煤礦井下電氣系統(tǒng)饋電開(kāi)關(guān)防護(hù)系統(tǒng)分析

中煤科工能源科技發(fā)展有限公司 曹 牧

現(xiàn)今我國(guó)煤礦開(kāi)采作業(yè)水平逐漸實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化發(fā)展，同時(shí)為進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化水平的提升，要確保井下供電網(wǎng)絡(luò)的安全與穩(wěn)定，但是受到井下作業(yè)環(huán)境因素的影響，各類電氣設(shè)備在運(yùn)行過(guò)程中難免會(huì)對(duì)井下的供電網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)造成一定的電流沖擊，甚至容易發(fā)生漏電、短路等事故問(wèn)題。因此可應(yīng)用饋電開(kāi)關(guān)進(jìn)行電網(wǎng)的防護(hù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)已發(fā)生故障的網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行有效隔離。

1 饋電開(kāi)關(guān)及防護(hù)系統(tǒng)概述

饋電開(kāi)關(guān)在當(dāng)前煤礦井下作業(yè)低壓供電網(wǎng)中始終發(fā)揮著重要作用，作為主要電氣設(shè)備，能對(duì)現(xiàn)有電動(dòng)機(jī)和電纜、變頻器等實(shí)現(xiàn)全面的保護(hù)，饋電開(kāi)關(guān)的應(yīng)用能大幅度減少煤礦井下作業(yè)過(guò)程中供電網(wǎng)絡(luò)的故障問(wèn)題和電氣系統(tǒng)隱患問(wèn)題，確保供電線路和供電網(wǎng)絡(luò)的安全暢通。煤礦井下開(kāi)采作業(yè)電網(wǎng)系統(tǒng)的運(yùn)行環(huán)境相對(duì)惡劣且供電點(diǎn)位相對(duì)較多，線路繁雜，很容易在供電過(guò)程中出現(xiàn)故障和安全隱患問(wèn)題，針對(duì)煤礦井下饋電開(kāi)關(guān)建設(shè)有針對(duì)性的防護(hù)系統(tǒng)能進(jìn)一步保證饋電開(kāi)關(guān)的作用，發(fā)揮在進(jìn)行保護(hù)系統(tǒng)建設(shè)時(shí)可以PLC 自動(dòng)化控制技術(shù)為核心、全面提高饋電開(kāi)關(guān)保護(hù)系統(tǒng)的欠壓保護(hù)及漏電保護(hù)等多方面功能，全面提高系統(tǒng)的靈敏性和穩(wěn)定性，避免為井下的供電網(wǎng)絡(luò)安全帶來(lái)更為嚴(yán)重的風(fēng)險(xiǎn)和隱患[1]。

2 煤礦井下電氣系統(tǒng)饋電開(kāi)關(guān)防護(hù)及漏電事故分析

當(dāng)前雖然我國(guó)煤礦開(kāi)采的自動(dòng)化水平顯著提升，但現(xiàn)有煤礦井下電氣系統(tǒng)的運(yùn)行過(guò)程中，仍會(huì)發(fā)生饋電開(kāi)關(guān)防護(hù)失效及漏電事故等多方面問(wèn)題。出現(xiàn)此類事故隱患主要可分為兩方面原因：一方面體現(xiàn)于原有供電設(shè)備及線纜等引發(fā)防護(hù)失效及漏電事故。由于煤礦井下作業(yè)和電氣系統(tǒng)的運(yùn)行環(huán)境相對(duì)潮濕、環(huán)境惡劣，因此線纜在長(zhǎng)期運(yùn)行下易發(fā)生裂痕，同樣也會(huì)在相對(duì)潮濕的環(huán)境中出現(xiàn)損壞的情況，特別是煤礦井下作業(yè)過(guò)程中各類功率相對(duì)較大，使得各類電氣設(shè)備易發(fā)生發(fā)熱問(wèn)題，而此類裂痕及設(shè)備發(fā)熱的問(wèn)題同樣也會(huì)進(jìn)一步加速設(shè)備老化速率，直接影響電氣系統(tǒng)饋電開(kāi)關(guān)的防護(hù)效果[2]。

另一方面，管理不當(dāng)問(wèn)題同樣也是導(dǎo)致漏電事故發(fā)生及饋電開(kāi)關(guān)防護(hù)效果下降的主要問(wèn)題之一，如在煤礦井下電氣作業(yè)和電氣系統(tǒng)運(yùn)行期間忽視了強(qiáng)而有效的管理，沒(méi)有定期開(kāi)展設(shè)備的檢修與維護(hù)、工作人員的操作和設(shè)備檢查作業(yè)等并未全面到位，也會(huì)增加漏電的風(fēng)險(xiǎn)，使饋電開(kāi)關(guān)無(wú)法充分發(fā)揮其作用和價(jià)值。因此在現(xiàn)有煤礦井下電氣系統(tǒng)內(nèi)全面提高饋電開(kāi)關(guān)防護(hù)系統(tǒng)建設(shè)水平能有效規(guī)避各類漏電風(fēng)險(xiǎn)事故，提高饋電開(kāi)關(guān)防護(hù)系統(tǒng)的安全性和穩(wěn)定性[3]。

3 煤礦井下電氣系統(tǒng)饋電開(kāi)關(guān)防護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與規(guī)劃

3.1 饋電開(kāi)關(guān)防護(hù)系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

在進(jìn)行煤礦井下電氣系統(tǒng)的饋電開(kāi)關(guān)防護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，首先要從總體的角度進(jìn)行架構(gòu)，確保整個(gè)電氣系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)及供電安全性能全面保障。在現(xiàn)有饋電開(kāi)關(guān)防護(hù)系統(tǒng)中，主要包括最主要的保護(hù)器核心模塊及電源模塊、通信模塊、電路模塊等多個(gè)環(huán)節(jié)和設(shè)備，在現(xiàn)有饋電開(kāi)關(guān)防護(hù)系統(tǒng)運(yùn)行和工作過(guò)程中，位于電氣系統(tǒng)中的電壓感應(yīng)器和電源感應(yīng)器會(huì)對(duì)電氣系統(tǒng)內(nèi)部電壓及電流的運(yùn)轉(zhuǎn)情況進(jìn)行全面的監(jiān)測(cè)，旨在對(duì)電壓與電流信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理，隨后將預(yù)處理后的數(shù)據(jù)及時(shí)傳遞給保護(hù)器核心模塊和控制中心進(jìn)行信息和數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換，在數(shù)據(jù)中心內(nèi)部進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)對(duì)預(yù)處理過(guò)后的信號(hào)數(shù)字量及模擬量間的信息有效轉(zhuǎn)換，并進(jìn)一步判斷當(dāng)前煤礦井下電氣系統(tǒng)的作業(yè)情況[4]。一旦在現(xiàn)有電氣系統(tǒng)的饋電開(kāi)關(guān)防護(hù)系統(tǒng)中出現(xiàn)了故障或運(yùn)行失誤問(wèn)題都會(huì)第一時(shí)間反饋給信號(hào)與處理器，隨后通過(guò)保護(hù)器核心模塊進(jìn)一步分析和確定故障的主要類型以及具體的發(fā)生點(diǎn)位，隨后保護(hù)器會(huì)進(jìn)一步發(fā)出保護(hù)指令，由保護(hù)器實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)有饋電開(kāi)關(guān)防護(hù)系統(tǒng)電路的保護(hù)和隔離，真正起到控制電路和保護(hù)系統(tǒng)的作用。

圖1 饋電開(kāi)關(guān)防護(hù)系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖

在饋電開(kāi)關(guān)防護(hù)系統(tǒng)發(fā)揮作用期間，不論是何種類型的故障都可通過(guò)現(xiàn)有防護(hù)系統(tǒng)進(jìn)行故障的記錄和處理登記，旨在不斷豐富現(xiàn)有饋電開(kāi)關(guān)防護(hù)系統(tǒng)的故障庫(kù)信息，提高整個(gè)系統(tǒng)故障判斷的安全性和有效性。此外，相關(guān)分析結(jié)果和故障發(fā)生原因處理方案的也能及時(shí)傳輸給井下電氣系統(tǒng)控制中心全面顯示故障信息，同時(shí)也方便相關(guān)人員了解煤礦井下電氣系統(tǒng)及饋電開(kāi)關(guān)防護(hù)系統(tǒng)的作業(yè)情況。

3.2 饋電開(kāi)關(guān)防護(hù)系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

受到煤礦井下環(huán)境的影響，如始終處于濕度較高、塵埃較高、存在較大水源電磁干擾的條件下，需對(duì)現(xiàn)有饋電開(kāi)關(guān)的防護(hù)系統(tǒng)提出更高的建設(shè)要求，以進(jìn)一步滿足煤礦井下的特殊運(yùn)行環(huán)境，有效保障饋電開(kāi)關(guān)防護(hù)系統(tǒng)的安全性。因此在硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，可應(yīng)用嵌入式的32位處理器作為微機(jī)控制系統(tǒng)的主要處理核心，進(jìn)一步滿足饋電開(kāi)關(guān)防護(hù)系統(tǒng)在數(shù)據(jù)分析與處理方面的需求，此外在32位處理器的內(nèi)部也可專業(yè)設(shè)置獨(dú)立數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換模塊、電源模塊、監(jiān)測(cè)模塊等，此類內(nèi)置轉(zhuǎn)換模塊的形式也能進(jìn)一步降低原有配電開(kāi)關(guān)防護(hù)系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面的復(fù)雜性和多樣性，既提高了各個(gè)模塊間的運(yùn)行安全和穩(wěn)定，也大大提高了個(gè)人信息數(shù)據(jù)的處理速度，有效降低系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中的能源消耗[5]。

此外，饋電開(kāi)關(guān)防護(hù)系統(tǒng)中設(shè)置了監(jiān)測(cè)傳感器及各類數(shù)據(jù)處理元件，監(jiān)測(cè)傳感器的最主要目標(biāo)在于對(duì)饋電開(kāi)關(guān)系統(tǒng)及電氣系統(tǒng)的電壓及電流情況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，保障整個(gè)防護(hù)系統(tǒng)的運(yùn)行安全性。此時(shí)在供電電路方面可專門增設(shè)穩(wěn)壓芯片，以進(jìn)一步滿足對(duì)現(xiàn)有饋電開(kāi)關(guān)防護(hù)系統(tǒng)電壓的穩(wěn)定性作用。在不同的硬件端口處設(shè)置專用的數(shù)據(jù)通信接口，實(shí)現(xiàn)各類監(jiān)測(cè)信號(hào)的穩(wěn)定傳輸和傳遞功能，在原有功能的基礎(chǔ)上大大拓展了系統(tǒng)要素，實(shí)現(xiàn)了饋電開(kāi)關(guān)防護(hù)系統(tǒng)的全面升級(jí)。

另一方面，煤礦井下電網(wǎng)不同類型的電力設(shè)備相對(duì)較多，在設(shè)備運(yùn)行過(guò)程中存在更大的沖擊電流情況，因此在電氣系統(tǒng)供電過(guò)程中，電壓和電流的波動(dòng)較大，如無(wú)法全面保障饋電開(kāi)關(guān)防護(hù)系統(tǒng)的安全性和穩(wěn)定性，則會(huì)釀成更為嚴(yán)重的風(fēng)險(xiǎn)隱患。因此可在現(xiàn)有防護(hù)系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上增加穩(wěn)壓芯片和穩(wěn)壓電源，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓的目標(biāo)，同時(shí)也可對(duì)現(xiàn)有饋電開(kāi)關(guān)防護(hù)系統(tǒng)進(jìn)行有效降壓和濾波處理，旨在為饋電開(kāi)關(guān)防護(hù)系統(tǒng)提供更加連續(xù)、穩(wěn)定的電壓保障。

3.3 饋電開(kāi)關(guān)防護(hù)系統(tǒng)軟件控制設(shè)計(jì)

對(duì)于煤礦井下電氣系統(tǒng)饋電開(kāi)關(guān)防護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，軟件方面的控制是整個(gè)防護(hù)系統(tǒng)運(yùn)行的核心所在。為進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)全面保護(hù)和綜合功能，要在軟件控制方面實(shí)現(xiàn)對(duì)電氣系統(tǒng)及饋電開(kāi)關(guān)作業(yè)防護(hù)環(huán)境的溫度采集、故障判斷及系統(tǒng)運(yùn)行功率檢測(cè)、數(shù)據(jù)通信等多種層次的需求。在進(jìn)行軟件設(shè)計(jì)時(shí)，可首先對(duì)煤礦井下電氣系統(tǒng)的電路進(jìn)行初始化設(shè)定，全面檢測(cè)有功功率和無(wú)功功率，并對(duì)煤礦井下作業(yè)環(huán)境中與電氣系統(tǒng)相連的各類硬件進(jìn)行狀態(tài)自檢，全方位檢測(cè)電壓和電流狀態(tài)，隨后確保各類設(shè)備及硬件運(yùn)轉(zhuǎn)正常后才可逐漸轉(zhuǎn)移，進(jìn)行系統(tǒng)的正常巡檢和監(jiān)測(cè)。此種形式能進(jìn)一步保障整個(gè)煤礦井下電機(jī)系統(tǒng)的有效運(yùn)行狀態(tài)，一旦不同的環(huán)節(jié)出現(xiàn)故障也會(huì)在相應(yīng)之處通過(guò)信號(hào)傳感器傳達(dá)出故障信號(hào)，進(jìn)行故障的鎖定和分析判斷，通過(guò)現(xiàn)有的防護(hù)系統(tǒng)對(duì)故障進(jìn)行有針對(duì)性的處理，進(jìn)一步提高供用電網(wǎng)絡(luò)和電氣系統(tǒng)的安全性和穩(wěn)定性。

例如在饋電保護(hù)系統(tǒng)軟件邏輯設(shè)計(jì)過(guò)程中可增加手動(dòng)復(fù)位功能，避免系統(tǒng)運(yùn)行出現(xiàn)無(wú)效故障，可經(jīng)過(guò)人工的故障排查后進(jìn)行手動(dòng)復(fù)位，確保現(xiàn)有饋電開(kāi)關(guān)防護(hù)系統(tǒng)能順利運(yùn)轉(zhuǎn)。通過(guò)此類保護(hù)系統(tǒng)的運(yùn)行，煤礦井下電氣系統(tǒng)出現(xiàn)各類故障的次數(shù)大大減少，故障發(fā)生后處理時(shí)間節(jié)約近90%，特別是現(xiàn)有饋電開(kāi)關(guān)防護(hù)系統(tǒng)在發(fā)生故障后能進(jìn)行自我學(xué)習(xí)和故障信息的存儲(chǔ)，記錄故障排查相關(guān)操作，使現(xiàn)有開(kāi)關(guān)防護(hù)系統(tǒng)的保護(hù)功能實(shí)現(xiàn)了較高水平的智能化與自動(dòng)化變革，進(jìn)一步提高了煤礦井下電氣系統(tǒng)的運(yùn)行穩(wěn)定性效果。

3.4 饋電開(kāi)關(guān)防護(hù)系統(tǒng)相關(guān)保護(hù)措施

由于煤礦井下的工作和作業(yè)環(huán)境相對(duì)惡劣，周邊環(huán)境過(guò)于潮濕，存在較大的電磁干擾性，這也使得煤礦井下的電氣系統(tǒng)容易發(fā)生漏電事故，或?qū)е吗侂婇_(kāi)關(guān)防護(hù)系統(tǒng)難以充分發(fā)揮其作用。除現(xiàn)有的配電開(kāi)關(guān)外，各類電氣設(shè)備在運(yùn)行過(guò)程中同樣也會(huì)受到煤礦井下作業(yè)環(huán)境的影響，甚至導(dǎo)致饋電開(kāi)關(guān)防護(hù)系統(tǒng)頻頻出現(xiàn)故障，因此需采取更有針對(duì)性的保護(hù)措施進(jìn)行處理，如可針對(duì)漏電時(shí)無(wú)過(guò)流及短路等方面因素進(jìn)行分散式保護(hù)措施或零序電流保護(hù)措施兩種類型的強(qiáng)效保護(hù)。

首先，在分散式保護(hù)措施中可對(duì)各類電容設(shè)備進(jìn)行有針對(duì)性的分散保護(hù)，煤礦開(kāi)采環(huán)境各類電纜和電線較多，甚至?xí)苯訉?duì)現(xiàn)有分析系統(tǒng)運(yùn)行效率造成影響，因此可應(yīng)用分散式的保護(hù)技術(shù)確保交流電能順利通過(guò)電纜。此類分散保護(hù)技術(shù)的實(shí)施既保障了饋電開(kāi)關(guān)保護(hù)系統(tǒng)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)，也可將現(xiàn)有電纜和電線作為電容器進(jìn)行電氣系統(tǒng)的統(tǒng)一設(shè)計(jì)和規(guī)劃。此外，通電的線路與交流電在功能方面相一致，因此當(dāng)電阻達(dá)到相應(yīng)數(shù)值后電流也會(huì)反向增大，如出現(xiàn)此類相對(duì)臨界的問(wèn)題使現(xiàn)有電阻始終無(wú)法有效運(yùn)行，也會(huì)導(dǎo)致整個(gè)電氣系統(tǒng)存在較大的安全風(fēng)險(xiǎn)，各類設(shè)備會(huì)出現(xiàn)脫落、跳閘等問(wèn)題，因此可進(jìn)行分散保護(hù)，確保分散保護(hù)系統(tǒng)能實(shí)施強(qiáng)有力的保護(hù)，彌補(bǔ)現(xiàn)有煤礦開(kāi)采環(huán)境、電容設(shè)備以及電氣系統(tǒng)的主要不足和隱患。

其次，零序電流保護(hù)措施往往是直接應(yīng)用于低壓饋電開(kāi)關(guān)，是做好漏電防護(hù)的最主要類型之一。其保護(hù)原理在于對(duì)零序電流的漏電進(jìn)行保護(hù)，而不是直接增加電氣系統(tǒng)和電網(wǎng)中的三相電壓負(fù)載量，所以在進(jìn)行零序電流保護(hù)時(shí)可保障流動(dòng)電流的通過(guò)率不是零，因此進(jìn)行零序電流保護(hù)時(shí)相對(duì)于其他類型的保護(hù)措施更多、影響范圍更大，徹底打破了以往分散保護(hù)措施的絕對(duì)因素和局限性。

不容忽視的是，應(yīng)用領(lǐng)域?qū)﹄娏鞅Ｗo(hù)系統(tǒng)同樣也存在一定的影響，例如當(dāng)電氣系統(tǒng)發(fā)生漏電問(wèn)題時(shí)，現(xiàn)有保護(hù)技術(shù)能實(shí)現(xiàn)對(duì)于電氣系統(tǒng)電流的立即切斷，導(dǎo)致整個(gè)電氣系統(tǒng)停電，但不會(huì)直接進(jìn)行跳閘，此種運(yùn)行模式的最大前提在于漏電情況發(fā)生于電氣系統(tǒng)內(nèi)部，但如果直接對(duì)整個(gè)電氣系統(tǒng)進(jìn)行中止和停電，則同樣也會(huì)影響煤礦井下開(kāi)采作業(yè)的持續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)，對(duì)煤礦開(kāi)采工作效率和工作水平造成了一定影響和制約，此外如發(fā)生停電問(wèn)題也會(huì)在地下環(huán)境的陰暗影響下造成更為嚴(yán)重的風(fēng)險(xiǎn)和事故。因此在應(yīng)用零序電流保護(hù)措施時(shí)往往會(huì)與其他類型的保護(hù)技術(shù)進(jìn)行同步應(yīng)用，確保能有效規(guī)避其局限性和負(fù)面影響，真正實(shí)現(xiàn)對(duì)饋電開(kāi)關(guān)防護(hù)系統(tǒng)的有效保護(hù)。

4 結(jié)語(yǔ)

饋電開(kāi)關(guān)防護(hù)系統(tǒng)的規(guī)劃與設(shè)計(jì)，對(duì)于煤礦井下電氣系統(tǒng)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)有重要的意義和價(jià)值。本文首先概述了饋電開(kāi)關(guān)及防護(hù)系統(tǒng)；其次分析了煤礦井下電氣系統(tǒng)饋電開(kāi)關(guān)防護(hù)及漏電事故；最后從饋電開(kāi)關(guān)防護(hù)系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)、硬件結(jié)構(gòu)及軟件控制、相關(guān)保護(hù)措施四個(gè)方面探討了饋電開(kāi)關(guān)防護(hù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與規(guī)劃，希望能進(jìn)一步提高饋電保護(hù)系統(tǒng)的應(yīng)用效率和水平。