礦井供電系統(tǒng)防越級跳閘技術(shù)及應用研究

郭凱明

關(guān)鍵詞：煤礦;供電系統(tǒng);防越級跳閘;技術(shù)應用

0引言

根據(jù)我國最新能源需求統(tǒng)計分析可知，煤炭資源仍然是我國經(jīng)濟社會日常能源消耗形式的主要組成部分。各個煤礦企業(yè)正在實現(xiàn)現(xiàn)代化發(fā)展，以提高煤炭資源的產(chǎn)量以滿足社會需要。在實現(xiàn)現(xiàn)代化發(fā)展的同時需要有各類先進電氣設(shè)備才能得以保證，對礦井供電系統(tǒng)的工作性能以及安全平穩(wěn)性能有了更高的要求。煤礦企業(yè)都會根據(jù)自己礦井的特點，建立起不同構(gòu)架類型的供電系統(tǒng)，主要以單側(cè)多回輻射狀電網(wǎng)主結(jié)構(gòu)為主要類型，該類型電網(wǎng)結(jié)構(gòu)之問的變電站相對距離很近，電線阻抗較小，整體線路布置有安全開關(guān)，但當線路某處發(fā)生故障的時候無法精確地定位電路故障位置，無法區(qū)分是否在某個電路區(qū)間段內(nèi)出現(xiàn)有故障情況，因此無法進行精確的斷電動作，從而造成上級開關(guān)掉跳閘，使得大面積電網(wǎng)出現(xiàn)斷電情況。越級跳閘的情況發(fā)生會使得大面積停電，造成煤礦企業(yè)經(jīng)濟損失，此外，停電后會使得井下通風設(shè)備、監(jiān)測設(shè)備、監(jiān)控設(shè)備等停止運行，使井下作業(yè)一線人員的生命健康安全受到極大威脅。通過調(diào)研查閱各類資料，本文提出通過GOOSE通訊技術(shù)實現(xiàn)礦井供電系統(tǒng)防越級跳閘技術(shù)的實現(xiàn)并應用于現(xiàn)場，改善供電系統(tǒng)的安全性能，為煤礦行業(yè)研發(fā)新型供電系統(tǒng)防越級跳閘技術(shù)提供依據(jù)。

1供電線路故障自適應判別原理

在建立GOOSE通訊防越級跳閘技術(shù)系統(tǒng)之前，對供電系統(tǒng)的各個電路故障判別的原理進行介紹。由于供電系統(tǒng)是由電網(wǎng)組成分為很多供電級數(shù)，設(shè)計目的在于使得離故障點最近的安全開關(guān)能夠第一時問檢測到故障并進行快速故障清除。同時根據(jù)依次順序，在最近安全開關(guān)失效后，第二距離位置的安全開關(guān)也能迅速動作。根據(jù)系統(tǒng)拓普節(jié)點排列順序能夠?qū)崿F(xiàn)逐級安全閉鎖功能，將故障信息通過正向傳遞給上級節(jié)點，使故障信息得到判斷并迅速對電路進行切斷，整體過程步驟如下：

（1）故障信號被檢測后，將啟動閉鎖構(gòu)件，使得閉鎖信息能夠向上級傳遞;

（2）當故障信息在得到判斷后卻未能及時進行故障閉鎖，電流速斷裝置也會進行安全切斷動作;

（3）斷路器將一直判斷故障信息是否存在，斷路信息將故障閉鎖的節(jié)點信號向正向傳遞;

（4）為了避免故障閉鎖時間消耗較長，通過區(qū)域保護安全定值，能夠在規(guī)定時間內(nèi)強制清除故障信號信息，避免電流斷路器頻繁工作，降低了安全使用壽命;

（5）當線路反向節(jié)點接收到故障信號后，由電流速斷保護裝置進行閉鎖控制，此時斷路器將與電流速斷保護裝置同時快速動作。

2GOOSE通訊故障區(qū)域定位原理

2.1原理簡介

在對定位原理進行了解之前，首先建立起礦井供電系統(tǒng)故障模型，以煤礦企業(yè)常見的供電系統(tǒng)為研究對象，將礦井供電系統(tǒng)等效為集中模型，如圖1所示。

當某個線路發(fā)生故障的時候，其中線路上的接地連續(xù)電流將產(chǎn)生降壓現(xiàn)象，產(chǎn)生單相接地故障，此時的等效模型為等效連續(xù)網(wǎng)格。當線路閉合后，開關(guān)K的狀態(tài)為關(guān)閉，閉合后的開關(guān)將使得整個等效電流變化為中性點接地系統(tǒng)。

對圖1中完整線路進行簡化如圖2所示。簡化后的線路在母線上（背側(cè)）等效為電源，在故障發(fā)生后，流過健全線路的連續(xù)電流將產(chǎn)生對地電壓，使得電容電流的總量為整個等效模型電路的零序電流的總和。

2.2故障區(qū)段定位

礦井供電系統(tǒng)以單側(cè)輻射干線與支線相重疊組合的網(wǎng)格模型為主要形式，大多數(shù)電網(wǎng)都存在有較多的分支系統(tǒng)，在對故障進行定位的時候存在難度，供電系統(tǒng)節(jié)點示意圖如圖3所示。

其中，HBrk開頭的圖標為通過GOOSE通訊信息交換的中轉(zhuǎn)站，也是供電系統(tǒng)正向與反向節(jié)點之間的信息聯(lián)絡處。例如當K4點發(fā)生了電路故障之后，HBrk10、HBrk12通過信息辨識出整體線路出現(xiàn)了故障，但無法進行精準定位，同時通過正向節(jié)點發(fā)送故障判別信息使得HBrk08、HBrk11收到了反向節(jié)點的故障代碼，實現(xiàn)了電氣閉鎖，最終，由HBrk02表明供電系統(tǒng)在K4位置發(fā)生了短路故障。在系統(tǒng)實際應用中可將閉鎖時間進行延長，使得故障信息判定位置能夠更加的精確。

3系統(tǒng)設(shè)計

通過對井下供電系統(tǒng)分析以及正反向節(jié)點信息輸送原理的說明，設(shè)計出了GOOSE通訊防越級跳閘的整體硬件架構(gòu)，如圖4所示。

可將整體硬件架構(gòu)分為通訊模塊、電源模塊、I/，O模塊、人機交互模塊、報警模塊、看門狗模塊等。其中最為關(guān)鍵的是I/O模塊，該模塊作為故障信息傳送的模塊處理單元，采用光電隔離裝置提高抗干擾能力，并在CPU接口位置實現(xiàn)信號干擾隔離，從而達到電氣隔離的目的，為實現(xiàn)I/O模塊分閘、合閘出口、閉鎖合閘等功能，設(shè)計I/O模塊電路圖如圖5所示。

GOOSE通訊防越級跳閘系統(tǒng)采用逐級閉鎖的機制，具體實施過程如下：

（1）當發(fā)生短路故障時，保護裝置檢測到故障后，啟動閉鎖元件，并發(fā)送故障閉鎖信息至其正向結(jié)點（下稱上級保護裝置）;

（2）短路保護動作后，保護裝置要進行斷路器拒動判別，如果故障被切除故障電流消失，則保護返回并發(fā)送解除故障閉鎖信息至正向結(jié)點，如果斷路器拒動故障一直存在，則發(fā)送斷路器失靈信息至其上級保護裝置;

（3）為了防止保護被長時間閉鎖，裝置設(shè)置有“區(qū)域保護解鎖時限”定值，若故障一直存在，閉鎖時問超過該定值時強制解除閉鎖，保護裝置跳閘切除故障。

4應用效果分析

在礦井現(xiàn)場實際應用GOOSE通訊防越級跳閘系統(tǒng)，有120臺防越級跳閘保護裝置投入使用，經(jīng)過半年的試運行，共發(fā)生4次短路故障，其中越級跳閘1次，此次越級跳閘問題是由于通信問題導致的。根據(jù)現(xiàn)場的事件記錄，在發(fā)生故障的過程中，存在GOOSE通信不穩(wěn)定的情況，易引起越級跳閘。經(jīng)過檢查通信網(wǎng)絡，包括使用的通信接口、交換機設(shè)置等，消除了可能引起通信不穩(wěn)定的不良因素。

為了提高保護裝置接收GOOSE報文的可靠性，當發(fā)生短路故障時，等待下級裝置閉鎖信號的時間由10ms增加到20ms，經(jīng)試驗和現(xiàn)場驗證，GOOSE通訊防越級跳閘系統(tǒng)完全滿足礦井供電系統(tǒng)的安全使用，達到了設(shè)計研究的效果。

5結(jié)束語

礦井供電系統(tǒng)可靠性能不僅將對煤炭生產(chǎn)效率產(chǎn)生影響，還將對煤礦企業(yè)安全生產(chǎn)常態(tài)化發(fā)展有著重要的促進作用。本文根據(jù)目前礦井供電系統(tǒng)容易發(fā)生越級跳閘的現(xiàn)象，從解決問題角度出發(fā)，提出了采用GOOSE通訊原理設(shè)計出防越級跳閘系統(tǒng)，應用于工程現(xiàn)場，實際解決了礦井供電系統(tǒng)越級跳閘的問題，整體系統(tǒng)解決方案適用于礦井惡劣的作業(yè)環(huán)境，并能精確地對線路故障進行定位并實現(xiàn)斷路動作。研究成果促進了煤礦行業(yè)供電系統(tǒng)安全、可靠性發(fā)展，提高了煤炭生產(chǎn)的效率，使得礦井下各類安全防護設(shè)備平穩(wěn)運行。