基于光纖數字通信的煤礦供電防越級跳閘保護設備應用研究

李文江 ，宋 莉 ，張文超 ，范燕萍

(1.遼寧工程技術大學 電氣與控制工程學院，遼寧 葫蘆島 125105；2.南京磐能電力科技股份公司，江蘇 南京 210000)

目前煤礦井下供電保護系統存在速斷過流保護整定難、失壓保護零時延、漏電保護無法實現比較、保護器功能不全及通信能力差等難題，導致煤礦供電出現欠壓、漏電、短路等故障，嚴重威脅井下供電可靠性。廣泛存在的“越級跳閘”[1]問題是影響井下可靠供電的一個重要因素。

本文提出一種基于光纖數字通信和最新的全站數據共享的數字化變電站技術的煤礦供電防越級跳閘保護設備的應用研究，以期徹底解決廣泛存在的越級跳閘問題，提高井下供電可靠性，并且實現井下供電系統的“四遙”功能，為井下采區變電站實現無人值守創造必要條件。

1 光纖數字通信網絡技術

光纖數字通信網絡技術是眾多通信技術中最有發展前景的技術之一，它將光纖通信[2，3]、數字通信和網絡技術融合在一起，使三者的優點聚集一身。在光纖數字通信網絡技術中，以光纖作為通道介質，不但具有容量大、傳輸距離遠、不怕超高壓與雷電電磁干擾、對電場絕緣、頻帶寬和衰耗低等優點，而且環保且使用壽命長。另外，所傳輸的信號是數字信號，在傳輸過程中可通過再生中繼器將失真脈沖再生為完整的脈沖，故失真不致沿線積累，傳輸距離遠。由于在傳輸過程中只需識別脈沖的有無，故抗干擾能力強。

2 系統硬件部分

2.1 系統構建

該系統基于最新的全站網絡數據共享的數字變電站技術，運用最新處理的大容量技術及納秒級同步采樣專利技術，采用光纖縱差保護作為線路的主保護，配置雙重化保護，應用漏電保護集中選線功能及全站故障錄波功能[4]，解決井下廣泛存在的“越級跳閘”問題，提高井下供電可靠性，實現井下供電保護和測控系統的全數字化。系統架構圖如1所示。

2.2 主要設備介紹

2.2.1 礦用智能保護器

礦用智能保護器安裝于井下采區變電所高爆開關內，就地采集模擬量，輸入量信息數字化后通過點對點光纖網絡上傳至位于中央變電所的礦用隔爆型光傳輸接口，同時接收地面集成保護測控主機下發的跳、合閘控制命令并執行。它滿足高瓦斯運行礦井的要求，由PT(100 V)供電，并配備儲能電容，失電情況下能繼續工作。

礦用智能保護器就地實現測控功能，并在地面集成保護測控主機實現遙測、遙信、遙控及防誤操作等，遙測、遙信數據實時刷新，在地面可100%實現井下高爆開關跳、合閘，其保護定值可在地面進行查閱及修改。

礦用智能保護器具有完善的保護功能。當通信正常時，其就地保護功能不啟用，由地面集成保護測控主機實現全站保護功能；當通信完全中斷時，礦用智能保護器自動啟動就地保護功能。

2.2.2 礦用隔爆型光傳輸接口

礦用隔爆型光傳輸接口由采區變電所供電，裝置嚴格按照國家標準GB 3836-2000《爆炸性氣體環境用電器設備》要求生產，經過國家授權的質檢機構進行防爆檢驗合格，并取得安全標志使用證。

礦用隔爆型光傳輸接口主要功能是將多芯光纖集成四芯光纖上傳同步采樣信息給地面集成保護測控主機；接收集成保護測控主機下發的控制命令并轉發相應的礦用智能保護器；接收GPS時間服務器通過光纖下發的同步采樣信號控制礦用智能保護器的同步采樣，是光纖網絡的關鍵組成部分。

2.2.3 集成保護測控裝置

保護主機運用最新的超大規模FPGA和多DSP內核并行處理技術，運算能力強大，單臺裝置的運算能力和200余臺微機保護裝置相當。

2.3 系統特色

該系統具有鮮明的系統特色：代表了今后煤礦井下繼電保護的發展方向，差動保護實現雙重化配置，實現煤礦漏電保護集中選線功能[6]，極大提高系統漏電保護性能[5]，實現全站故障錄波，實現全站同步采樣，靈活的擴展功能。

3 系統軟件部分

系統主程序包括芯片的初始化、接口的配置、跳閘控制、中斷處理等，系統在保護主機的控制下，可以防止煤礦供電的越級跳閘現象發生。主程序流程圖如2所示。

圖1 系統架構圖

圖2 程序流程圖

4 實驗

針對某煤礦供電系統有可能出現越級跳閘的線路進行保護配置：在各變電所之間的聯絡線配置雙側線路差動保護、三端線路差動保護；在各變電所母線配置母線差動保護；在負荷線路配置保護線路全長的過流速斷保護。在地面6 kV開閉所控制室內安裝A、B集成保護測控主機、遠動綜合屏；在 N3采區 1#、2#變電所各高爆開關內安裝的礦用智能保護器；在井底車場變電所、1#變電所、2#變電所分別安裝兩臺礦用光傳輸接口。試驗系統構建如圖3所示。

圖3 實驗系統構建

在實際現場，分別在采用速斷過流保護和光纖縱差保護作為線路主保護的兩種保護配置模式下，對兩種保護方案在同樣短路故障情況下的保護性能進行對比。試驗在開關705與N3采區1#變電所1#高開之間設置短路點 D1，在N3采區1#變電所2#高開與N3采區2#變電所1#高開之間設置短路點D2，在N3采區2#變電所2#高開饋線設置短路點 D3。

本實驗僅給出D2點發生短路故障時兩種配置模式下的實驗結果。開關正常或失靈情況下故障波形分別如圖4（a）、（b）、（c）、（d）所示，試驗結果如表1所示。 因此下面只給出兩種配置模式下N3采區1#變電所2#高開和N3采區2#變電所1#高開的保護定值及時延的設置，如表2所示。

圖4 實驗結果圖

表1 參數設置表

表2 實驗結果比較對照表

試驗運行表明：系統保護功能齊全、運行穩定，實現了保護的選擇性與快速性，功能可擴展性強，組網靈活，維護巡檢方便，解決了煤礦井下供電保護廣泛存在的“越級跳閘”問題。該系統在煤礦井下供電保護領域達到國際領先水平，具有推廣應用價值。

[1]吳文瑕，陳柏峰，高燕.井下電網越級跳閘現象的研究及解決建議[J].工礦自動化，2008，6(12)：1-5.

[2]李崢峰，楊曙年，喻道，等.繼電保護中光纖通信技術應用[J].電力自動化設備，2007，2(27)：1-6.

[3]鄧大鵬.光纖通信原理[M].北京：人民郵電出版社，2003.

[4]付國新，戴超金，侍昌江，等.智能變電站故障濾波系統設計與探索[J].電力自動化設備，2010，30(7)：1-5.

[5]袁振海，沈祥云，王險峰.零序直流選擇性漏電保護原理分析[J].電工技術學報，2005，20(4)：2-3.