磁窑沟煤矿中央变电所PLC技术应用分析

李雪莲，刘显验

（1、山西省晋神能源有限公司，山西 忻州 036500；2、山西河曲晋神磁窑沟煤业有限公司，山西 忻州 036500）

1 概述

近年来，在矿山供电系统上，由于电气自动化控制技术的大范围应用，提高了煤矿供电的效率和安全，然而在应用中仍存在一些问题，主要问题是“越级跳闸”和“漏电保护可靠性”安全隐患。鉴于此，国内学者对解决此问题展开了大量的研究，如李振贵在矿山机电控制中阐述了PLC技术的应用；车守强等分析了中央变电所继电保护越级跳闸原因，并且提出了防止措施，对供电系统的优化起到了促进作用；王韶伟从原理上系统地设计改造了防越级跳闸系统，取得了很好的应用成果。实践证明PLC技术针对系统供电系统两大问题的解决有很好的应用效果。对此，作者尝试将其应用于山西河曲晋神公司磁窑沟煤矿。

磁窑沟煤矿供电采取的供电模式为多级辐射状供电模式，此种模式的延伸级数过多，与之配合的保护不充分，保护时限没有形成有效配合；此外，供电线路短的局限性和系统容量扩增，以及不同级别电流较近，致使保护电流无法配合，为保证快速性牺牲选择性，“越级跳闸”的情况普遍发生在矿山电网保护系统，由于配合无选择性，一旦发生短路，矿山供电系统将发生大面积停电，严重影响安全生产。“中性点不接地”和“经消弧线圈接地”两种接地方式是主要采用的两种接地方式，磁窑沟煤矿井下变压器采用“中性点不接地”接地方式，此方式会产生的小电流接地系统漏电保护可靠性问题，影响煤矿安全供电。一旦系统发生单向接地故障，受故障复杂性及保护原理的适用性等因素的影响，漏电保护“误动”、“拒动”现象时有发生，防爆开关采用“经消弧线圈接地”接地方式，在补偿方式和消弧线圈脱谐度共同影响下，漏电保护的可靠性大大降低，影响矿井供电系统的供电稳定。鉴于以上原因，基于网络智能识别的电流保护系统和PLC技术构成的防“越级跳闸”系统结构，能够从原理上解决矿山供电系统“越级跳闸”问题和通过采用KJ38煤矿供电监控系统将提高 “漏电保护”的稳定性。

2 系统结构

2.1 防“越级跳闸”系统结构

基于网络智能识别的电流保护和PLC技术用于防“越级跳闸”系统。网络互操作，即通过保护装置间的智能通信，实现故障定位。系统由DPR360 F系列数字式保护装置 （防爆场所：MPR304S数字式矿用综合保护装置）和KHL127矿用隔爆型电流保护控制器组成。井下监控系统结构见图1。

图1 井下监控系统结构

2.2 KJ38煤矿供电监控系统结构

KJ38煤矿供电监控系统，是为适应煤矿电网的特殊需求而开发的集保护、测控和通信功能于一体的电站综合自动化系统。系统在设计上采用了较高的软硬件平台，借鉴了地面变电站综合自动化系统成熟的软硬件技术，使系统具有高效、稳定、可靠的特点。KJ38煤矿供电监控系统的井下监控部分，包括DPS301M主站自动化监控系统、KJ38-F矿用隔爆兼本安型监控分站和MPR300S系列数字式矿用综合保护装置，实现井下电网的实时监控、继电保护和运行管理等功能。井下监控系统结构见图2。

图2 井下监控系统结构

3 工作原理

分支开关处于闭合状态，母线采取并联工作，参数保持不变，单线路供电装置的自我调节系统自行调整工作方式。电流通过K42开关，为K2、K21、K5、K6提供电力。一旦在d1处出现障碍，K42、K21、K5、K6、K2共同启动保护机制，各个装置信息交流互换，PLC系统准确确定障碍位置，K42保护机制启动，在安全时限内及时反馈处理，排除故障，在故障处理完成后K2、K21、K5、K6关闭保护机制，可靠保证不动作；如果出现K42保护机制未启动，开关无法及时打开，由于障碍没有消除，分支开关的“保护跳闸功能”启动，导致K6开关通过安全时间t后判断下级开关状态，K6位置显示为有效并跳闸状态，K2、K21、K5及时监测到K6的工作状态为不动作。当经过二倍安全时间2 t时，障碍电流仍然存在，K42、K6被系统诊断为拒动状态，分类为严重障碍，则K2、K21、K5同步切断开关，排除障碍，极大程度上保证了系统的安全；如果分支开关跳闸功能无法正常启用，一旦K42开关工作状态为拒动，由K5通过安全时间t后自动跳闸排除障碍；d2处产生障碍时，K21保护机制瞬时激动，快速动作，K2监测到K21的工作状态有效，保持启动状态，当障碍排除后K2保护机制关闭，可靠保证不动作。

4 工程应用

4.1 工程背景

山西河曲晋神磁窑沟煤矿是我国改革开放以来，全国百所中型现代化高产高效矿井之一。地质储量为12500 Mt/a，矿井生产能力240 Mt/a，年工作日为276天，工作时间为“三八制”。井下供电基本概况：井下供电由地面35 kV变电站6 kV母线Ⅰ、Ⅱ段双回路供给，6 kV直接下井。变电站6 kV侧611#、612#开关经两趟MYJV22-6/10-3×95 型矿用电缆沿主斜井敷设至井下中央变电所，中央变电所内6 kV单母线分段，所内设250 kVA变压器两台，0.69 kV双回路供中央水泵房；6 kV电源供各采区变电所。各采区变电所负责向井下其它电气设备、照明等用电设备供电。井下动力电压等级为6、1.14、0.66 kV，照明、信号及煤电钻均为127 V。采区变电所两路电源均来自中央变电所，电缆型号为MYJV22-6-3×95，总长一万多米电缆，做采区主供电源。

4.2 中央变电所优化改造

将优化的供电系统结构应用于山西河曲晋神磁窑沟煤矿中央变电所。其井下12个变电所的196台防爆开关需改造更换MPR304S数字式矿用综合保护装置，同时更换原开关的零序电流互感器，采用专用光纤引入装置将保护装置的光纤通信接口引至开关接线腔，采用专用通信光缆将光通信接口与KHL127通信服务器连接。

为了与井下变电所智能零时限电流保护配合完成防 “越级跳闸”功能，地面35 kV变电所的630#、640#、605#、607#、646#、623#、608#和风机房变电所的612#、621#出线开关需要更换DPR361LF数字式线路保护装置；同时井下96台低压馈电开关需改造更换MPR392S数字式矿用综合保护装置；10台整流柜需改造更换为MPR302S数字式矿用综合保护装置；10台风机开关需改造更换MPR392F数字式风机综合保护装置。

每个变电所安装1台KHL127电流保护控制器，用于防“越级跳闸”系统通信；1台KJ38-F隔爆兼本安型电力监控分站，用于变电所本地监控及上传地面监控中心；保护装置与电力监控分站采用CAN通信方式；监控分站之间、监控分站与地面监控中心之间采用光纤或以太网通信。中央变电所配置如表1所示。

表1 中央变电所优化配置

序号 设备名称11 矿用低压零序互感器型号TR2153B数量5 MPR302S数字式矿用综合保护装置 MPR302S 6 电流保护控制器 KHL127 7 DFR361LF数字式线路保护装置 DFR361LF 8 专用光缆 MGTSV-6B 9 矿用隔爆兼本安型网络交换机 KJJ127 10 矿用高压零序互感器 2MXQ51B 12 矿用低压电流互感器 ZMXQ49 13 矿用低压电流互感器 AKH-0.66/4×10 14 保护装置改造配线15 保护装置安装支架

图3 磁窑沟煤矿电力监控分站（上）及电流保护控制系统(下）

4.3 优化效果

磁窑沟煤矿井下中央变电所基于PLC技术，利用KHL127电流保护系统及KJ38-F电力监控系统，优化了原供电系统，解决了原供电系统中存在的两大安全隐患。磁窑沟煤矿中央变电所供电系统目前运转稳定，保护机制可靠安全，在3年内未发生任何故障，减轻了维护人员的工作量，大大降低了维护费用，对建设安全高效矿井建设起到了重要作用。

5 结语

针对矿山供电系统中存在的“越级跳闸”问题和“漏电保护”的不稳定，通过对问题的原因分析，利用PLC技术从原理上优化了供电系统结构。将此结构应用于磁窑沟煤矿中央变电所，提高了供电系统的稳定性和安全性，表明了PLC技术对于矿山供电系统问题解决的可行性。随着自动化技术不断深入生产工作，PLC技术的应用将越来越广泛，如何对煤矿生产系统进一步优化，仍需要科研人员，不断地探索和实践。