礦井供電智能監(jiān)測(cè)體系的應(yīng)用研究

葛 強(qiáng)

（陽(yáng)煤集團(tuán)機(jī)電設(shè)備管理中心，山西 陽(yáng)泉045200）

隨著煤礦井下綜采作業(yè)自動(dòng)化水平的不斷提升，綜采作業(yè)過程中對(duì)供電系統(tǒng)的供電穩(wěn)定性和供電安全性提出了更高的要求，特別是在井下瓦斯、粉塵環(huán)境中，一旦供電系統(tǒng)出現(xiàn)短路明火，將會(huì)導(dǎo)致井下瓦斯和粉塵爆炸事故，給煤礦井下的綜采作業(yè)安全造成嚴(yán)重的影響[1]，因此提升礦井供電系統(tǒng)的供電穩(wěn)定性和可靠性，實(shí)現(xiàn)對(duì)供電系統(tǒng)供電穩(wěn)定性的全面監(jiān)測(cè)對(duì)提升礦井供電穩(wěn)定性具有十分重要的意義。由于井下地質(zhì)環(huán)境復(fù)雜，各類供電設(shè)備分布廣、設(shè)備線路交錯(cuò)，一旦出現(xiàn)故障需要由人工逐級(jí)對(duì)故障原因進(jìn)行排查，效率極低，因此要求礦井供電監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在滿足監(jiān)控需求的情況下，需要能夠及時(shí)定位電路故障位置及故障原因，便于及時(shí)排除故障，將對(duì)井下供電安全的影響降到最小。本文提出了一種煤礦井下供電智能監(jiān)測(cè)體系，能夠?qū)ΦV井供電系統(tǒng)的供電穩(wěn)定性進(jìn)行智能監(jiān)測(cè)和調(diào)整，其采用了零時(shí)限電流保護(hù)、基于通信級(jí)聯(lián)閉鎖保護(hù)等全新的故障保護(hù)措施，不僅能夠有效的防止故障發(fā)生，而且能夠及時(shí)對(duì)故障進(jìn)行隔離，將對(duì)供電系統(tǒng)的影響限制在最小的區(qū)域內(nèi)，有效地防止了供電系統(tǒng)的短路、漏電和越級(jí)跳閘異常，極大地提升了煤礦井下供電系統(tǒng)的供電安全性和穩(wěn)定性，具有較大的應(yīng)用推廣價(jià)值。

1 礦井供電智能監(jiān)測(cè)體系結(jié)構(gòu)

在構(gòu)建煤礦井下供電智能監(jiān)測(cè)體系時(shí)，在充分掌握井下供電網(wǎng)絡(luò)現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，結(jié)合煤礦安全生產(chǎn)的特點(diǎn)，提出了一套以煤礦井下以太網(wǎng)為數(shù)據(jù)傳輸核心的礦井供電智能監(jiān)測(cè)體系，該體系主要包括了地面監(jiān)控中心、井下供電安全監(jiān)測(cè)分站以及供電安全保護(hù)裝置三個(gè)部分。為了提升監(jiān)測(cè)控制的可靠性，在井下一個(gè)變電所處設(shè)置一個(gè)供電安全監(jiān)測(cè)分站，用于對(duì)該變電所負(fù)責(zé)區(qū)域內(nèi)的局域網(wǎng)絡(luò)的供電狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控，同時(shí)將監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行初步分析、發(fā)送和存儲(chǔ)。為了確保在井下復(fù)雜電磁環(huán)境下的數(shù)據(jù)傳輸?shù)木_性，采用了工業(yè)以太網(wǎng)傳輸系統(tǒng)，各個(gè)設(shè)備和監(jiān)測(cè)分站的數(shù)據(jù)通信通過RS485通信協(xié)議進(jìn)行，監(jiān)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸流程如圖1所示[2]。

圖1 微機(jī)保護(hù)系統(tǒng)的過負(fù)荷保護(hù)電路原理示意圖

2 供電安全保護(hù)系統(tǒng)

在該礦井供電智能監(jiān)測(cè)體系中，對(duì)供電網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)是最基礎(chǔ)的要求，最重要的是在發(fā)生事故后能夠第一時(shí)間對(duì)故障進(jìn)行有效隔離，將故障控制在最小范圍內(nèi)，以確保井下綜采作業(yè)的安全、有序進(jìn)行，該供電智能監(jiān)測(cè)體系中采用了基于通信級(jí)聯(lián)閉鎖保護(hù)及零時(shí)限電流綜合保護(hù)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)供電系統(tǒng)供電安全的有效保障。

基于通信級(jí)聯(lián)閉鎖保護(hù)主要是指在供電系統(tǒng)中合理的設(shè)置各個(gè)層級(jí)的控制開關(guān)，形成上下游的時(shí)間極差控制來實(shí)現(xiàn)對(duì)區(qū)域內(nèi)供電線路的安全保護(hù)。當(dāng)系統(tǒng)中某個(gè)位置發(fā)生異常后，就會(huì)向上下級(jí)發(fā)出異常信號(hào)，各個(gè)保護(hù)裝置在接收到異常信號(hào)后會(huì)對(duì)接收到信號(hào)的時(shí)間極差進(jìn)行分析，假設(shè)兩個(gè)保護(hù)裝置接收到異常實(shí)際時(shí)間超過了設(shè)置的時(shí)間極差，則首先判斷該級(jí)電路出現(xiàn)了故障，如果極差時(shí)間同時(shí)超過了系統(tǒng)開關(guān)閉鎖保護(hù)時(shí)間則立即對(duì)區(qū)域進(jìn)行跳閘保護(hù)防止事故的進(jìn)一步擴(kuò)大，其控制原理如圖2所示，圖中QF1-QF5表示序號(hào)為1-5的控制開關(guān)[3]。

圖2 基于通信級(jí)聯(lián)閉鎖保護(hù)原理

由圖2可知，假如線路內(nèi)的M處出現(xiàn)了故障，故障信號(hào)會(huì)從開關(guān)5到開關(guān)1逐級(jí)傳遞，開關(guān)5接收到異常信號(hào)后首先對(duì)該保護(hù)區(qū)域進(jìn)行斷電，1至4號(hào)控制開關(guān)進(jìn)入到閉鎖保護(hù)的狀態(tài)，此時(shí)M處的故障信號(hào)會(huì)繼續(xù)向1號(hào)控制開關(guān)處傳遞，如果在鎖保護(hù)時(shí)間內(nèi)系統(tǒng)故障得到了排處，那1至4號(hào)控制開關(guān)就自動(dòng)解鎖保護(hù)狀態(tài)，使線路恢復(fù)正常運(yùn)行，如果超過了閉鎖保護(hù)時(shí)間依舊收到異常信號(hào)，則系統(tǒng)將進(jìn)行跳閘，防止事故的進(jìn)一步擴(kuò)大。

零時(shí)限電流綜合保護(hù)主要是指利用各個(gè)監(jiān)測(cè)模塊之間的數(shù)據(jù)通信，實(shí)現(xiàn)快速對(duì)供電線路故障的定位和分析，確保線路供電安全的保護(hù)技術(shù)，其結(jié)構(gòu)原理如圖3所示[4]。

圖3 零時(shí)限電流綜合保護(hù)裝置原理

零時(shí)限電流綜合保護(hù)系統(tǒng)中，根據(jù)保護(hù)線路的實(shí)際需要，將其分為多級(jí)的保護(hù)系統(tǒng)，各個(gè)保護(hù)裝置之間采用光纖通信模式，以滿足數(shù)據(jù)模塊間進(jìn)行快速數(shù)據(jù)交流和判斷的需求[5]。當(dāng)系統(tǒng)電路內(nèi)出現(xiàn)短路異常后，首先距離故障點(diǎn)最近的保護(hù)裝置啟動(dòng)，通過光纖通信系統(tǒng)將異常信息傳遞給區(qū)域內(nèi)的其他保護(hù)模塊，由監(jiān)控分站對(duì)故障邏輯進(jìn)行分析判斷，一方面將判斷結(jié)果傳輸給地面控制中心，便于維修人員及時(shí)對(duì)故障進(jìn)行修復(fù)，一方面對(duì)故障區(qū)域的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行檢測(cè)，如果距離故障點(diǎn)最近的控制開關(guān)跳閘后異常消失則說明保護(hù)動(dòng)作有效，若故障依然存在則系統(tǒng)將控制上一級(jí)的保護(hù)裝置進(jìn)行跳閘，確保電網(wǎng)系統(tǒng)的運(yùn)行安全。

3 礦井供電智能監(jiān)測(cè)體系的應(yīng)用研究

為了對(duì)礦井供電智能監(jiān)測(cè)體系的應(yīng)用效果進(jìn)行分析，專門建立了一個(gè)小規(guī)模的礦井供電模擬平臺(tái)，模擬井下電網(wǎng)布置和供電結(jié)構(gòu)，建立了供電監(jiān)測(cè)界面，對(duì)該供電智能監(jiān)測(cè)體系進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，結(jié)果表明該供電智能監(jiān)測(cè)體系能夠?qū)╇娺^程的電流、電壓波動(dòng)等進(jìn)行監(jiān)測(cè)和穩(wěn)定處理，同時(shí)對(duì)系統(tǒng)中出現(xiàn)的故障及時(shí)定位并直接在監(jiān)控中心上列明故障原因和處理措施，將故障處理效率提升了4倍以上，同時(shí)能夠及時(shí)將故障進(jìn)行隔離，有效的確保了供電系統(tǒng)在運(yùn)行過程中的穩(wěn)定性，確保了煤礦井下綜采作業(yè)的安全性和穩(wěn)定性，該供電智能監(jiān)測(cè)體系監(jiān)控界面見圖4。

圖4 供電智能監(jiān)測(cè)體系監(jiān)控界面示意圖

4 結(jié)論

針對(duì)現(xiàn)有供電系統(tǒng)在實(shí)際使用過程中所暴露出來的易短路、易漏電、電網(wǎng)供電波動(dòng)大、易產(chǎn)生越級(jí)跳閘事，無法滿足當(dāng)前井下綜采作業(yè)安全的需求的現(xiàn)狀，本文提出了一種新的礦井供電智能監(jiān)測(cè)體系，在對(duì)電網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)的基礎(chǔ)上，設(shè)置了基于通信級(jí)聯(lián)閉鎖保護(hù)及零時(shí)限電流綜合保護(hù)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)供電系統(tǒng)供電安全的有效保障，根據(jù)分析表明：

1）礦井下供電智能監(jiān)測(cè)體系包括了地面監(jiān)控中心、井下供電安全監(jiān)測(cè)分站以及供電安全保護(hù)裝置三個(gè)部分，數(shù)據(jù)傳輸采用工業(yè)以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)，能夠滿足井下復(fù)雜環(huán)境下的數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定性和安全性的需求。

2）基于通信級(jí)聯(lián)閉鎖保護(hù)及零時(shí)限電流綜合保護(hù)技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)電網(wǎng)運(yùn)行故障定位、故障分析及故障的及時(shí)隔離處理，確保將故障區(qū)域限定在最小的范圍內(nèi)，防止事故的進(jìn)一步擴(kuò)大。

3）該系統(tǒng)能夠?qū)⒐收咸幚硇侍嵘?倍以上，同時(shí)能夠及時(shí)將故障進(jìn)行隔離，有效地確保了供電系統(tǒng)在運(yùn)行過程中的穩(wěn)定性。