煤矿井下供电防越级跳闸新技术探析

-精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 1 煤矿井下供电防越级跳闸新技术探 析 摘要：由于煤矿供电系统经常会 有越级跳闸的情况出现，所以本文提出 避免越级跳闸的解决方法，考虑到现在 煤矿井下的施工环境以及保护控制器的 现有状况，保护控制器采用的是基于 GOOSE 闭锁且具有选择性短路保护功 能。结果显示，优化后的保护控制器确 定故障点位置更快更准，这就可以根据 故障点就近选择开关跳闸，防止为此造 成的大面积停电，既保证安全隐患减少， 又使煤矿供电系统更加可靠和安全。 中国论文网 /7/view-12989031.htm 关键词：越级跳闸；现状；电路 保护；技术 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 2 一、概述 作为煤矿安全生产的重要组成部 分，供电系统的作用不可或缺。由于现 在采煤工作面持续延伸至煤矿井下，各 变电所（上至地面变电所，下至井下中 央变电所以及各工作面采区变电所）和 变电站的之间的供电模式为纵向、垂直、 多层级，供电网络为单侧电源三到四级 干线式，供电线路通过多段电缆或是大 截面电缆组成。受到供电线路电气距离 短的缘故，当短路故障发生时始末端短 路电流相差不大。通常一个地方短路就 会使得多级开关故障电流一样，可通过 设定时限级差确保速断选择性的方式来 防止误动，因为上级供电部门的管控， 井下发生多级开关跳闸先后跳闸不能以 设定时限级差的方式解决，这样就会致 使多级开关一起跳闸，然后发生大面积 停电的现象。 二、当前防越级跳闸解决方案分 析 （一）以电气信号闭锁方式的短 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 3 路保护 该短路保护理论较为简单，而且 目的性也比较明确，但实际效果一般。 第一，众所周知，煤矿井下环境恶劣， 供电系统复杂，无法充分确保电气闭锁 信号远距可靠传输，即使是有屏蔽双绞 线差分信号传输方案提出，也无济于事。 第二，电气闭锁涉及很多电缆，而且连 接也很复杂，需要通过逻辑闭锁器来解 决出进线开关间的电气闭锁，同时要通 过供电网络变化情况调整闭锁逻辑，由 于太过复杂，加之施工难，这就造成逻 辑闭锁器不易完成。第三，以电气信号 闭锁方式的短路保护自检功能欠缺，如 有故障，不能及时发现，维修和维护有 一定的难度。综上所述，这种方式可用 性不强。 （二）光线纵差和纵联保护 光纤纵差是通过比较对端的输电 线路两端电流幅值以及相位信息（其是 由专门的光纤网络进行传送）进而分析 本线路范围有无故障发生，然后判断是 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 4 否切除本线路。光纤纵联保护原理和光 纤纵差保护大致一样，但传送的是逻辑 信息，而非电流幅值和相位。 光纤纵差和纵联保护最显著的优 势就是可以令保护的选择性和快速性得 以实现。前者需要同步处理线路两侧的 电流信息，这对现有的矿用保护装置来 说有一定的技术难度。另外，这两者保 护需要用到很多专用的通讯光纤，不但 令供电系统网络设计的难度增加，而且 增加了成本，加之矿上的恶劣环境，光 纤和电缆极易受到破坏，那么光纤纵差 和纵联保护就没有通信信道做支撑，也 就实现不了应有功能。总之，在原理上 而言，光纤纵差和纵联保护能够把矿井 供电系统的故障选择性解决，但是考虑 施工条件和成本，这种方式的实用性也 欠佳。 （三）以数字化变电站技术的集 中式保护 该技术主要把信息由模拟信息变 为数字信息，然后建立相应的控制系统 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 5 以及通信网络。该方式需要井下保护控 制单元有光纤数字通讯接口，通过光纤 网络把井下控制点电气量信息传输至集 中式保护控制器，在其里面完成故障位 置识别以及跳闸出口的控制，然后井下 保护控制单元断开相关断路器，这样能 够正确识别故障，同时防止越级跳闸。 该保护方式在技术的实行上没有 问题，但是要克服多个测量控制点数据 同步的技术难题，另外，该保护方式对 通讯系统要求较高，而且对其依赖性也 高，倘若通讯系统有问题发生，则可能 使得停电范围进一步扩大，更甚至丧失 所有的保护功能。不仅如此，集中式保 护控制器作为系统中枢，使得风险也较 为集中。 该保护方式要实现并不容易，因 为其理念和矿井高压开关设计方式、网 架结构、安装模式还有一定的差距，所 以，其实现过程仍旧会比较漫长，对解 决现在的越级跳闸问题而言，条件还不 成熟。 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 6 （四）以 CAN 网的选择性短路 保护 该保护方式原理是增加一台保护 控制器在每个辐射状的供电保护系统中， 逻辑控制器接受辐射状供电保护系统的 信号，根据上级关系，设置各级保护控 制器不一样的优先级，靠近电源越近， 优先级越低，如果有故障发生，那么达 到跳闸条件的各保护控制器就会向逻辑 控制器送故障信号，然后逻辑控制器根 据优先等级来发出跳闸命令，进而把故 障切除，如果有延时的情况而导致最优 先的保护控制器没有把故障切除的话， 那么次优先级保护器就会解决上述问题， 从而令保护的选择性得以实现。 该方式实用性不错，但是由于要 增加额外的逻辑控制器，并且还有设置 相对独立的 CAN 通讯网络，施工难度 和成本都是煤矿难解决的。另外，跳闸 指令的执行受到 CAN 通讯的影响，故 障切除需要较长时间。 三、GOOSE 闭锁短路保护 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 7 （一）GOOSE 特征 GOOSE 传输模式为无连接，报 文有优先级标签，只用应用层、物理层、 表示层和链路层，便于提高传输的实时 性，是延时降低。其通过重发机制来解 决丢失问题，以增大发送时间间隔的方 式使网络流量和可靠性关系得以平衡， 同时引入相应参数（报文存活时间、重 发序号、状态变化次数序号）确保数据 传输的可靠。另外，GOOSE 报文的发 送方式为多播，能够通过发送心跳报文 的形式完成异常自检，防止链路异常而 引发的越级跳闸。 （二）GOOSE 闭锁的短路保护 原理 GOOSE 闭锁短路保护控制器系 统图如图 1 所示，在现有保护功能的基 础上加入了以太网通讯接口以及 GOOSE 闭锁时间定值，通过以太网通 讯接口，使 GOOSE 闭锁信号的处理和 系统功能得以完成。 图 1 GOOSE 闭锁的选择性短路 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 8 保护系统 矿井供电系统故障示意图如图 2 所示，K4 有短路故障时，1-4 保护控制 器都会把故障电流检测到，一旦达到动 作门槛，就会把 GOOSE 闭锁报文发送， GOOSE 配置完成后，1-3 保护控制器会 收到保护控制器 4 的报文信息，1-3 保 护控制器在闭锁的间定值内不会动作， 由保护控制器 4 先动作将故障切除，如 果在间定值内 1-3 保护控制器仍旧达到 动作的条件，那么则有保护控制器 3 将 故障切除，同理，其它线路也是如此。 图 2 煤矿井下供电系统故障示意 图 （三）GOOSE 闭锁的短路保护 实现 保护控制器所选用的控制器型 号为 ARM 芯片 STM32 系列，由 ST 公 司生产，主要通过绝缘监视保护单元、 开关量单元、人机接口单元、交流采样 单元、通讯单元、中央处理器单元以及 电源单元等来实现闭锁短路保护。同时， -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 9 经过实验验证得知，基于 GOOSE 闭锁 的短路保护对于解决越级跳闸问题效果 较好。 （四）工程实施 该工程实施比较简单易行，安装 保护控制器，设置 IP 地质，接入监控 网络，整定短路保护电流定值，然后投 入 GOOSE 闭锁控制字，以