煤礦供電系統(tǒng)防越級(jí)跳閘技術(shù)研究

張 健

(山西春成煤礦勘察設(shè)計(jì)有限公司，山西 太原 030000)

0 引言

在煤礦供電網(wǎng)絡(luò)中，饋電開(kāi)關(guān)可能由于某些情況誤動(dòng)作跳開(kāi)，分饋電開(kāi)關(guān)動(dòng)作跳開(kāi)可能造成某工作面范圍所有用電設(shè)備停用，影響煤炭生產(chǎn)，如果出現(xiàn)越級(jí)跳閘將導(dǎo)致停電范圍擴(kuò)大，引發(fā)電氣設(shè)備損壞甚至人員傷亡事故。煤礦井下防越級(jí)跳閘技術(shù)一直是國(guó)內(nèi)外技術(shù)人員研究的熱點(diǎn)，最初我國(guó)有部分煤礦采用電信號(hào)邏輯閉鎖方式和分站集中控制方式，這兩種方式分別存在實(shí)用性差以及控制主機(jī)要求高等問(wèn)題。隨著相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，有專家提出一種基于縱聯(lián)差動(dòng)保護(hù)原理的防越級(jí)跳閘方案，目前光纖縱差保護(hù)是地面電網(wǎng)應(yīng)用廣泛的線路保護(hù)技術(shù)，但其應(yīng)用于礦井供電網(wǎng)絡(luò)時(shí)存在保護(hù)區(qū)域單一、成本高的問(wèn)題。本文針對(duì)防越級(jí)跳閘技術(shù)中的通信問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一種專用的通信控制器，實(shí)現(xiàn)了基于廣域測(cè)量技術(shù)的現(xiàn)場(chǎng)智能設(shè)備越級(jí)跳閘的速斷保護(hù)。

1 煤礦供電網(wǎng)絡(luò)及越級(jí)跳閘分析

1.1 煤礦供電網(wǎng)絡(luò)

某煤礦井下供電網(wǎng)絡(luò)接線圖如圖1(a)所示，礦井供電系統(tǒng)采用10 kV電壓等級(jí)，中性點(diǎn)不接地方式運(yùn)行，地面35 kV變電站的101母線和102母線分別引出，經(jīng)高壓電纜穿過(guò)井筒作為井下中央變電所進(jìn)線電源，井下中央變電所也是分段結(jié)構(gòu)，分別向2個(gè)采區(qū)變電所供電，然后出線至工作面負(fù)荷。按照不同等級(jí)變電所簡(jiǎn)化網(wǎng)絡(luò)，可以得到簡(jiǎn)化示意圖如圖1(b)所示。正常情況下每個(gè)分段線路都配置有速斷保護(hù)，即在本線路范圍內(nèi)如果發(fā)生短路故障，則希望離短路點(diǎn)最近的開(kāi)關(guān)保護(hù)動(dòng)作跳閘，例如K2點(diǎn)或K3點(diǎn)短路時(shí)希望201跳閘，K4點(diǎn)短路時(shí)希望301跳閘，實(shí)際情況K3點(diǎn)和K4點(diǎn)短路的短路電流對(duì)于201保護(hù)裝置來(lái)說(shuō)是無(wú)法區(qū)分的，因此K4點(diǎn)短路故障發(fā)生時(shí)就會(huì)出現(xiàn)跳201而非跳301的越級(jí)跳閘現(xiàn)象。

圖1 煤礦井下供電網(wǎng)絡(luò)接線圖及簡(jiǎn)化示意圖

1.2 越級(jí)跳閘的原因

煤礦供電環(huán)境相比地面惡劣，空氣潮濕，地質(zhì)情況多變，因此供電電纜容易發(fā)生絕緣損壞造成短路，當(dāng)短路點(diǎn)接近開(kāi)關(guān)兩側(cè)時(shí)就會(huì)發(fā)生越級(jí)跳閘?？傮w而言，越級(jí)跳閘的原因是由電網(wǎng)的特性和結(jié)構(gòu)決定的，短路電流越大、供電線路越長(zhǎng)，在保護(hù)方案不完善的情況下越容易發(fā)生越級(jí)跳閘，井下電網(wǎng)的運(yùn)行方式千差萬(wàn)別，為了滿足靈敏度要求，保護(hù)整定值會(huì)比正常線路選取更低，速斷保護(hù)無(wú)法體現(xiàn)選擇性時(shí)就出現(xiàn)了越級(jí)跳閘。

2 防越級(jí)跳閘系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

煤礦智能變電站的結(jié)構(gòu)分為三層：上層為設(shè)備控制、數(shù)據(jù)通信和人機(jī)交互的站控層；中間層為現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備連接和數(shù)據(jù)監(jiān)控的間隔層；底層為與一次設(shè)備連接、數(shù)據(jù)采集和保護(hù)的過(guò)程層。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)了智能光纖保護(hù)裝置和智能光纖保護(hù)服務(wù)器，智能保護(hù)裝置采用分布式安裝在井下各供電支路，實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù)并發(fā)送給合并單元，進(jìn)而通過(guò)光纖網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給上一級(jí)智能保護(hù)裝置，光纖服務(wù)器的作用是對(duì)光纖信號(hào)進(jìn)行接收、匯總和上傳。

2.1 智能光纖保護(hù)裝置PA61

智能光纖保護(hù)裝置PA61采用了三核心硬件架構(gòu)：LED信號(hào)燈、LCD顯示屏和鍵盤(pán)等顯示控制模塊采用ARM控制器；PT、CT采集的電流電壓數(shù)據(jù)信號(hào)、數(shù)字量輸出模塊、RS485通信模塊采用DSP控制器；數(shù)字量輸入模塊和光纖傳輸模塊采用FPGA控制器。防越級(jí)跳閘保護(hù)裝置PA61總體設(shè)計(jì)原理如圖2所示。

圖2 防越級(jí)跳閘保護(hù)裝置PA61總體設(shè)計(jì)原理圖

2.2 智能光纖服務(wù)器SU20

智能光纖服務(wù)器SU20的核心控制器為FPGA，每個(gè)控制器具有7路端口，通過(guò)74LV4245芯片與光纖收發(fā)器連接。前6路端口的設(shè)計(jì)邏輯相同，每路端口發(fā)送和接收的數(shù)據(jù)信息為除本路信息以外的其他6路信息。第7路端口TX7發(fā)送和接收的數(shù)據(jù)信息為所有7路信息的總和。這種設(shè)計(jì)的好處是適合運(yùn)行方式多變的煤礦供電系統(tǒng)，當(dāng)運(yùn)行方式發(fā)生變化時(shí)，只需要根據(jù)相應(yīng)的運(yùn)行方式改變光纖連接即可。圖 3為智能光纖服務(wù)器SU20硬件設(shè)計(jì)原理圖。

圖3 智能光纖服務(wù)器SU20硬件設(shè)計(jì)原理圖

3 礦井變電所設(shè)備組網(wǎng)保護(hù)

3.1 組網(wǎng)方案

整套防越級(jí)保護(hù)系統(tǒng)由智能光纖保護(hù)裝置PA61和智能光纖服務(wù)器SU20組成光纖信號(hào)閉鎖系統(tǒng)，應(yīng)用時(shí)需要按照上下級(jí)系統(tǒng)或多級(jí)系統(tǒng)的要求進(jìn)行組網(wǎng)。如果是上下級(jí)系統(tǒng)，只需在饋線開(kāi)關(guān)和進(jìn)線開(kāi)關(guān)處分別裝設(shè)一臺(tái)PA61，由下級(jí)線路保護(hù)向上級(jí)線路保護(hù)發(fā)送光纖閉鎖信號(hào)，實(shí)現(xiàn)防越級(jí)跳閘功能，上下級(jí)防越級(jí)跳閘組網(wǎng)方案如圖4所示。如果是多進(jìn)線、多分段的供電方式可變的多級(jí)系統(tǒng)，需要在所有饋線開(kāi)關(guān)配置PA61，在所有進(jìn)線開(kāi)關(guān)、母線和分段開(kāi)關(guān)配置SU20，形成多點(diǎn)集中、閉鎖信號(hào)統(tǒng)一發(fā)送的防越級(jí)跳閘組網(wǎng)方式，如圖5所示。

圖4 上下級(jí)防越級(jí)跳閘組網(wǎng)方案

圖5 多輸入防越級(jí)跳閘組網(wǎng)方案

3.2 不同供電系統(tǒng)組網(wǎng)案例

井下各變電所組網(wǎng)情況根據(jù)各自接線方式的不同分別設(shè)計(jì)，主要有煤機(jī)頭變電所、煤盤(pán)區(qū)變電所和機(jī)頭變電所。

3.2.1 煤機(jī)頭變電所組網(wǎng)方案

圖6為煤機(jī)頭變電所組網(wǎng)方案。如圖6所示，1#進(jìn)線柜內(nèi)，PA61的光口接收來(lái)自SU20(1)的閉鎖信號(hào)；15#進(jìn)線柜內(nèi)，PA61的光口接收來(lái)自SU20(2)的閉鎖信號(hào)；9#分段柜內(nèi)，PA61有兩對(duì)接收和發(fā)送光口，分別對(duì)應(yīng)SU20(1)和SU20(2)的發(fā)送光口；Ⅰ段母線的2號(hào)柜、4號(hào)柜、5號(hào)柜、6號(hào)柜、7號(hào)柜、8號(hào)柜，Ⅱ段母線的11號(hào)柜、13號(hào)柜、14號(hào)柜內(nèi)PA61向上級(jí)饋電線路發(fā)送閉鎖信號(hào)；除此以外，5#柜、13#柜內(nèi)PA61裝置還要分別接收下級(jí)線路的光纖閉鎖信號(hào)。

圖6 煤機(jī)頭變電所組網(wǎng)方案示意圖

3.2.2 煤盤(pán)區(qū)變電所組網(wǎng)方案

圖7為煤盤(pán)區(qū)變電所組網(wǎng)方案。圖7中，煤盤(pán)區(qū)變電所共有兩條進(jìn)線1#柜、20#柜，一個(gè)分段11#柜，17條饋線，其中14條運(yùn)行。PA61配置：每個(gè)開(kāi)關(guān)柜上配置一臺(tái)PA61，共計(jì)17臺(tái)PA61；SU20配置：分段兩側(cè)母線上都配置2臺(tái)SU20，共計(jì)4臺(tái)SU20。

圖7 煤盤(pán)區(qū)變電所組網(wǎng)方案示意圖

3.2.3 機(jī)頭變電所組網(wǎng)方案

圖8為機(jī)頭變電所組網(wǎng)方案。圖8中，該變電所共有兩條進(jìn)線，分別是1#柜、18#柜，一個(gè)分段11#柜，10條饋線。每個(gè)開(kāi)關(guān)柜上配置一臺(tái)PA61，共計(jì)13臺(tái)PA61；因Ⅰ段母線上接的饋線數(shù)量和分段數(shù)量的總數(shù)超過(guò)7個(gè)，所以要用兩臺(tái)SU20，其中一臺(tái)備用。Ⅱ段母線上配置一臺(tái)SU20。

圖8 機(jī)頭變電所組網(wǎng)方案示意圖

4 軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)采用模塊化設(shè)計(jì)語(yǔ)言，分別設(shè)計(jì)了DSP控制器主程序、光纖傳輸信號(hào)子程序、判斷故障閉鎖信號(hào)發(fā)出子程序、速斷保護(hù)子程序、SU20服務(wù)器主程序。圖 9 為SU20服務(wù)器主程序流程圖。

圖9 SU20服務(wù)器主程序流程圖

5 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)煤礦井下變電所數(shù)量多，組成的多級(jí)供電網(wǎng)絡(luò)保護(hù)整定困難，饋電開(kāi)關(guān)的保護(hù)選擇性不強(qiáng)造成的越級(jí)跳閘問(wèn)題，研究了一種基于智能光纖保護(hù)裝置PA61和智能光纖服務(wù)器SU20的防越級(jí)微機(jī)集成保護(hù)系統(tǒng)，本系統(tǒng)的應(yīng)用能夠提高煤礦供電系統(tǒng)保護(hù)裝置的選擇性，防止越級(jí)跳閘造成事故擴(kuò)大，對(duì)于煤礦供電系統(tǒng)的安全性和可靠性具有重要意義。