩個(gè)符合行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的IEEE 1588主時(shí)鐘，此裝置能滿足越級跳閘保護(hù)系統(tǒng)的數(shù)字化要求，應(yīng)用效果良好。

2.5 同步對時(shí)系統(tǒng)誤差分析

同步對時(shí)系統(tǒng)誤差對越級跳閘保護(hù)裝置的影響較大，需進(jìn)行合理的誤差分析，從而從源頭上加以控制。首先是振蕩器頻率誤差，溫度是導(dǎo)致該項(xiàng)誤差的主要原因，溫度每上升1 ℃，就會(huì)引起2 μμ誤差，可采取相應(yīng)的補(bǔ)償技術(shù)或同步隔離措施加以控制。其次是網(wǎng)絡(luò)延時(shí)誤差，修正網(wǎng)絡(luò)延時(shí)是保證同步對時(shí)系統(tǒng)安全運(yùn)行的重要手段。網(wǎng)絡(luò)延時(shí)大致可分為3類，分別是傳輸路徑延遲、網(wǎng)絡(luò)交換設(shè)備延遲及棧內(nèi)滯留時(shí)間延遲，工作人員需熟練掌握每類網(wǎng)絡(luò)延時(shí)的產(chǎn)生原因，從而有針對性地采取解決措施，盡量修正此項(xiàng)誤差，進(jìn)而保證煤礦越級跳閘保護(hù)系統(tǒng)良好運(yùn)行。

3 結(jié)語

近年來，煤炭行業(yè)的發(fā)展形勢越來越嚴(yán)峻，企業(yè)要想在激烈的市場競爭中占據(jù)有利地位就需保證供電系統(tǒng)正常運(yùn)行，為開采作業(yè)提供足夠電力。越級跳閘問題嚴(yán)重妨礙了井下作業(yè)的順利進(jìn)行，工作人員需了解供電系統(tǒng)的組成與電流保護(hù)原則，結(jié)合光纖電流差動(dòng)保護(hù)技術(shù)制定合理的防越級跳閘方案，以此提高整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行質(zhì)量與效率，從而為煤礦企業(yè)的長久發(fā)展注入源源不斷的動(dòng)力。