煤礦井下供電網(wǎng)絡(luò)防越級跳閘保護系統(tǒng)的研究

劉 杰

（西山煤電集團有限責任公司遼源礦，山西 太原 030000）

隨著采煤工作面不斷向縱向延伸，從地面變電所到井下中央變電所、各采區(qū)變電所之間所采用的縱向、輻射式的供電網(wǎng)絡(luò)變得越來越復雜。這樣的供電網(wǎng)絡(luò)模式造成井下線路較短，當發(fā)生故障時線路首、末兩端的故障電流從幅值上很難區(qū)分，甚至多數(shù)情況下各段電纜首端的最小兩相短路電流值小于其末端的最大三相短路電流，原先所采用的常規(guī)保護的范圍很小甚至為零，使得三段式保護失去作用，供電系統(tǒng)跳閘頻發(fā)，嚴重影響礦井生產(chǎn)安全[1]。本文基于縱聯(lián)差動保護原理對礦井供電系統(tǒng)進行優(yōu)化設(shè)計，有效解決了越級跳閘頻發(fā)等問題。

1 數(shù)字光纖電流縱聯(lián)差動技術(shù)

1.1 供電系統(tǒng)的架構(gòu)

遼源礦地面建設(shè)一座35 kV 變電站，站內(nèi)設(shè)計容量為10 000 kVA 的變壓器2 臺，系統(tǒng)采用分段單母線接線方式。原有的供電系統(tǒng)配電級數(shù)多，供電距離較短，抗阻小，使得供電系統(tǒng)各點的短路電流相差很小，對于電氣設(shè)備的保護及電氣設(shè)備可靠性保障難以實現(xiàn)。

在礦井供電系統(tǒng)設(shè)計時，供電設(shè)備由于距離較近，一旦線路出現(xiàn)短路問題時，整個系統(tǒng)會出現(xiàn)跳閘停電現(xiàn)象，因此防越級跳閘保護對于供電系統(tǒng)安全十分重要。本文在對比分析電氣閉鎖防越級跳閘技術(shù)、分站集中控制防越級跳閘技術(shù)、數(shù)字變電站防越級跳閘技術(shù)、數(shù)字式光纖電流縱聯(lián)差動等技術(shù)后發(fā)現(xiàn)數(shù)字式光纖電流縱聯(lián)差動防越級跳閘技術(shù)可以很好地避開系統(tǒng)干擾，提升傳輸效率[2]。

1.2 系統(tǒng)的工作原理

縱聯(lián)差動保護原理，是由變壓器的一次和二次電流數(shù)值和相位進行對比而構(gòu)成的保護裝置。縱聯(lián)差動保護裝置由變壓器兩側(cè)的電流互感器和繼電器等組成，電流互感器串聯(lián)形成閉合環(huán)路，電流繼電器并接在環(huán)路上，通過對電流繼電器的兩次電流進行比較從而判斷線路是否發(fā)生故障。當保護范圍內(nèi)發(fā)生故障時，兩側(cè)電流互感器的二次電流大小不相等，相位不相同，流經(jīng)繼電器的差電流不再為零，此時繼電器會做出相應(yīng)動作，斷路器跳閘，達到保護作用。

數(shù)字式光纖電流縱聯(lián)差動保護技術(shù)是對井下的數(shù)據(jù)進行采集并傳輸至地表的主機，通過上位機邏輯語言進行判斷和識別，根據(jù)識別邏輯計算后得出的命令進行保護指令的下發(fā)，從而實現(xiàn)斷路器的控制[3]。系統(tǒng)的故障簡圖如圖1。

圖1 系統(tǒng)故障簡圖

由圖1 可以看出，D1和D2分別為系統(tǒng)內(nèi)部和外部故障的節(jié)點，在圖1（a）正常運行狀態(tài)和圖1（c）外部故障發(fā)生時，配套的保護裝置不發(fā)生作用；當系統(tǒng)出現(xiàn)圖1（b）內(nèi)部故障時，系統(tǒng)會立刻發(fā)出保護指令，做出相應(yīng)的保護動作。

2 防越級跳閘保護系統(tǒng)的設(shè)計

當電路某處短路時，短路點上級開關(guān)都通過短路電流，而下級開關(guān)不通過短路電流。此時下級開關(guān)保護器電流采集模塊檢測不到短路電流，則不發(fā)出短路信號和閉鎖信號；而短路處上級采集模塊檢測到短路電流，發(fā)出短路閉鎖信號；短路閉鎖信號接入上級綜合保護裝置的速斷閉鎖輸入端，使之不能迅速跳閘，形成防越級跳閘保護。

2.1 系統(tǒng)的硬件設(shè)計

基于數(shù)字式光纖電流縱聯(lián)差動保護技術(shù)對煤礦供電系統(tǒng)防越級跳閘保護進行設(shè)計，首先選定32位S3C2440AL-40 的ARM9 芯片為保護系統(tǒng)的核心硬件，系統(tǒng)的功能模塊劃分為數(shù)據(jù)采集、電源模塊、通訊模塊等。防越級跳閘保護系統(tǒng)的核心為S3C2440AL-40 芯片，芯片首先對數(shù)據(jù)采集裝置采集到的電壓值和電流值進行邏輯分析，分析后給出相應(yīng)的指令，指令通過通訊模塊傳輸至開入開出模塊，從而實現(xiàn)防越級保護。同時，S3C2440AL-40與礦井監(jiān)控模塊通過以太網(wǎng)進行連接，對礦井電力系統(tǒng)進行監(jiān)控。

對系統(tǒng)的控制核心S3C2440AL-40 進行布置，采用總線構(gòu)架，布置兩片32 MB 的K4S561632N 芯片用于滿足系統(tǒng)的內(nèi)存需要，同時外擴FLASH 電路，避免檢查數(shù)據(jù)的丟失及運行功率參數(shù)較低的情況。系統(tǒng)運行采用直流整流方案，基本電壓為12 V、5 V、3.3 V，選定AMS1117 實現(xiàn)電壓的變化目標。

對數(shù)據(jù)采集模塊進行設(shè)計，為了得到準確的電氣運行數(shù)據(jù)，調(diào)節(jié)系統(tǒng)的運行效果。在設(shè)計后，由于礦井采用模擬量指標來源于保護線路配套的TA，所以構(gòu)成的模擬量信號重點為這兩側(cè)電流，通過采集電氣數(shù)據(jù)，得到相應(yīng)的矢量差，從而調(diào)節(jié)系統(tǒng)運行。A/D 轉(zhuǎn)化是將采集的信號進行轉(zhuǎn)化，從而形成CPU 可識別的信號。由于本文S3C2440AL-40 芯片的選擇，所以A/D 轉(zhuǎn)化較為簡單，多使用ADC 控制寄存器，具體參數(shù)見表1。

表1 寄存器功能參數(shù)表

對通訊模塊進行設(shè)計，通訊模塊有以太網(wǎng)和光纖通訊兩部分。其中光纖通訊是穩(wěn)定系統(tǒng)運行的關(guān)鍵，CPU S3C2440AL-40 需要按照幀結(jié)構(gòu)進行組幀，然后對信息進行編碼，將編碼完成信息經(jīng)過處理后傳輸至光纖通訊模塊，光纖模塊選定AFBR-5803ATZ。以太網(wǎng)布置中芯片通過變壓器與端口進行部分連接，在變壓器中采用電平耦合進行強化信號，用于增大傳輸?shù)木嚯x。開入開出模塊設(shè)計中，共布置9 路開入量，其中包含斷路器分位、斷路器合位等，模塊芯片對繼電器的工作進行分步管理，當繼電器出現(xiàn)故障時能夠?qū)ν膺M行報警信號的輸出。人機交互界面是整個系統(tǒng)對外顯示的核心，進行人機交互界面設(shè)計時需要重點對LPC1758 處理器、指示燈、顯示屏等進行選型，通過顯示器對電網(wǎng)的工作模式、故障、操作、運行參數(shù)等進行顯示，保護裝置的參數(shù)也能夠通過顯示器進行顯示，同時能夠抵抗礦井生產(chǎn)較為復雜的環(huán)境。本文選定大采公司生產(chǎn)的LCD 顯示器[3]。

2.2 軟件設(shè)計

對系統(tǒng)的保護程序進行設(shè)計，其程序運行步驟如圖2。

圖2 故障處理流程示意圖

如圖2 所示，系統(tǒng)開始運行后首先進行初始化，完成初始化后進行自我檢測。檢測未通過直接報警，檢測通過后確定是否對設(shè)定值進行修改。需要修改則進行修改，無需修改時開啟中斷保護裝置，通過LCD 顯示器對系統(tǒng)運行進行顯示和數(shù)據(jù)的采集。當采集到故障信息后，系統(tǒng)立即進行故障處理，故障處理后繼續(xù)重復類似過程，完成系統(tǒng)的保護。

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的程序開始運行后首先進行A/D值的轉(zhuǎn)換，檢測數(shù)據(jù)讀取是否完成，未完成繼續(xù)讀取，完成后向?qū)?cè)進行信號傳輸，檢測采樣是否同步，未同步重新修正，通過則發(fā)送至ARM9，完成數(shù)據(jù)采集[4]。

3 應(yīng)用分析

為了驗證數(shù)字式光纖電流縱聯(lián)差動保護技術(shù)的效果，進行現(xiàn)場監(jiān)測，監(jiān)測系統(tǒng)采用KYN28A-12金屬封閉式開關(guān)柜，系統(tǒng)布置5 個開關(guān)，分別為K1～K5。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖3。

圖3 檢測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

優(yōu)化前后項目跳閘情況見表2。

表2 優(yōu)化前后項目跳閘情況表

根據(jù)檢測結(jié)果可以看出，采用數(shù)字式光纖電流縱聯(lián)差動保護技術(shù)后，供電系統(tǒng)未發(fā)生越級跳閘現(xiàn)象，同時各方面指標均能滿足設(shè)計預(yù)期，整個系統(tǒng)的保護能夠井然有序的進行[5]。

4 結(jié)論

遼源礦針對原礦井供電系統(tǒng)存在的越級跳閘的現(xiàn)象，基于數(shù)字式光纖電流縱聯(lián)差動保護原理設(shè)計了防越級跳閘保護系統(tǒng)，對系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集、電源模塊、通訊模塊等功能進行介紹，給出了故障處理及數(shù)據(jù)采集程序的工作原理。通過現(xiàn)場應(yīng)用發(fā)現(xiàn)，優(yōu)化后的供電系統(tǒng)無越級跳閘事故產(chǎn)生，保證了礦井供電系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行。