煤礦井下機械供電設備可靠性優化設計

杜建平

（山西離柳焦煤集團有限公司， 山西 孝義 032302）

引言

由于煤礦井下生產環境復雜、設備布置分散、距離遠等因素，大多數煤礦井下機械供電設備布置時通常采用單條電源線供電結構，造成整個煤礦井下機械供電設備呈輻射狀分布結構，這些設備之間通常為串聯結構，連接距離短、設備中的阻抗較小、分布電流大，再加上煤礦井下環境復雜、用電設備多、系統負荷大等因素，使得井下經常發生越級跳閘事故，造成大面積停電，嚴重影響煤礦的安全生產和井下人員的生命安全。

針對目前煤礦井下機械供電設備存在的問題，在對發生越級跳閘事故詳細研究的基礎上，提出基于面向通用對象的變電站事件（簡稱GOOSE）通訊機制的防越級跳閘保護設備[1]，用于煤礦井下機械供電設備發生故障時能夠及時、準確地將閉鎖動作信號傳遞到發生故障的區域，能夠及時將該區域的故障進行切除，防止進一步擴大，同時提高了煤礦井下機械供電設備的智能化程度，對確保煤礦井下機械供電設備安全穩定的運行及對煤礦井下機械供電設備的智能化改造具有重大意義。

1 基于GOOSE的防越級跳閘保護裝置的原理

在圖1所示的單條電源串聯配電結構示意圖中，3、4位置的兩個保護開關之間僅有1條母線，當在位置5發生線路故障后，位置3、4處保護開關監測到的電流大小實際上基本一致，當5處發生短路事故時，煤礦井下機械供電設備的保護裝置能夠及時切斷該區域的供電連接，確保其不會波及到其他的機械供電設備。目前通用的解決方案是當哪個區域發生短路事故時其保護裝置在啟動保護動作的同時，向上級供電設備發出一個閉鎖保護的信號，將供電設備進線處的保護裝置進行閉鎖，從而避免上一級的供電設備發生越級跳閘事故，但這種方法需要在煤礦井下機械供電設備之間增加線路和設備，同時還需要多次二次接線，經濟性較低。

圖1 單條電源串聯配電結構示意圖

基于GOOSE通訊機制的防越級跳閘保護裝置，當煤礦井下機械供電設備的下級設備發生事故時，該區域的保護開關在啟動保護動作的同時，向該供電設備發出一個GOOSE閉鎖信號[2]，使供電設備的進線保護裝置實現閉鎖，確保了煤礦井下機械供電設備下級開關保護裝置啟動保護動作時的選擇性，當發生故障區域的井下機械供電設備保護裝置啟動保護動作后，同時發出一個解除閉鎖的信號指令，如果發生故障區域的井下機械供電設備保護裝置沒有正常啟動保護動作，則由上級的保護裝置閉鎖，實現線路保護。此方案解決了在單條電源串聯配電的供電設備中同一條母線上的進線保護裝置與饋線保護裝置上動作電流難以實現整定的難題。

2 基于GOOSE通訊機制的防越級跳閘保護裝置的硬件設計

基于GOOSE通訊機制的防越級跳閘保護裝置的硬件結構如下頁圖2所示，其控制裝置用于控制機械供電設備內各類數據的收集和分析，控制設備進行相應的控制動作，保證井下機械供電設備的正常運行，為保證能夠快速、準確地對收集到的信息進行匯總處理并執行控制動作，其內部通常采用多個CPU控制模塊，不同的控制模塊專門用于執行不同的控制任務。為了適應井下的特殊環境，本文采用的是礦用隔爆型控制保護裝置，其采用了通用的接口協議，用以滿足不同設備之間的交互操作，也能很好地滿足煤礦井下機械供電設備智能化升級、改造的需求，具有極強的可靠性和可擴展性。

圖2 防越級跳閘保護裝置的硬件結構示意圖

從圖2可以看出，該控制結構采用了模塊化的設計，主要包括主控模塊、通信模塊等，根據不同的控制功能將其分為不同的控制模塊，這種方式可以滿足用戶的不同需求，用戶可以根據實際情況增加或者減少相應的控制模塊并且可以隨時對這些模塊進行升級、更換。

3 基于GOOSE通訊機制的防越級跳閘保護裝置的軟件設計

在GOOSE通訊機制的防越級跳閘保護裝置的軟件控制程序中[3]，最核心的就是發生短路事故時的中斷控制程序，其主要作用是進行煤礦井下機械供電設備的信息采集、對故障發生的位置和原因進行分析、控制執行保護動作等。為確保中斷控制程序的可靠性和實用性，設置好的中斷控制程序是通過EVA管理模塊實現其控制功能[4]，并在設置控制邏輯時將中斷控制默認為最高優先執行等級，這樣即可保證中斷控制程序的執行層級不會被其他控制程序打斷，保證了信息傳遞的及時性和準確性，其控制邏輯原理如圖3所示。

4 結論

圖3 防越級跳閘保護裝置的結構示意圖

1）采用礦用隔爆型控制保護裝置，滿足了不同設備之間的交互操作，從而滿足了煤礦井下機械供電設備智能化升級、改造的需求，具有極強的可靠性和可擴展性。

2）設置好的中斷控制程序是通過EVA管理模塊實現其控制功能，并在設置控制邏輯時將中斷控制默認為最高優先執行等級，保證了中斷控制程序的執行層級不會被其他控制程序打斷，還保證了信息傳遞的及時性和準確性。