谈煤矿供电系统防越级跳闸技术

摘要：煤矿供电系统线路长、运行方式多变，在整定过流速断保护时无法满足选择性要求，容易出现越级跳闸造成停电范围扩大。为了避免越级跳闸，研究了一种先进的微机集成光纤保护系统，该系统由智能光纤保护装置PA61和智能光纤控制服务器SU20组网构成。在分析煤矿供电网络及其越级跳闸现象的基础上，介绍了PA61和SU20的硬件设计方案。

关键词：越级跳闸；煤矿；供电系统

引言

在煤矿供电网络中，馈电开关可能由于某些情况误动作跳开，分馈电开关动作跳开可能造成某工作面范围所有用电设备停用，影响煤炭生产，如果出现越级跳闸将导致停电范围扩大，引发电气设备损坏甚至人员伤亡事故。煤矿井下防越级跳闸技术一直是国内外技术人员研究的热点，最初我国有部分煤矿采用电信号逻辑闭锁方式和分站集中控制方式，这两种方式分别存在实用性差以及控制主机要求高等问题。随着相关技术的发展，有专家提出一种基于纵联差动保护原理的防越级跳闸方案，目前光纤纵差保护是地面电网应用广泛的线路保护技术，但其应用于矿井供电网络时存在保护区域单一、成本高的问题。本文针对防越级跳闸技术中的通信问题，设计了一种专用的通信控制器，实现了基于广域测量技术的现场智能设备越级跳闸的速断保护。

1煤矿供电网络及越级跳闸分析

1．1煤矿供电网络

某煤矿井下供电网络接线图如图1（a）所示，矿井供电系统采用10kV电压等级，中性点不接地方式运行，地面35kV变电站的101母线和102母线分别引出，经高压电缆穿过井筒作为井下中央变电所进线电源，井下中央变电所也是分段结构，分别向2个采区变电所供电，然后出线至工作面负荷。按照不同等级变电所简化网络，可以得到简化示意图如图1（b）所示。正常情况下每个分段线路都配置有速断保护，即在本线路范围内如果发生短路故障，则希望离短路点最近的开关保护动作跳闸，例如K2点或K3点短路时希望201跳闸，K4点短路时希望301跳闸，实际情况K3点和K4点短路的短路电流对于201保护装置来说是无法区分的，因此K4点短路故障发生时就会出现跳201而非跳301的越级跳闸现象。

1．2越级跳闸的原因

煤矿供电环境相比地面恶劣，空气潮湿，地质情况多变，因此供电电缆容易发生绝缘损坏造成短路，当短路点接近开关两侧时就会发生越级跳闸。总体而言，越级跳闸的原因是由电网的特性和结构决定的，短路电流越大、供电线路越长，在保护方案不完善的情况下越容易发生越级跳闸，井下电网的运行方式千差万别，为了满足灵敏度要求，保护整定值会比正常线路选取更低，速断保护无法体现选择性时就出现了越级跳闸。

2防越级跳闸系统总体设计

煤矿智能变电站的结构分为三层：上层为设备控制、数据通信和人机交互的站控层；中间层为现场设备连接和数据监控的间隔层；底层为与一次设备连接、数据采集和保护的过程层。本系统设计了智能光纤保护装置和智能光纤保护服务器，智能保护装置采用分布式安装在井下各供电支路，实时采集数据并发送给合并单元，进而通过光纤网络发送给上一级智能保护装置，光纤服务器的作用是对光纤信号进行接收、汇总和上传。

2．1智能光纤保护装置

PA61智能光纤保护装置PA61采用了三核心硬件架构：LED信号灯、LCD显示屏和键盘等显示控制模块采用ARM控制器；PT、CT采集的电流电压数据信号、数字量输出模块、RS485通信模块采用DSP控制器；数字量输入模块和光纤传输模块采用FPGA控制器。防越级跳闸保护装置PA61总体设计原理如图2所示。

2．2智能光纤服务器

SU20智能光纤服务器SU20的核心控制器为FPGA，每个控制器具有7路端口，通过74LV4245芯片与光纤收发器连接。前6路端口的设计逻辑相同，每路端口发送和接收的数据信息为除本路信息以外的其他6路信息。第7路端口TX7发送和接收的数据信息为所有7路信息的总和。这种设计的好处是适合运行方式多变的煤矿供电系统，当运行方式发生变化时，只需要根据相应的运行方式改变光纤连接即可。图3为智能光纤服务器硬件设计原理图。

3矿井变电所设备组网保护

3．1组网方案

整套防越级保护系统由智能光纤保护装置PA61和智能光纤服务器SU20组成光纤信号闭锁系统，应用时需要按照上下级系统或多级系统的要求进行组网。如果是上下级系统，只需在馈线开关和进线开关处分别装设一台PA61，由下级线路保护向上级线路保护发送光纤闭锁信号，实现防越级跳闸功能，上下级防越级跳闸组网方案如图4所示。如果是多进线、多分段的供电方式可变的多级系统，需要在所有馈线开关配置PA61，在所有进线开关、母线和分段开关配置SU20，形成多点集中、闭锁信号统一发送的防越级跳闸组网方式，如图5所示。 

3．2不同供电系统组网案例

井下各变电所组网情况根据各自接线方式的不同分别设计，主要有煤机头变电所、煤盘区变电所和机头变电所。

3．2．1煤机头变电所组网方案图6为煤机头变电所组网方案。如图6所示，1＃进线柜内，PA61的光口接收来自SU20（1）的闭锁信号；15＃进线柜内，PA61的光口接收来自SU20（2）的闭锁信号；9＃分段柜内，PA61有两对接收和发送光口，分别对应SU20（1）和SU20（2）的发送光口；Ⅰ段母线的2号柜、4号柜、5号柜、6号柜、7号柜、8号柜，Ⅱ段母线的11号柜、13号柜、14号柜内PA61向上级馈电线路发送闭锁信号；除此以外，5＃柜、13＃柜内PA61装置还要分别接收下级线路的光纤闭锁信号。

3．2．2煤盘区变电所组网方案图7为煤盘区变电所组网方案。图7中，煤盘区变电所共有两条进线1＃柜、20＃柜，一个分段11＃柜，17条馈线，其中14条运行。PA61配置：每个开关柜上配置一台PA61，共计17台PA61；SU20配置：分段两侧母线上都配置2台SU20，共计4台SU20。

3．2．3机头变电所组网方案图8为机头变电所组网方案。图8中，该变电所共有两条进线，分别是1＃柜、18＃柜，一个分段11＃柜，10条馈线。每个开关柜上配置一台PA61，共计13台PA61；因Ⅰ段母线上接的馈线数量和分段数量的总数超过7个，所以要用两台SU20，其中一台备用。Ⅱ段母线上配置一台SU20。

4软件设计

本系统的软件设计采用模块化设计语言，分别设计了DSP控制器主程序、光纤传输信号子程序、判断故障闭锁信号发出子程序、速断保护子程序、SU20服务器主程序。图9为SU20服务器主程序流程图。

5结束语

针对煤矿井下变电所数量多，组成的多级供电网络保护整定困难，馈电开关的保护选择性不强造成的越级跳闸问题，研究了一种基于智能光纤保护装置PA61和智能光纤服务器SU20的防越级微机集成保护系统，本系统的应用能够提高煤矿供电系统保护装置的选择性，防止越级跳闸造成事故扩大，对于煤矿供电系统的安全性和可靠性具有重要意义。

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作者：张健 单位：山西春成煤矿勘察设计有限公司