矿井供电智能监测体系的应用研究

葛 强

（阳煤集团机电设备管理中心，山西 阳泉045200）

随着煤矿井下综采作业自动化水平的不断提升，综采作业过程中对供电系统的供电稳定性和供电安全性提出了更高的要求，特别是在井下瓦斯、粉尘环境中，一旦供电系统出现短路明火，将会导致井下瓦斯和粉尘爆炸事故，给煤矿井下的综采作业安全造成严重的影响[1]，因此提升矿井供电系统的供电稳定性和可靠性，实现对供电系统供电稳定性的全面监测对提升矿井供电稳定性具有十分重要的意义。由于井下地质环境复杂，各类供电设备分布广、设备线路交错，一旦出现故障需要由人工逐级对故障原因进行排查，效率极低，因此要求矿井供电监测系统在满足监控需求的情况下，需要能够及时定位电路故障位置及故障原因，便于及时排除故障，将对井下供电安全的影响降到最小。本文提出了一种煤矿井下供电智能监测体系，能够对矿井供电系统的供电稳定性进行智能监测和调整，其采用了零时限电流保护、基于通信级联闭锁保护等全新的故障保护措施，不仅能够有效的防止故障发生，而且能够及时对故障进行隔离，将对供电系统的影响限制在最小的区域内，有效地防止了供电系统的短路、漏电和越级跳闸异常，极大地提升了煤矿井下供电系统的供电安全性和稳定性，具有较大的应用推广价值。

1 矿井供电智能监测体系结构

在构建煤矿井下供电智能监测体系时，在充分掌握井下供电网络现状的基础上，结合煤矿安全生产的特点，提出了一套以煤矿井下以太网为数据传输核心的矿井供电智能监测体系，该体系主要包括了地面监控中心、井下供电安全监测分站以及供电安全保护装置三个部分。为了提升监测控制的可靠性，在井下一个变电所处设置一个供电安全监测分站，用于对该变电所负责区域内的局域网络的供电状态进行监控，同时将监控数据进行初步分析、发送和存储。为了确保在井下复杂电磁环境下的数据传输的精确性，采用了工业以太网传输系统，各个设备和监测分站的数据通信通过RS485通信协议进行，监控系统的数据传输流程如图1所示[2]。

图1 微机保护系统的过负荷保护电路原理示意图

2 供电安全保护系统

在该矿井供电智能监测体系中，对供电网络运行状态的实时监测是最基础的要求，最重要的是在发生事故后能够第一时间对故障进行有效隔离，将故障控制在最小范围内，以确保井下综采作业的安全、有序进行，该供电智能监测体系中采用了基于通信级联闭锁保护及零时限电流综合保护技术，实现了对供电系统供电安全的有效保障。

基于通信级联闭锁保护主要是指在供电系统中合理的设置各个层级的控制开关，形成上下游的时间极差控制来实现对区域内供电线路的安全保护。当系统中某个位置发生异常后，就会向上下级发出异常信号，各个保护装置在接收到异常信号后会对接收到信号的时间极差进行分析，假设两个保护装置接收到异常实际时间超过了设置的时间极差，则首先判断该级电路出现了故障，如果极差时间同时超过了系统开关闭锁保护时间则立即对区域进行跳闸保护防止事故的进一步扩大，其控制原理如图2所示，图中QF1-QF5表示序号为1-5的控制开关[3]。

图2 基于通信级联闭锁保护原理

由图2可知，假如线路内的M处出现了故障，故障信号会从开关5到开关1逐级传递，开关5接收到异常信号后首先对该保护区域进行断电，1至4号控制开关进入到闭锁保护的状态，此时M处的故障信号会继续向1号控制开关处传递，如果在锁保护时间内系统故障得到了排处，那1至4号控制开关就自动解锁保护状态，使线路恢复正常运行，如果超过了闭锁保护时间依旧收到异常信号，则系统将进行跳闸，防止事故的进一步扩大。

零时限电流综合保护主要是指利用各个监测模块之间的数据通信，实现快速对供电线路故障的定位和分析，确保线路供电安全的保护技术，其结构原理如图3所示[4]。

图3 零时限电流综合保护装置原理

零时限电流综合保护系统中，根据保护线路的实际需要，将其分为多级的保护系统，各个保护装置之间采用光纤通信模式，以满足数据模块间进行快速数据交流和判断的需求[5]。当系统电路内出现短路异常后，首先距离故障点最近的保护装置启动，通过光纤通信系统将异常信息传递给区域内的其他保护模块，由监控分站对故障逻辑进行分析判断，一方面将判断结果传输给地面控制中心，便于维修人员及时对故障进行修复，一方面对故障区域的运行状态进行检测，如果距离故障点最近的控制开关跳闸后异常消失则说明保护动作有效，若故障依然存在则系统将控制上一级的保护装置进行跳闸，确保电网系统的运行安全。

3 矿井供电智能监测体系的应用研究

为了对矿井供电智能监测体系的应用效果进行分析，专门建立了一个小规模的矿井供电模拟平台，模拟井下电网布置和供电结构，建立了供电监测界面，对该供电智能监测体系进行了实验验证，结果表明该供电智能监测体系能够对供电过程的电流、电压波动等进行监测和稳定处理，同时对系统中出现的故障及时定位并直接在监控中心上列明故障原因和处理措施，将故障处理效率提升了4倍以上，同时能够及时将故障进行隔离，有效的确保了供电系统在运行过程中的稳定性，确保了煤矿井下综采作业的安全性和稳定性，该供电智能监测体系监控界面见图4。

图4 供电智能监测体系监控界面示意图

4 结论

针对现有供电系统在实际使用过程中所暴露出来的易短路、易漏电、电网供电波动大、易产生越级跳闸事，无法满足当前井下综采作业安全的需求的现状，本文提出了一种新的矿井供电智能监测体系，在对电网运行状态进行监测的基础上，设置了基于通信级联闭锁保护及零时限电流综合保护技术，实现了对供电系统供电安全的有效保障，根据分析表明：

1）矿井下供电智能监测体系包括了地面监控中心、井下供电安全监测分站以及供电安全保护装置三个部分，数据传输采用工业以太网网络，能够满足井下复杂环境下的数据传输稳定性和安全性的需求。

2）基于通信级联闭锁保护及零时限电流综合保护技术能够实现对电网运行故障定位、故障分析及故障的及时隔离处理，确保将故障区域限定在最小的范围内，防止事故的进一步扩大。

3）该系统能够将将故障处理效率提升了4倍以上，同时能够及时将故障进行隔离，有效地确保了供电系统在运行过程中的稳定性。