煤礦井下供電網絡防越級跳閘保護系統的研究

劉 杰

（西山煤電集團有限責任公司遼源礦，山西 太原 030000）

隨著采煤工作面不斷向縱向延伸，從地面變電所到井下中央變電所、各采區變電所之間所采用的縱向、輻射式的供電網絡變得越來越復雜。這樣的供電網絡模式造成井下線路較短，當發生故障時線路首、末兩端的故障電流從幅值上很難區分，甚至多數情況下各段電纜首端的最小兩相短路電流值小于其末端的最大三相短路電流，原先所采用的常規保護的范圍很小甚至為零，使得三段式保護失去作用，供電系統跳閘頻發，嚴重影響礦井生產安全[1]。本文基于縱聯差動保護原理對礦井供電系統進行優化設計，有效解決了越級跳閘頻發等問題。

1 數字光纖電流縱聯差動技術

1.1 供電系統的架構

遼源礦地面建設一座35 kV 變電站，站內設計容量為10 000 kVA 的變壓器2 臺，系統采用分段單母線接線方式。原有的供電系統配電級數多，供電距離較短，抗阻小，使得供電系統各點的短路電流相差很小，對于電氣設備的保護及電氣設備可靠性保障難以實現。

在礦井供電系統設計時，供電設備由于距離較近，一旦線路出現短路問題時，整個系統會出現跳閘停電現象，因此防越級跳閘保護對于供電系統安全十分重要。本文在對比分析電氣閉鎖防越級跳閘技術、分站集中控制防越級跳閘技術、數字變電站防越級跳閘技術、數字式光纖電流縱聯差動等技術后發現數字式光纖電流縱聯差動防越級跳閘技術可以很好地避開系統干擾，提升傳輸效率[2]。

1.2 系統的工作原理

縱聯差動保護原理，是由變壓器的一次和二次電流數值和相位進行對比而構成的保護裝置?？v聯差動保護裝置由變壓器兩側的電流互感器和繼電器等組成，電流互感器串聯形成閉合環路，電流繼電器并接在環路上，通過對電流繼電器的兩次電流進行比較從而判斷線路是否發生故障。當保護范圍內發生故障時，兩側電流互感器的二次電流大小不相等，相位不相同，流經繼電器的差電流不再為零，此時繼電器會做出相應動作，斷路器跳閘，達到保護作用。

數字式光纖電流縱聯差動保護技術是對井下的數據進行采集并傳輸至地表的主機，通過上位機邏輯語言進行判斷和識別，根據識別邏輯計算后得出的命令進行保護指令的下發，從而實現斷路器的控制[3]。系統的故障簡圖如圖1。

圖1 系統故障簡圖

由圖1 可以看出，D1和D2分別為系統內部和外部故障的節點，在圖1（a）正常運行狀態和圖1（c）外部故障發生時，配套的保護裝置不發生作用；當系統出現圖1（b）內部故障時，系統會立刻發出保護指令，做出相應的保護動作。

2 防越級跳閘保護系統的設計

當電路某處短路時，短路點上級開關都通過短路電流，而下級開關不通過短路電流。此時下級開關保護器電流采集模塊檢測不到短路電流，則不發出短路信號和閉鎖信號；而短路處上級采集模塊檢測到短路電流，發出短路閉鎖信號；短路閉鎖信號接入上級綜合保護裝置的速斷閉鎖輸入端，使之不能迅速跳閘，形成防越級跳閘保護。

2.1 系統的硬件設計

基于數字式光纖電流縱聯差動保護技術對煤礦供電系統防越級跳閘保護進行設計，首先選定32位S3C2440AL-40 的ARM9 芯片為保護系統的核心硬件，系統的功能模塊劃分為數據采集、電源模塊、通訊模塊等。防越級跳閘保護系統的核心為S3C2440AL-40 芯片，芯片首先對數據采集裝置采集到的電壓值和電流值進行邏輯分析，分析后給出相應的指令，指令通過通訊模塊傳輸至開入開出模塊，從而實現防越級保護。同時，S3C2440AL-40與礦井監控模塊通過以太網進行連接，對礦井電力系統進行監控。

對系統的控制核心S3C2440AL-40 進行布置，采用總線構架，布置兩片32 MB 的K4S561632N 芯片用于滿足系統的內存需要，同時外擴FLASH 電路，避免檢查數據的丟失及運行功率參數較低的情況。系統運行采用直流整流方案，基本電壓為12 V、5 V、3.3 V，選定AMS1117 實現電壓的變化目標。

對數據采集模塊進行設計，為了得到準確的電氣運行數據，調節系統的運行效果。在設計后，由于礦井采用模擬量指標來源于保護線路配套的TA，所以構成的模擬量信號重點為這兩側電流，通過采集電氣數據，得到相應的矢量差，從而調節系統運行。A/D 轉化是將采集的信號進行轉化，從而形成CPU 可識別的信號。由于本文S3C2440AL-40 芯片的選擇，所以A/D 轉化較為簡單，多使用ADC 控制寄存器，具體參數見表1。

表1 寄存器功能參數表

對通訊模塊進行設計，通訊模塊有以太網和光纖通訊兩部分。其中光纖通訊是穩定系統運行的關鍵，CPU S3C2440AL-40 需要按照幀結構進行組幀，然后對信息進行編碼，將編碼完成信息經過處理后傳輸至光纖通訊模塊，光纖模塊選定AFBR-5803ATZ。以太網布置中芯片通過變壓器與端口進行部分連接，在變壓器中采用電平耦合進行強化信號，用于增大傳輸的距離。開入開出模塊設計中，共布置9 路開入量，其中包含斷路器分位、斷路器合位等，模塊芯片對繼電器的工作進行分步管理，當繼電器出現故障時能夠對外進行報警信號的輸出。人機交互界面是整個系統對外顯示的核心，進行人機交互界面設計時需要重點對LPC1758 處理器、指示燈、顯示屏等進行選型，通過顯示器對電網的工作模式、故障、操作、運行參數等進行顯示，保護裝置的參數也能夠通過顯示器進行顯示，同時能夠抵抗礦井生產較為復雜的環境。本文選定大采公司生產的LCD 顯示器[3]。

2.2 軟件設計

對系統的保護程序進行設計，其程序運行步驟如圖2。

圖2 故障處理流程示意圖

如圖2 所示，系統開始運行后首先進行初始化，完成初始化后進行自我檢測。檢測未通過直接報警，檢測通過后確定是否對設定值進行修改。需要修改則進行修改，無需修改時開啟中斷保護裝置，通過LCD 顯示器對系統運行進行顯示和數據的采集。當采集到故障信息后，系統立即進行故障處理，故障處理后繼續重復類似過程，完成系統的保護。

數據采集系統的程序開始運行后首先進行A/D值的轉換，檢測數據讀取是否完成，未完成繼續讀取，完成后向對側進行信號傳輸，檢測采樣是否同步，未同步重新修正，通過則發送至ARM9，完成數據采集[4]。

3 應用分析

為了驗證數字式光纖電流縱聯差動保護技術的效果，進行現場監測，監測系統采用KYN28A-12金屬封閉式開關柜，系統布置5 個開關，分別為K1～K5。系統結構圖如圖3。

圖3 檢測系統結構圖

優化前后項目跳閘情況見表2。

表2 優化前后項目跳閘情況表

根據檢測結果可以看出，采用數字式光纖電流縱聯差動保護技術后，供電系統未發生越級跳閘現象，同時各方面指標均能滿足設計預期，整個系統的保護能夠井然有序的進行[5]。

4 結論

遼源礦針對原礦井供電系統存在的越級跳閘的現象，基于數字式光纖電流縱聯差動保護原理設計了防越級跳閘保護系統，對系統的數據采集、電源模塊、通訊模塊等功能進行介紹，給出了故障處理及數據采集程序的工作原理。通過現場應用發現，優化后的供電系統無越級跳閘事故產生，保證了礦井供電系統的安全穩定運行。