磁窯溝煤礦中央變電所PLC技術應用分析

李雪蓮，劉顯驗

（1、山西省晉神能源有限公司，山西 忻州 036500；2、山西河曲晉神磁窯溝煤業有限公司，山西 忻州 036500）

1 概述

近年來，在礦山供電系統上，由于電氣自動化控制技術的大范圍應用，提高了煤礦供電的效率和安全，然而在應用中仍存在一些問題，主要問題是“越級跳閘”和“漏電保護可靠性”安全隱患。鑒于此，國內學者對解決此問題展開了大量的研究，如李振貴在礦山機電控制中闡述了PLC技術的應用；車守強等分析了中央變電所繼電保護越級跳閘原因，并且提出了防止措施，對供電系統的優化起到了促進作用；王韶偉從原理上系統地設計改造了防越級跳閘系統，取得了很好的應用成果。實踐證明PLC技術針對系統供電系統兩大問題的解決有很好的應用效果。對此，作者嘗試將其應用于山西河曲晉神公司磁窯溝煤礦。

磁窯溝煤礦供電采取的供電模式為多級輻射狀供電模式，此種模式的延伸級數過多，與之配合的保護不充分，保護時限沒有形成有效配合；此外，供電線路短的局限性和系統容量擴增，以及不同級別電流較近，致使保護電流無法配合，為保證快速性犧牲選擇性，“越級跳閘”的情況普遍發生在礦山電網保護系統，由于配合無選擇性，一旦發生短路，礦山供電系統將發生大面積停電，嚴重影響安全生產。“中性點不接地”和“經消弧線圈接地”兩種接地方式是主要采用的兩種接地方式，磁窯溝煤礦井下變壓器采用“中性點不接地”接地方式，此方式會產生的小電流接地系統漏電保護可靠性問題，影響煤礦安全供電。一旦系統發生單向接地故障，受故障復雜性及保護原理的適用性等因素的影響，漏電保護“誤動”、“拒動”現象時有發生，防爆開關采用“經消弧線圈接地”接地方式，在補償方式和消弧線圈脫諧度共同影響下，漏電保護的可靠性大大降低，影響礦井供電系統的供電穩定。鑒于以上原因，基于網絡智能識別的電流保護系統和PLC技術構成的防“越級跳閘”系統結構，能夠從原理上解決礦山供電系統“越級跳閘”問題和通過采用KJ38煤礦供電監控系統將提高 “漏電保護”的穩定性。

2 系統結構

2.1 防“越級跳閘”系統結構

基于網絡智能識別的電流保護和PLC技術用于防“越級跳閘”系統。網絡互操作，即通過保護裝置間的智能通信，實現故障定位。系統由DPR360 F系列數字式保護裝置 （防爆場所：MPR304S數字式礦用綜合保護裝置）和KHL127礦用隔爆型電流保護控制器組成。井下監控系統結構見圖1。

圖1 井下監控系統結構

2.2 KJ38煤礦供電監控系統結構

KJ38煤礦供電監控系統，是為適應煤礦電網的特殊需求而開發的集保護、測控和通信功能于一體的電站綜合自動化系統。系統在設計上采用了較高的軟硬件平臺，借鑒了地面變電站綜合自動化系統成熟的軟硬件技術，使系統具有高效、穩定、可靠的特點。KJ38煤礦供電監控系統的井下監控部分，包括DPS301M主站自動化監控系統、KJ38-F礦用隔爆兼本安型監控分站和MPR300S系列數字式礦用綜合保護裝置，實現井下電網的實時監控、繼電保護和運行管理等功能。井下監控系統結構見圖2。

圖2 井下監控系統結構

3 工作原理

分支開關處于閉合狀態，母線采取并聯工作，參數保持不變，單線路供電裝置的自我調節系統自行調整工作方式。電流通過K42開關，為K2、K21、K5、K6提供電力。一旦在d1處出現障礙，K42、K21、K5、K6、K2共同啟動保護機制，各個裝置信息交流互換，PLC系統準確確定障礙位置，K42保護機制啟動，在安全時限內及時反饋處理，排除故障，在故障處理完成后K2、K21、K5、K6關閉保護機制，可靠保證不動作；如果出現K42保護機制未啟動，開關無法及時打開，由于障礙沒有消除，分支開關的“保護跳閘功能”啟動，導致K6開關通過安全時間t后判斷下級開關狀態，K6位置顯示為有效并跳閘狀態，K2、K21、K5及時監測到K6的工作狀態為不動作。當經過二倍安全時間2 t時，障礙電流仍然存在，K42、K6被系統診斷為拒動狀態，分類為嚴重障礙，則K2、K21、K5同步切斷開關，排除障礙，極大程度上保證了系統的安全；如果分支開關跳閘功能無法正常啟用，一旦K42開關工作狀態為拒動，由K5通過安全時間t后自動跳閘排除障礙；d2處產生障礙時，K21保護機制瞬時激動，快速動作，K2監測到K21的工作狀態有效，保持啟動狀態，當障礙排除后K2保護機制關閉，可靠保證不動作。

4 工程應用

4.1 工程背景

山西河曲晉神磁窯溝煤礦是我國改革開放以來，全國百所中型現代化高產高效礦井之一。地質儲量為12500 Mt/a，礦井生產能力240 Mt/a，年工作日為276天，工作時間為“三八制”。井下供電基本概況：井下供電由地面35 kV變電站6 kV母線Ⅰ、Ⅱ段雙回路供給，6 kV直接下井。變電站6 kV側611#、612#開關經兩趟MYJV22-6/10-3×95 型礦用電纜沿主斜井敷設至井下中央變電所，中央變電所內6 kV單母線分段，所內設250 kVA變壓器兩臺，0.69 kV雙回路供中央水泵房；6 kV電源供各采區變電所。各采區變電所負責向井下其它電氣設備、照明等用電設備供電。井下動力電壓等級為6、1.14、0.66 kV，照明、信號及煤電鉆均為127 V。采區變電所兩路電源均來自中央變電所，電纜型號為MYJV22-6-3×95，總長一萬多米電纜，做采區主供電源。

4.2 中央變電所優化改造

將優化的供電系統結構應用于山西河曲晉神磁窯溝煤礦中央變電所。其井下12個變電所的196臺防爆開關需改造更換MPR304S數字式礦用綜合保護裝置，同時更換原開關的零序電流互感器，采用專用光纖引入裝置將保護裝置的光纖通信接口引至開關接線腔，采用專用通信光纜將光通信接口與KHL127通信服務器連接。

為了與井下變電所智能零時限電流保護配合完成防 “越級跳閘”功能，地面35 kV變電所的630#、640#、605#、607#、646#、623#、608#和風機房變電所的612#、621#出線開關需要更換DPR361LF數字式線路保護裝置；同時井下96臺低壓饋電開關需改造更換MPR392S數字式礦用綜合保護裝置；10臺整流柜需改造更換為MPR302S數字式礦用綜合保護裝置；10臺風機開關需改造更換MPR392F數字式風機綜合保護裝置。

每個變電所安裝1臺KHL127電流保護控制器，用于防“越級跳閘”系統通信；1臺KJ38-F隔爆兼本安型電力監控分站，用于變電所本地監控及上傳地面監控中心；保護裝置與電力監控分站采用CAN通信方式；監控分站之間、監控分站與地面監控中心之間采用光纖或以太網通信。中央變電所配置如表1所示。

表1 中央變電所優化配置

序號 設備名稱11 礦用低壓零序互感器型號TR2153B數量5 MPR302S數字式礦用綜合保護裝置 MPR302S 6 電流保護控制器 KHL127 7 DFR361LF數字式線路保護裝置 DFR361LF 8 專用光纜 MGTSV-6B 9 礦用隔爆兼本安型網絡交換機 KJJ127 10 礦用高壓零序互感器 2MXQ51B 12 礦用低壓電流互感器 ZMXQ49 13 礦用低壓電流互感器 AKH-0.66/4×10 14 保護裝置改造配線15 保護裝置安裝支架

圖3 磁窯溝煤礦電力監控分站（上）及電流保護控制系統(下）

4.3 優化效果

磁窯溝煤礦井下中央變電所基于PLC技術，利用KHL127電流保護系統及KJ38-F電力監控系統，優化了原供電系統，解決了原供電系統中存在的兩大安全隱患。磁窯溝煤礦中央變電所供電系統目前運轉穩定，保護機制可靠安全，在3年內未發生任何故障，減輕了維護人員的工作量，大大降低了維護費用，對建設安全高效礦井建設起到了重要作用。

5 結語

針對礦山供電系統中存在的“越級跳閘”問題和“漏電保護”的不穩定，通過對問題的原因分析，利用PLC技術從原理上優化了供電系統結構。將此結構應用于磁窯溝煤礦中央變電所，提高了供電系統的穩定性和安全性，表明了PLC技術對于礦山供電系統問題解決的可行性。隨著自動化技術不斷深入生產工作，PLC技術的應用將越來越廣泛，如何對煤礦生產系統進一步優化，仍需要科研人員，不斷地探索和實踐。