礦井供電系統集中監視和控制思考

高鳳山

（鐵煤集團內蒙古東林煤炭有限責任公司，內蒙古錫林郭勒盟 026000）

0.引言

煤炭資源的開采方式較多，但是井下開采是最為常見的一種方式。由于煤層結構的限制，使得開采空間受到了約束，并且其環境也是相當惡劣。井下作業作為重要的是確保電力系統正常有效地運行，電力系統的安全關系到了礦井所能帶來的經濟效益以及現場工人的人身安全。近年來，煤炭的發展越來越快，相應地需要更多的井下設備來完成作業，這就給電力系統帶來了一定的壓力，對電力系統的運行也提出了更高的要求。當供電系統出現故障時，那么越級跳閘故障就會頻繁的出現，這就會導致供電系統出現大范圍內的停電，其所帶來的后果非常嚴重。因此，研究礦井供電系統的集中監控十分必要。

1.礦井供電系統的組成和特點

1.1 系統組成

通常情況下，井工開采是我國煤礦常用的開采技術。煤礦供電系統有順序劃分，從上到下包括了地面變電所，井下中央變電所，采區變電所和移動變電站。關于系統的結構，一般情況下以多級短電纜所構成的干線式是最為流行。煤礦供電系統也有高壓和低壓之分，高壓通常介于6kV ～10kV；低壓包括的較多，比如3300V，1140V，660V，380V 和220V。《煤礦安全規程》中明確規定了井下供電網絡，該網絡需要使用雙回路供電方式，并且兩回路互為備用，當某一回路出現故障的情況下，可以通過對高壓開關進行調整的方式將另外一個正常使用的電源接過來，這樣就可以確保負荷能夠不間斷的供電[1]。

1.2 網絡特點

我國井下煤礦開采環境惡劣，工作空間狹小，各類有毒有害物質眾多。隨著采礦機械化程度的提高，工作范圍也隨之增加，高壓供電電纜及設備應用越來越高，低壓系統也不斷延伸，這使得井下供電系統結構復雜，負荷增大。整體來說，供電系統采用多段短線纜逐級控制干線式，是多級輻射狀網絡模式，具有級數多、線纜短和結構復雜的特點。由于供電系統高低層次多，導致出現電網保護不能正常配合的現象。除此之外，線纜的縮短也會導致一系列的問題，比如系統容量的變大，這就導致處于不同級別狀態開關所產生的短路電流十分相近，使得正常執行保護的電流定值無法執行，在快速性響應需求下，產生“越級跳閘”的問題。礦井供電系統大面積停電會增大瓦斯積聚風險，嚴重影響生產安全。目前多采用漏電（接地）故障選線技術，在中性點不接地系統或集中接地系統中顯示出其優越性，但該技術還不夠成熟，在漏電保護可靠性性方面，還有進一步提升的空間。

2.礦井供電系統經常出現的問題分析

2.1 “越級跳閘”問題十分普遍

（1）對短路保護措施的執行力度不足。煤礦的供電系統的特點：即中性點不接地或者經消弧線圈接地，所以兩相短路甚至三相短路的情況頻繁出現。短路電流會對電氣設備和導線產生巨大熱量和點力，造成絕緣體損壞，同時還會導致系統電壓降低，其他正常支路通過的電流下降，影響電氣設備運行。由于變電所的保護斷路器可能跳到上一級的變電所開關，從而產生“越級跳閘”現象，引起更大范圍的停電故障。（2）漏電保護難以滿足需求。隨著煤礦開采規模的擴大，各種超大型煤礦誕生。這種煤礦電纜分布龐大，供電結構規模較大，相對應的分布式電容也增大。如果按照消弧線圈接地方式，當單相接地故障出現后，電弧甚至火花會更加突出。井下漏電保護抗干擾能力差，各支路零序電流與其他支路電流難以進行比較判斷，無法辨別縱向故障線路與非故障線路。

2.2 系統平臺軟硬件技術落后

隨著科技的發展，煤礦開始采用一些監控技術提高生產效率和安全性，但自動化系統地使用時間不長，自動化水平偏低。井下供電監控系統軟硬件應用平臺技術落后，保護水平薄弱，接口之間的通信兼容性較差，影響系統聯網的穩定性和可靠性。井下供電系統的保護器功能單一，無法滿足礦井開采的運行要求。比如，許多供電系統保護器不具備故障錄波的技術條件，部分保護器雖然能夠記錄部分故障數據，但也無法達到故障錄波的要求，這對供電系統工作人員的工作強度和難度提出更大考驗。

2.3 系統數據通訊傳輸效率偏低

（1）原有的電力監控系統與采礦區監控系統擴容后無法形成匹配，原有系統需要更多的監控設備和更多的功能要求，但是通信效率受到一定影響，無法滿足要求。（2）當前我國礦井供電系統監控自動化水平不高，當監測到供電系統出現故障時，無法自我檢測及視頻聯動，不能第一時間通過通信接口將故障信息傳輸出去，也不能實現可視化操作。系統保護人員不能及時掌握設備狀況，不能通過遠程操縱檢測設備，排除故障，只能依靠值守人員進行常規操作，“四遙”功能無法實現。

3.礦井供電集中監控系統的技術創新研究

3.1 分布式區域保護技術

關于該技術，其主要的作用就是保證各級保護能夠通過信號的建立，進而聯系在一起。簡單地說，無論哪一級發生短路，都能夠在最快的時間內發出閉鎖信號。阻止上一級別的保護，進而可以將該故障阻斷在最小的跳閘幅度。此外，如果斷路器出現了失靈情況，上一級別的保護可以在最短的時間內動作，總線故障可以使得快速跳閘得以實現。關于區域保護，其具有一定的適用范圍，通常情況下，對于分支較多的配電網有性較好的適用性，可以幫助解決與保護時差不配合的故障。除此之外，其還有很多的優點，比如造價便宜，設計簡單，施工方便以及性能突出等特點[2]。

3.2 分站集中控制保護技術

（1）要保證電力系統中有與系統相適應的變電站設備。（2）該分站也需要具有防越級跳閘開關相互適用的特點。如果系統正常，但是出現了短路，那么防越級跳閘的功能就會對該特定的故障進行檢測，同時，其信息也會傳輸到分站進行分析并且作出相應的判斷，然后會根據結果給出指令，進而可以控制故障位點附近的開關。

3.3 通信級聯閉鎖保護技術

該技術利用時間極差的縱向設置進而對各級的開關進行管控，以防越級跳閘事故的發生，每個開關裝置都是相級聯的。當某一點發生故障時，可以檢測到故障電流的設備是通過縱向的方式傳輸上下級的信號。例如，開關之間的信息傳輸是需要時間的，假如等待時間為T1(通常情況下該時間會設置成1050ms)。假如信號傳輸時間出現超時，那么就可以將該級開關間的傳輸判斷為故障，進而可以在短時間內斷電。如果開關的閉鎖時間介于T2 范圍內(通常情況下該時間會設置成100200ms)，那么仍然可以獲取到該故障信號。進而在最短的時間內進行跳閘保護。當然，這樣的保護裝置也有一定的缺點，其改造相當復雜。

3.4 光纖縱差保護技術

近幾年，光纖通信技術得到迅速發展。光纖縱差保護技術是將線路每段兩端的綜合保護設備通過通道連接起來，在其中一端可以接收到另外一端的電氣量，進行對比分析出故障的原因是出現在內部還是外部，然后就可以知道是否需要進行跳閘動作。對于傳輸到另一端的電量，其可以是電流，也可以是功率，差動保護具有絕對選擇特性，這樣就可以使得各級線路保護不需要與時間進行匹配，還可以確保線路全長得到保護。光纖縱差保護技術由于具有傳送速度快、抗干擾強、衰減緩慢等特點，能夠很好的解決饋線短路越級和聯絡線短路越級問題，有利于井下供電系統的穩定性[3]。

3.5 井下零時限電流保護

零時限電流采用網絡保護技術，通過該技術就可以確認設備之間的通信是正常的，進而可以輕松地分析出故障所發生的區域和位點，最終可以使得上下級保護得以配合。該技術具有很大的優點：（1）其不同于傳統電流保護配置。零時限電流可以解決繼電保護快速性和選擇性所存在的矛盾。（2）該技術的應用范圍也十分廣泛，比如多種類型具有復雜的供電網絡。（3）電網中任意斷路器都具備保護功能，并且具有絕對的選擇性。

4.結語

供電監控系統的安全可靠性是保證礦井井下作業安全的重要保障，因此，文章分析比較目前井下供電系統的保護技術現狀，通過對防越級跳閘保護系統的研究，有效的保護井下供電系統穩定運行，在一定程度上提高礦井供電系統的安全可靠水平。