煤礦井下供電監(jiān)控及防越級(jí)跳閘系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用

陳明明

(山西晉煤集團(tuán)技術(shù)研究院有限責(zé)任公司，山西 晉城 048006)

供電系統(tǒng)作為煤礦六大系統(tǒng)之一機(jī)電系統(tǒng)的重要組成部分，在煤礦生產(chǎn)中具有舉足輕重的地位，作為礦井生產(chǎn)的主要?jiǎng)恿?lái)源，直接關(guān)系著整個(gè)礦井的生產(chǎn)產(chǎn)量。越級(jí)跳閘作為供電系統(tǒng)的常見(jiàn)事故之一，具有影響范圍大、故障判斷難等特點(diǎn)，此類事故一旦發(fā)生，將會(huì)造成采區(qū)大面積停電停產(chǎn)，嚴(yán)重影響礦井生產(chǎn)。煤礦井下供電監(jiān)測(cè)及防越級(jí)跳閘系統(tǒng)作為監(jiān)測(cè)煤礦井下供電系統(tǒng)安全穩(wěn)定高效運(yùn)行防止越級(jí)跳閘事故的有效手段，得到了廣泛的應(yīng)用[1]。

晉能控股煤業(yè)集團(tuán)趙莊煤業(yè)二號(hào)井作為晉能控股煤業(yè)集團(tuán)主力礦井之一，其礦井供電系統(tǒng)層級(jí)多，防越級(jí)跳閘功能不完善，存在因漏電保護(hù)判定依據(jù)不準(zhǔn)確，導(dǎo)致井下高壓漏電保護(hù)亂跳、誤跳等問(wèn)題，且防越級(jí)跳閘系統(tǒng)只做了井下部分，未實(shí)現(xiàn)地面與井下供電監(jiān)控整體防越級(jí)跳閘系統(tǒng)建設(shè)。鑒于此，設(shè)計(jì)了一套可靠的供電監(jiān)測(cè)及防越級(jí)跳閘系統(tǒng)，系統(tǒng)在高壓部分采用診斷信號(hào)法進(jìn)行精準(zhǔn)漏電保護(hù)，在低壓部分采用復(fù)合信號(hào)法進(jìn)行精準(zhǔn)漏電保護(hù)，并利用工業(yè)環(huán)網(wǎng)進(jìn)行上位機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)控，統(tǒng)一電網(wǎng)監(jiān)控平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了電網(wǎng)的遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控和定期巡視、故障自動(dòng)定位、隔離故障區(qū)段等功能，進(jìn)一步推進(jìn)了趙莊煤業(yè)二號(hào)井的數(shù)字化、信息化建設(shè)[2]。

1 防越級(jí)跳閘系統(tǒng)原理

1.1 診斷信號(hào)法漏電保護(hù)系統(tǒng)

診斷信號(hào)法漏電保護(hù)系統(tǒng)由SY3601 消弧與信號(hào)注入柜、分散式智能選漏綜合保護(hù)器（ZBT-11C防越級(jí)高開(kāi)綜合保護(hù)器或者ZBT-11XL 高壓選漏及消弧裝置）構(gòu)成，保護(hù)器之間以及保護(hù)器與注入柜之間無(wú)需通信連線，在地面任一變電所母線上接入一臺(tái)消弧與信號(hào)注入柜，配合智能選漏綜合保護(hù)器實(shí)現(xiàn)漏電保護(hù)。如果高壓供電系統(tǒng)是分列運(yùn)行的，每個(gè)分列供電系統(tǒng)需安裝一臺(tái)SY3601 消弧與信號(hào)注入柜[3]。智能選漏綜合保護(hù)器有兩種，一種是ZBT-11C 防越級(jí)高開(kāi)綜合保護(hù)器，另一種是ZBT-11XL 高壓選漏及消弧裝置。ZBT-11C 防越級(jí)高開(kāi)綜合保護(hù)器內(nèi)置了信號(hào)捕捉模塊和算法，可以在實(shí)現(xiàn)防越級(jí)保護(hù)的同時(shí)，配合消弧與信號(hào)注入柜實(shí)現(xiàn)基于外部信號(hào)的高壓智能選漏保護(hù)系統(tǒng)。ZBT-11XL高壓選漏及消弧裝置是專門(mén)研發(fā)的基于外部信號(hào)的漏電保護(hù)器，它也可與信號(hào)注入柜配合實(shí)現(xiàn)漏電保護(hù)。ZBT-11XL 高壓選漏及消弧裝置體積小，適合于安裝在礦用一般型開(kāi)關(guān)柜中，也適合安裝在高爆開(kāi)關(guān)中。在沒(méi)有安裝ZBT-11C 防越級(jí)高開(kāi)綜合保護(hù)器的高爆開(kāi)關(guān)中，安裝ZBT-11XL 高壓選漏及消弧裝置實(shí)現(xiàn)基于診斷信號(hào)的高壓漏電保護(hù)系統(tǒng)[4]。其工作原理如圖1。

圖1 診斷信號(hào)法漏電保護(hù)系統(tǒng)工作原理

地面SY3601 消弧與信號(hào)注入柜在探測(cè)到供電系統(tǒng)有單相接地時(shí)，向供電系統(tǒng)注入診斷信號(hào)；ZBT-11C 防越級(jí)高開(kāi)綜合保護(hù)器或ZBT-11XL 高壓選漏及消弧裝置對(duì)注入的診斷信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)，當(dāng)診斷信號(hào)值達(dá)到設(shè)定值時(shí)，判定為接地線路，異頻漏電保護(hù)出口跳閘，切除故障，供電系統(tǒng)供電恢復(fù)正常；井上下高壓開(kāi)關(guān)所安裝ZBT-11C 防越級(jí)高開(kāi)綜合保護(hù)器內(nèi)部已經(jīng)具有對(duì)診斷信號(hào)檢測(cè)功能的漏電保護(hù)，無(wú)需增加硬件即可解決漏電選擇性問(wèn)題。

1.2 復(fù)合信號(hào)法漏電保護(hù)系統(tǒng)

復(fù)合信號(hào)法漏電保護(hù)系統(tǒng)使用網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渌惴?，每個(gè)開(kāi)關(guān)既是數(shù)據(jù)采集器，也是數(shù)據(jù)分析器，系統(tǒng)將原主機(jī)進(jìn)行的運(yùn)算判斷功能下放至各個(gè)開(kāi)關(guān)，減少主機(jī)運(yùn)算量和網(wǎng)絡(luò)占用率，通過(guò)分散安裝的DYZB-01 礦用低壓綜合保護(hù)器搭建的專用保護(hù)信息網(wǎng)快速交換信息，能夠快速判斷故障區(qū)段，準(zhǔn)確切斷距離故障點(diǎn)最近的上級(jí)開(kāi)關(guān)，同時(shí)各級(jí)開(kāi)關(guān)也可以相互驗(yàn)證判斷結(jié)果，提高故障判斷的準(zhǔn)確性，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)防越級(jí)跳閘的目的[5]。

復(fù)合信號(hào)法漏電保護(hù)系統(tǒng)主要由DYZB-01 礦用低壓綜合保護(hù)器、KJJ156 礦用本安型網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)以及礦用光纜網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成。每個(gè)防越級(jí)綜合保護(hù)器通過(guò)通信總線接入防越級(jí)跳閘網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)，交換機(jī)間通過(guò)光纜連接構(gòu)成高速通信防越級(jí)環(huán)網(wǎng)。環(huán)網(wǎng)搭建光纖防越級(jí)通道，采用快速故障信息報(bào)文交互技術(shù)，實(shí)現(xiàn)防越級(jí)跳閘功能[6]。系統(tǒng)工作原理如圖2。

圖2 復(fù)合信號(hào)法漏電保護(hù)系統(tǒng)工作原理

終端線d1 處發(fā)生短路時(shí)，1DL、2DL、3DL、4DL、6DL 全部檢測(cè)到短路電流；1DL、2DL、3DL、4DL 通過(guò)故障信息互換與判斷，判定為區(qū)域外故障，閉鎖防越級(jí)保護(hù)；6DL的短路保護(hù)動(dòng)作跳閘，以切斷故障回路，同時(shí)發(fā)信號(hào)給4DL 啟動(dòng)后備保護(hù)；一旦6DL 開(kāi)關(guān)拒動(dòng)，則故障依然存在，4DL 的智能后備保護(hù)立刻動(dòng)作切斷相應(yīng)故障回路；如果4DL 通信完全中斷，不能進(jìn)行防越級(jí)保護(hù)動(dòng)作，4DL 自帶的固定延時(shí)短路保護(hù)起作用，切斷故障回路。

當(dāng)聯(lián)絡(luò)線d3 處發(fā)生短路時(shí)，1DL、2DL、3DL、4DL、5DL 全部檢測(cè)到短路電流；1DL、2DL、3DL、4DL、5DL 通過(guò)故障信息互換與判斷，判定故障發(fā)生在d3 處，1DL、2DL、3DL、4DL 閉鎖防越級(jí)保護(hù)；5DL 防越級(jí)保護(hù)動(dòng)作跳閘，以斷故障回路，同時(shí)發(fā)信號(hào)給4DL 啟動(dòng)智能后備保護(hù)；此時(shí)，如果5DL 拒動(dòng)，4DL 動(dòng)作跳閘，切斷故障回路；如果4DL 也拒動(dòng)，或通信完全中斷，則由4DL 自帶的固定延時(shí)短路保護(hù)起作用，切斷故障回路。

當(dāng)母線d2 處發(fā)生短路時(shí)，1DL、2DL、3DL、4DL 全部檢測(cè)到短路電流,而5DL 與6DL 沒(méi)有檢測(cè)到短路電流；1DL、2DL、3DL 通過(guò)信息互換與判斷，判定為區(qū)域外故障，閉鎖防越級(jí)保護(hù)；4DL沒(méi)有接收到下級(jí)故障信息，判斷為母線故障，此時(shí)差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作，切斷故障回路，同時(shí)3DL 啟動(dòng)智能后備保護(hù)；如果3DL 與4DL 通信故障或4DL 開(kāi)關(guān)異常，3DL會(huì)由固定延時(shí)短路跳閘，切斷故障回路[7]。

2 井下供電監(jiān)控及防越級(jí)跳閘系統(tǒng)

井下供電監(jiān)控及防越級(jí)跳閘系統(tǒng)主要由高壓部分和低壓部分組成，高壓部分包含地面變電站及井下變電所的高壓開(kāi)關(guān)；高壓部分指井下動(dòng)力移動(dòng)變電站到饋電開(kāi)關(guān)部分。系統(tǒng)的拓?fù)鋱D如圖3。

圖3 煤礦井下供電監(jiān)控系統(tǒng)拓?fù)鋱D

高壓部分通過(guò)對(duì)井下變電所已安裝的ZBT-11C防越級(jí)高開(kāi)綜合保護(hù)器進(jìn)行程序升級(jí)使其具備診斷信號(hào)法漏電保護(hù)功能，并與地面變電站安裝的SY3601 消弧與信號(hào)注入柜配合，采用診斷信號(hào)法漏電保護(hù)原理，實(shí)現(xiàn)井下變電所高壓漏電系統(tǒng)的精準(zhǔn)漏電保護(hù)功能，徹底解決井下高壓開(kāi)關(guān)在發(fā)生漏電故障時(shí)，保護(hù)亂跳、誤動(dòng)、選擇性不準(zhǔn)確問(wèn)題[8]。

低壓部分利用井下變電所內(nèi)低壓饋電開(kāi)關(guān)綜合保護(hù)器升級(jí)改造為帶有防越級(jí)及電能計(jì)量功能的DYZB-01 礦用低壓綜合保護(hù)器，把變電所內(nèi)的DYZB-01 礦用低壓綜合保護(hù)器通過(guò)RS-485 方式接入電力監(jiān)控分站，實(shí)現(xiàn)變電所當(dāng)?shù)丶斜O(jiān)控和地面監(jiān)控中心進(jìn)行遠(yuǎn)程遙測(cè)、遙信、遙控、遙調(diào)、遙脈、遙試等功能[9]。

3 系統(tǒng)功能

系統(tǒng)上位機(jī)采用時(shí)下最流行的BS 架構(gòu)技術(shù)，依靠其特有的硬件構(gòu)架除具有實(shí)時(shí)監(jiān)控顯示、數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)、查詢、故障診斷及報(bào)告功能外，還具有：

1）一鍵送電功能?？稍诤笈_(tái)通過(guò)編程實(shí)現(xiàn)對(duì)變電所開(kāi)關(guān)按照先后順序快速逐級(jí)恢復(fù)送電；恢復(fù)送電的順序可根據(jù)礦具體情況進(jìn)行修改[10]；

2）事件記錄存儲(chǔ)檢索功能。系統(tǒng)監(jiān)控設(shè)備出現(xiàn)狀態(tài)變化時(shí)，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)生成帶時(shí)標(biāo)的事件記錄，存儲(chǔ)在磁盤(pán)中，方便后期的檢索查詢；

3）故障定位功能。系統(tǒng)能夠根據(jù)保護(hù)器動(dòng)作信息，自動(dòng)判斷故障發(fā)生區(qū)域，定位故障區(qū)間，判斷故障停電影響范圍，并給出恢復(fù)送電的最優(yōu)方案；

4）故障錄波功能?？梢詫?duì)故障時(shí)刻的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,橫向和縱向比較，更快更準(zhǔn)地確定故障點(diǎn)和故障情況[11]。

4 結(jié)語(yǔ)

該系統(tǒng)于2021 年10 月完成系統(tǒng)調(diào)試，并投入試運(yùn)行。在為期一年的試運(yùn)行期間，井下供電線路未發(fā)生一起越級(jí)跳閘事故，線路發(fā)生故障跳閘時(shí)，系統(tǒng)多次準(zhǔn)確判斷出故障區(qū)域，快速自動(dòng)斷電，并給出最優(yōu)恢復(fù)供電方案，將因供電線路跳閘影響的生產(chǎn)區(qū)域縮小到最小范圍，為礦井的安全高效生產(chǎn)提供有力的供電支撐。