基于光纖電流差動保護的煤礦防越級跳閘研究

劉德勝

(山西西山煤氣化有限責任公司，山西 太原 030200)

0 引言

煤礦井下供電系統的運行質量與生產安全息息相關，但由于井下作業環境較為惡劣，經常因越級跳閘問題導致大面積停電事故，故障點難于判斷，恢復供電花費時間長，容易造成不必要的經濟損失與人員傷亡，影響了煤炭企業的長久發展，需采取合理有效的防越級跳閘措施，保證供電系統安全運行。目前，我國在該方面的研究尚處于初級階段，還存在較多問題急需解決，應積極探索實踐，充分發揮光纖電流差動保護技術的優勢，避免越級跳閘，進而為煤炭企業的穩定發展奠定堅實基礎。

1 煤礦井下供電系統概述

1.1 井下供電系統的構成與特點

供電系統是煤礦開采作業中不可或缺的重要部分，可為開采過程提供動力能源，保證機械設備、照明設備等正常運行，提高生產效率與經濟效益。一般情況下，我國煤礦井下作業采用高壓供電系統，規格為6 kV/10 kV，主要由多個變電所、高壓電纜及供電保護設備構成。系統運行時利用高壓電纜將電流輸送至工作面，經由變電站的降壓處理后才能提供給相關設備使用。高壓供電系統的輸電效率較高，可降低損耗，有利于節約能源，提供生產效益。現如今，科技水平不斷提高，采煤作業的機械化程度逐漸提升，而且隨著工作面的延伸推進，供電網絡愈加復雜，如果供電量不能滿足生產需求便會引發越級跳閘故障，影響了井下作業的安全性與可靠性，需及時解決，以免增大安全風險。

1.2 井下供電系統電流保護的原則

為了避免井下供電系統故障導致嚴重的經濟損失，進行全面可靠的電流保護至關重要，工作人員應具備豐富的專業知識與工作經驗，嚴格遵循相關原則進行供電系統的電流保護。井下供電系統大多采用分列運行方式，這種方式具有一定的電流保護作用，但仍需根據實際情況選擇合適的保護措施。限時情況下設置電流速斷保護方式，可對電流的一段進行保護，如果沒有時間限制，可對電流的二段進行保護[1]。另外，終端線路只對速斷保護以及過電流保護進行設置，而電路進出線則可在多種情況下實施電流保護。

1.3 煤礦井下越級跳閘原因

越級跳閘是井下供電系統中經常出現的問題，導致原因主要包括以下5個方面。

電路保護時間級差配合失調：井下供電線路較短，導致故障發生時電流差值較小，采用上下級的保護措施極易導致跳閘故障。電流保護的時間級差一般為半秒，如果供電線路中的級數較多，過電流保護無法滿足時限要求，越級跳閘故障便會發生。

電流保護與動作值不適應：電流保護的速斷保護措施應劃分合理范圍，促使其與電流動作值的節點相適應，但實際生產中很難做到這一點，導致越級跳閘問題頻發，易造成大面積停電事故。

上下級繼電保護開關裝置不配合：相關規定要求井下供電系統須安裝繼電保護裝置，但此裝置的短路保護時間只有200 ms，此時間內井下的高壓防爆開關無法有效配合，線路短路后會關閉所有開關，造成越級跳閘問題。

開關保護設備質量問題：部分企業受利益驅使選擇成本低、質量差的開關保護設備，在生產過程中埋下了安全隱患。另外，不注重開關保護設備的養護維修，降低了煤炭開采的安全性與高效性[2]。

漏電保護裝置選擇不合理：沒有考慮真實情況，所選的裝置無法滿足生產要求，降低了開采效率與質量。

1.4 防越級跳閘保護技術分析

在煤炭行業的發展中，越級跳閘問題逐漸凸顯，基于此，研究防越級跳閘保護技術十分重要。現有的保護技術主要有4種，并對其作簡要論述。

分站集中控制防越級跳閘技術：當出現短路故障時，相關設備會對故障問題展開檢查，并將信息反饋給分站，防止越級跳閘。但這種技術對通信系統的要求較高，應用效果受到了限制。

基于通信級聯閉鎖的保護技術：利用時間級差設置控制開關，以此控制越級跳閘問題，但實施過程過于繁瑣，如果通信時間出現延遲，也可能導致跳閘問題。

保護器網絡監測技術：利用網絡技術與先進設備組成完善的監控系統，監測線路與開關的運行狀態，根據采集到的數據進行故障判斷，并制定解決措施，以免出現越級跳閘故障[3]。

基于光纖電流差動的保護技術：利用信道連接每段線路兩端的綜合保護裝置，通過比較兩端的電氣量判斷故障區域，從而更好的進行保護處理。此種方式效果明顯，目前已經廣泛應用于煤炭行業。

2 光纖電流差動保護技術

2.1 光纖電流差動保護原理

目前，光纖電流差動已經成為煤礦防越級跳閘研究的熱點之一。光纖電流差動保護技術以基爾霍夫電流定律為基礎，同時結合其他電學定律，能快速、靈敏地判斷供電線路中的故障問題，及時采取解決措施，防止跳閘故障出現。光纖通信技術的應用，可快速準確地傳遞供電線路各處的電流量及其他信息，在計算機技術與相關軟件的輔助下進行數據處理與對比，確定內外部故障類型后判斷是否切斷本線路，以此降低越級跳閘風險，保護井下供電系統正常運行[4]。

2.2 光纖電流差動保護系統的組成

基于光纖電流差動的煤礦越級跳閘保護措施是保證井下安全作業的關鍵，需加大研究力度，全面優化該保護系統的作用與功效。該系統應用了大量先進的現代化信息技術，包括數字化變電站技術、通信技術、計算機技術等具有多種功能，數字化、智能化與自動化程度大幅度提升，可實現信息分享、常規保護、信號采集、數據傳輸等多種功能，有利于推動煤炭行業快速穩定發展。光纖電流差動保護系統的組成結構較為復雜，主要包括核心芯片、監控主機、集成保護測控裝置、防爆服務器、交換服務器等。其中，核心芯片采用雙CPU結構，可提供雙重保險，減輕了系統運行負擔，芯片故障時不影響系統正常運行。保護裝置的動作精度較高，降低了誤動或拒動問題的出現概率，可有效防止越級跳閘問題[5]。

2.3 光纖電流差動保護技術的特點

集中采樣判斷：光纖電流差動保護技術不影響井下供電系統的正常運行，可集中收集數據與判斷，工作效率高，一定程度上提高了采煤效率。而且該系統施工簡便，易于維護，操作方式簡單易懂。

同步收集數據，光纖網絡的傳輸速度快：在GPS設備的輔助下能實現越級調整裝置相關數據的實時共享，可做到及時發現問題及時處理，降低越級跳閘故障帶來的消極影響。另外，此種保護技術的靈敏度較高，安全可靠，不影響其他線路的穩定運行。

運行速度快：光纖電流差動保護技術采用集中保護裝置，運算速度大大提高，可避免通訊延遲。

2.4 防越級跳閘保護系統時鐘同步方案

在防越級跳閘保護系統時鐘同步方案中，工作人員應明確光纖電流差動的保護原理，嚴格按照時鐘同步原則采取保護措施。時鐘同步系統對精度要求較高，應簡化系統結構，建立完善的同步模型，在此基礎上直接通過網絡對時獲取時間。除此之外，還應安裝GPS授時裝置，利用其穩定、精準的優勢降低時間誤差，進而降低越級跳閘風險。建立健全同步對時系統時，應安裝兩個符合行業標準的IEEE 1588主時鐘，此裝置能滿足越級跳閘保護系統的數字化要求，應用效果良好。

2.5 同步對時系統誤差分析

同步對時系統誤差對越級跳閘保護裝置的影響較大，需進行合理的誤差分析，從而從源頭上加以控制。首先是振蕩器頻率誤差，溫度是導致該項誤差的主要原因，溫度每上升1 ℃，就會引起2 μμ誤差，可采取相應的補償技術或同步隔離措施加以控制。其次是網絡延時誤差，修正網絡延時是保證同步對時系統安全運行的重要手段。網絡延時大致可分為3類，分別是傳輸路徑延遲、網絡交換設備延遲及棧內滯留時間延遲，工作人員需熟練掌握每類網絡延時的產生原因，從而有針對性地采取解決措施，盡量修正此項誤差，進而保證煤礦越級跳閘保護系統良好運行。

3 結語

近年來，煤炭行業的發展形勢越來越嚴峻，企業要想在激烈的市場競爭中占據有利地位就需保證供電系統正常運行，為開采作業提供足夠電力。越級跳閘問題嚴重妨礙了井下作業的順利進行，工作人員需了解供電系統的組成與電流保護原則，結合光纖電流差動保護技術制定合理的防越級跳閘方案，以此提高整個系統的運行質量與效率，從而為煤礦企業的長久發展注入源源不斷的動力。