礦井供電系統(tǒng)集中監(jiān)視和控制思考

高鳳山

（鐵煤集團(tuán)內(nèi)蒙古東林煤炭有限責(zé)任公司，內(nèi)蒙古錫林郭勒盟 026000）

0.引言

煤炭資源的開采方式較多，但是井下開采是最為常見的一種方式。由于煤層結(jié)構(gòu)的限制，使得開采空間受到了約束，并且其環(huán)境也是相當(dāng)惡劣。井下作業(yè)作為重要的是確保電力系統(tǒng)正常有效地運(yùn)行，電力系統(tǒng)的安全關(guān)系到了礦井所能帶來(lái)的經(jīng)濟(jì)效益以及現(xiàn)場(chǎng)工人的人身安全。近年來(lái)，煤炭的發(fā)展越來(lái)越快，相應(yīng)地需要更多的井下設(shè)備來(lái)完成作業(yè)，這就給電力系統(tǒng)帶來(lái)了一定的壓力，對(duì)電力系統(tǒng)的運(yùn)行也提出了更高的要求。當(dāng)供電系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)，那么越級(jí)跳閘故障就會(huì)頻繁的出現(xiàn)，這就會(huì)導(dǎo)致供電系統(tǒng)出現(xiàn)大范圍內(nèi)的停電，其所帶來(lái)的后果非常嚴(yán)重。因此，研究礦井供電系統(tǒng)的集中監(jiān)控十分必要。

1.礦井供電系統(tǒng)的組成和特點(diǎn)

1.1 系統(tǒng)組成

通常情況下，井工開采是我國(guó)煤礦常用的開采技術(shù)。煤礦供電系統(tǒng)有順序劃分，從上到下包括了地面變電所，井下中央變電所，采區(qū)變電所和移動(dòng)變電站。關(guān)于系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，一般情況下以多級(jí)短電纜所構(gòu)成的干線式是最為流行。煤礦供電系統(tǒng)也有高壓和低壓之分，高壓通常介于6kV ～10kV；低壓包括的較多，比如3300V，1140V，660V，380V 和220V?！睹旱V安全規(guī)程》中明確規(guī)定了井下供電網(wǎng)絡(luò)，該網(wǎng)絡(luò)需要使用雙回路供電方式，并且兩回路互為備用，當(dāng)某一回路出現(xiàn)故障的情況下，可以通過對(duì)高壓開關(guān)進(jìn)行調(diào)整的方式將另外一個(gè)正常使用的電源接過來(lái)，這樣就可以確保負(fù)荷能夠不間斷的供電[1]。

1.2 網(wǎng)絡(luò)特點(diǎn)

我國(guó)井下煤礦開采環(huán)境惡劣，工作空間狹小，各類有毒有害物質(zhì)眾多。隨著采礦機(jī)械化程度的提高，工作范圍也隨之增加，高壓供電電纜及設(shè)備應(yīng)用越來(lái)越高，低壓系統(tǒng)也不斷延伸，這使得井下供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，負(fù)荷增大。整體來(lái)說，供電系統(tǒng)采用多段短線纜逐級(jí)控制干線式，是多級(jí)輻射狀網(wǎng)絡(luò)模式，具有級(jí)數(shù)多、線纜短和結(jié)構(gòu)復(fù)雜的特點(diǎn)。由于供電系統(tǒng)高低層次多，導(dǎo)致出現(xiàn)電網(wǎng)保護(hù)不能正常配合的現(xiàn)象。除此之外，線纜的縮短也會(huì)導(dǎo)致一系列的問題，比如系統(tǒng)容量的變大，這就導(dǎo)致處于不同級(jí)別狀態(tài)開關(guān)所產(chǎn)生的短路電流十分相近，使得正常執(zhí)行保護(hù)的電流定值無(wú)法執(zhí)行，在快速性響應(yīng)需求下，產(chǎn)生“越級(jí)跳閘”的問題。礦井供電系統(tǒng)大面積停電會(huì)增大瓦斯積聚風(fēng)險(xiǎn)，嚴(yán)重影響生產(chǎn)安全。目前多采用漏電（接地）故障選線技術(shù)，在中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)或集中接地系統(tǒng)中顯示出其優(yōu)越性，但該技術(shù)還不夠成熟，在漏電保護(hù)可靠性性方面，還有進(jìn)一步提升的空間。

2.礦井供電系統(tǒng)經(jīng)常出現(xiàn)的問題分析

2.1 “越級(jí)跳閘”問題十分普遍

（1）對(duì)短路保護(hù)措施的執(zhí)行力度不足。煤礦的供電系統(tǒng)的特點(diǎn)：即中性點(diǎn)不接地或者經(jīng)消弧線圈接地，所以兩相短路甚至三相短路的情況頻繁出現(xiàn)。短路電流會(huì)對(duì)電氣設(shè)備和導(dǎo)線產(chǎn)生巨大熱量和點(diǎn)力，造成絕緣體損壞，同時(shí)還會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)電壓降低，其他正常支路通過的電流下降，影響電氣設(shè)備運(yùn)行。由于變電所的保護(hù)斷路器可能跳到上一級(jí)的變電所開關(guān)，從而產(chǎn)生“越級(jí)跳閘”現(xiàn)象，引起更大范圍的停電故障。（2）漏電保護(hù)難以滿足需求。隨著煤礦開采規(guī)模的擴(kuò)大，各種超大型煤礦誕生。這種煤礦電纜分布龐大，供電結(jié)構(gòu)規(guī)模較大，相對(duì)應(yīng)的分布式電容也增大。如果按照消弧線圈接地方式，當(dāng)單相接地故障出現(xiàn)后，電弧甚至火花會(huì)更加突出。井下漏電保護(hù)抗干擾能力差，各支路零序電流與其他支路電流難以進(jìn)行比較判斷，無(wú)法辨別縱向故障線路與非故障線路。

2.2 系統(tǒng)平臺(tái)軟硬件技術(shù)落后

隨著科技的發(fā)展，煤礦開始采用一些監(jiān)控技術(shù)提高生產(chǎn)效率和安全性，但自動(dòng)化系統(tǒng)地使用時(shí)間不長(zhǎng)，自動(dòng)化水平偏低。井下供電監(jiān)控系統(tǒng)軟硬件應(yīng)用平臺(tái)技術(shù)落后，保護(hù)水平薄弱，接口之間的通信兼容性較差，影響系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)的穩(wěn)定性和可靠性。井下供電系統(tǒng)的保護(hù)器功能單一，無(wú)法滿足礦井開采的運(yùn)行要求。比如，許多供電系統(tǒng)保護(hù)器不具備故障錄波的技術(shù)條件，部分保護(hù)器雖然能夠記錄部分故障數(shù)據(jù)，但也無(wú)法達(dá)到故障錄波的要求，這對(duì)供電系統(tǒng)工作人員的工作強(qiáng)度和難度提出更大考驗(yàn)。

2.3 系統(tǒng)數(shù)據(jù)通訊傳輸效率偏低

（1）原有的電力監(jiān)控系統(tǒng)與采礦區(qū)監(jiān)控系統(tǒng)擴(kuò)容后無(wú)法形成匹配，原有系統(tǒng)需要更多的監(jiān)控設(shè)備和更多的功能要求，但是通信效率受到一定影響，無(wú)法滿足要求。（2）當(dāng)前我國(guó)礦井供電系統(tǒng)監(jiān)控自動(dòng)化水平不高，當(dāng)監(jiān)測(cè)到供電系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)，無(wú)法自我檢測(cè)及視頻聯(lián)動(dòng)，不能第一時(shí)間通過通信接口將故障信息傳輸出去，也不能實(shí)現(xiàn)可視化操作。系統(tǒng)保護(hù)人員不能及時(shí)掌握設(shè)備狀況，不能通過遠(yuǎn)程操縱檢測(cè)設(shè)備，排除故障，只能依靠值守人員進(jìn)行常規(guī)操作，“四遙”功能無(wú)法實(shí)現(xiàn)。

3.礦井供電集中監(jiān)控系統(tǒng)的技術(shù)創(chuàng)新研究

3.1 分布式區(qū)域保護(hù)技術(shù)

關(guān)于該技術(shù)，其主要的作用就是保證各級(jí)保護(hù)能夠通過信號(hào)的建立，進(jìn)而聯(lián)系在一起。簡(jiǎn)單地說，無(wú)論哪一級(jí)發(fā)生短路，都能夠在最快的時(shí)間內(nèi)發(fā)出閉鎖信號(hào)。阻止上一級(jí)別的保護(hù)，進(jìn)而可以將該故障阻斷在最小的跳閘幅度。此外，如果斷路器出現(xiàn)了失靈情況，上一級(jí)別的保護(hù)可以在最短的時(shí)間內(nèi)動(dòng)作，總線故障可以使得快速跳閘得以實(shí)現(xiàn)。關(guān)于區(qū)域保護(hù)，其具有一定的適用范圍，通常情況下，對(duì)于分支較多的配電網(wǎng)有性較好的適用性，可以幫助解決與保護(hù)時(shí)差不配合的故障。除此之外，其還有很多的優(yōu)點(diǎn)，比如造價(jià)便宜，設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，施工方便以及性能突出等特點(diǎn)[2]。

3.2 分站集中控制保護(hù)技術(shù)

（1）要保證電力系統(tǒng)中有與系統(tǒng)相適應(yīng)的變電站設(shè)備。（2）該分站也需要具有防越級(jí)跳閘開關(guān)相互適用的特點(diǎn)。如果系統(tǒng)正常，但是出現(xiàn)了短路，那么防越級(jí)跳閘的功能就會(huì)對(duì)該特定的故障進(jìn)行檢測(cè)，同時(shí)，其信息也會(huì)傳輸?shù)椒终具M(jìn)行分析并且作出相應(yīng)的判斷，然后會(huì)根據(jù)結(jié)果給出指令，進(jìn)而可以控制故障位點(diǎn)附近的開關(guān)。

3.3 通信級(jí)聯(lián)閉鎖保護(hù)技術(shù)

該技術(shù)利用時(shí)間極差的縱向設(shè)置進(jìn)而對(duì)各級(jí)的開關(guān)進(jìn)行管控，以防越級(jí)跳閘事故的發(fā)生，每個(gè)開關(guān)裝置都是相級(jí)聯(lián)的。當(dāng)某一點(diǎn)發(fā)生故障時(shí)，可以檢測(cè)到故障電流的設(shè)備是通過縱向的方式傳輸上下級(jí)的信號(hào)。例如，開關(guān)之間的信息傳輸是需要時(shí)間的，假如等待時(shí)間為T1(通常情況下該時(shí)間會(huì)設(shè)置成1050ms)。假如信號(hào)傳輸時(shí)間出現(xiàn)超時(shí)，那么就可以將該級(jí)開關(guān)間的傳輸判斷為故障，進(jìn)而可以在短時(shí)間內(nèi)斷電。如果開關(guān)的閉鎖時(shí)間介于T2 范圍內(nèi)(通常情況下該時(shí)間會(huì)設(shè)置成100200ms)，那么仍然可以獲取到該故障信號(hào)。進(jìn)而在最短的時(shí)間內(nèi)進(jìn)行跳閘保護(hù)。當(dāng)然，這樣的保護(hù)裝置也有一定的缺點(diǎn)，其改造相當(dāng)復(fù)雜。

3.4 光纖縱差保護(hù)技術(shù)

近幾年，光纖通信技術(shù)得到迅速發(fā)展。光纖縱差保護(hù)技術(shù)是將線路每段兩端的綜合保護(hù)設(shè)備通過通道連接起來(lái)，在其中一端可以接收到另外一端的電氣量，進(jìn)行對(duì)比分析出故障的原因是出現(xiàn)在內(nèi)部還是外部，然后就可以知道是否需要進(jìn)行跳閘動(dòng)作。對(duì)于傳輸?shù)搅硪欢说碾娏?，其可以是電流，也可以是功率，差?dòng)保護(hù)具有絕對(duì)選擇特性，這樣就可以使得各級(jí)線路保護(hù)不需要與時(shí)間進(jìn)行匹配，還可以確保線路全長(zhǎng)得到保護(hù)。光纖縱差保護(hù)技術(shù)由于具有傳送速度快、抗干擾強(qiáng)、衰減緩慢等特點(diǎn)，能夠很好的解決饋線短路越級(jí)和聯(lián)絡(luò)線短路越級(jí)問題，有利于井下供電系統(tǒng)的穩(wěn)定性[3]。

3.5 井下零時(shí)限電流保護(hù)

零時(shí)限電流采用網(wǎng)絡(luò)保護(hù)技術(shù)，通過該技術(shù)就可以確認(rèn)設(shè)備之間的通信是正常的，進(jìn)而可以輕松地分析出故障所發(fā)生的區(qū)域和位點(diǎn)，最終可以使得上下級(jí)保護(hù)得以配合。該技術(shù)具有很大的優(yōu)點(diǎn)：（1）其不同于傳統(tǒng)電流保護(hù)配置。零時(shí)限電流可以解決繼電保護(hù)快速性和選擇性所存在的矛盾。（2）該技術(shù)的應(yīng)用范圍也十分廣泛，比如多種類型具有復(fù)雜的供電網(wǎng)絡(luò)。（3）電網(wǎng)中任意斷路器都具備保護(hù)功能，并且具有絕對(duì)的選擇性。

4.結(jié)語(yǔ)

供電監(jiān)控系統(tǒng)的安全可靠性是保證礦井井下作業(yè)安全的重要保障，因此，文章分析比較目前井下供電系統(tǒng)的保護(hù)技術(shù)現(xiàn)狀，通過對(duì)防越級(jí)跳閘保護(hù)系統(tǒng)的研究，有效的保護(hù)井下供電系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行，在一定程度上提高礦井供電系統(tǒng)的安全可靠水平。