矿井供电系统防越级跳闸技术及应用研究

郭凯明

关键词：煤矿;供电系统;防越级跳闸;技术应用

0引言

根据我国最新能源需求统计分析可知，煤炭资源仍然是我国经济社会日常能源消耗形式的主要组成部分。各个煤矿企业正在实现现代化发展，以提高煤炭资源的产量以满足社会需要。在实现现代化发展的同时需要有各类先进电气设备才能得以保证，对矿井供电系统的工作性能以及安全平稳性能有了更高的要求。煤矿企业都会根据自己矿井的特点，建立起不同构架类型的供电系统，主要以单侧多回辐射状电网主结构为主要类型，该类型电网结构之问的变电站相对距离很近，电线阻抗较小，整体线路布置有安全开关，但当线路某处发生故障的时候无法精确地定位电路故障位置，无法区分是否在某个电路区间段内出现有故障情况，因此无法进行精确的断电动作，从而造成上级开关掉跳闸，使得大面积电网出现断电情况。越级跳闸的情况发生会使得大面积停电，造成煤矿企业经济损失，此外，停电后会使得井下通风设备、监测设备、监控设备等停止运行，使井下作业一线人员的生命健康安全受到极大威胁。通过调研查阅各类资料，本文提出通过GOOSE通讯技术实现矿井供电系统防越级跳闸技术的实现并应用于现场，改善供电系统的安全性能，为煤矿行业研发新型供电系统防越级跳闸技术提供依据。

1供电线路故障自适应判别原理

在建立GOOSE通讯防越级跳闸技术系统之前，对供电系统的各个电路故障判别的原理进行介绍。由于供电系统是由电网组成分为很多供电级数，设计目的在于使得离故障点最近的安全开关能够第一时问检测到故障并进行快速故障清除。同时根据依次顺序，在最近安全开关失效后，第二距离位置的安全开关也能迅速动作。根据系统拓普节点排列顺序能够实现逐级安全闭锁功能，将故障信息通过正向传递给上级节点，使故障信息得到判断并迅速对电路进行切断，整体过程步骤如下：

（1）故障信号被检测后，将启动闭锁构件，使得闭锁信息能够向上级传递;

（2）当故障信息在得到判断后却未能及时进行故障闭锁，电流速断装置也会进行安全切断动作;

（3）断路器将一直判断故障信息是否存在，断路信息将故障闭锁的节点信号向正向传递;

（4）为了避免故障闭锁时间消耗较长，通过区域保护安全定值，能够在规定时间内强制清除故障信号信息，避免电流断路器频繁工作，降低了安全使用寿命;

（5）当线路反向节点接收到故障信号后，由电流速断保护装置进行闭锁控制，此时断路器将与电流速断保护装置同时快速动作。

2GOOSE通讯故障区域定位原理

2.1原理简介

在对定位原理进行了解之前，首先建立起矿井供电系统故障模型，以煤矿企业常见的供电系统为研究对象，将矿井供电系统等效为集中模型，如图1所示。

当某个线路发生故障的时候，其中线路上的接地连续电流将产生降压现象，产生单相接地故障，此时的等效模型为等效连续网格。当线路闭合后，开关K的状态为关闭，闭合后的开关将使得整个等效电流变化为中性点接地系统。

对图1中完整线路进行简化如图2所示。简化后的线路在母线上（背侧）等效为电源，在故障发生后，流过健全线路的连续电流将产生对地电压，使得电容电流的总量为整个等效模型電路的零序电流的总和。

2.2故障区段定位

矿井供电系统以单侧辐射干线与支线相重叠组合的网格模型为主要形式，大多数电网都存在有较多的分支系统，在对故障进行定位的时候存在难度，供电系统节点示意图如图3所示。

其中，HBrk开头的图标为通过GOOSE通讯信息交换的中转站，也是供电系统正向与反向节点之间的信息联络处。例如当K4点发生了电路故障之后，HBrk10、HBrk12通过信息辨识出整体线路出现了故障，但无法进行精准定位，同时通过正向节点发送故障判别信息使得HBrk08、HBrk11收到了反向节点的故障代码，实现了电气闭锁，最终，由HBrk02表明供电系统在K4位置发生了短路故障。在系统实际应用中可将闭锁时间进行延长，使得故障信息判定位置能够更加的精确。

3系统设计

通过对井下供电系统分析以及正反向节点信息输送原理的说明，设计出了GOOSE通讯防越级跳闸的整体硬件架构，如图4所示。

可将整体硬件架构分为通讯模块、电源模块、I/，O模块、人机交互模块、报警模块、看门狗模块等。其中最为关键的是I/O模块，该模块作为故障信息传送的模块处理单元，采用光电隔离装置提高抗干扰能力，并在CPU接口位置实现信号干扰隔离，从而达到电气隔离的目的，为实现I/O模块分闸、合闸出口、闭锁合闸等功能，设计I/O模块电路图如图5所示。

GOOSE通讯防越级跳闸系统采用逐级闭锁的机制，具体实施过程如下：

（1）当发生短路故障时，保护装置检测到故障后，启动闭锁元件，并发送故障闭锁信息至其正向结点（下称上级保护装置）;

（2）短路保护动作后，保护装置要进行断路器拒动判别，如果故障被切除故障电流消失，则保护返回并发送解除故障闭锁信息至正向结点，如果断路器拒动故障一直存在，则发送断路器失灵信息至其上级保护装置;

（3）为了防止保护被长时间闭锁，装置设置有“区域保护解锁时限”定值，若故障一直存在，闭锁时问超过该定值时强制解除闭锁，保护装置跳闸切除故障。

4应用效果分析

在矿井现场实际应用GOOSE通讯防越级跳闸系统，有120台防越级跳闸保护装置投入使用，经过半年的试运行，共发生4次短路故障，其中越级跳闸1次，此次越级跳闸问题是由于通信问题导致的。根据现场的事件记录，在发生故障的过程中，存在GOOSE通信不稳定的情况，易引起越级跳闸。经过检查通信网络，包括使用的通信接口、交换机设置等，消除了可能引起通信不稳定的不良因素。

为了提高保护装置接收GOOSE报文的可靠性，当发生短路故障时，等待下级装置闭锁信号的时间由10ms增加到20ms，经试验和现场验证，GOOSE通讯防越级跳闸系统完全满足矿井供电系统的安全使用，达到了设计研究的效果。

5结束语

矿井供电系统可靠性能不仅将对煤炭生产效率产生影响，还将对煤矿企业安全生产常态化发展有着重要的促进作用。本文根据目前矿井供电系统容易发生越级跳闸的现象，从解决问题角度出发，提出了采用GOOSE通讯原理设计出防越级跳闸系统，应用于工程现场，实际解决了矿井供电系统越级跳闸的问题，整体系统解决方案适用于矿井恶劣的作业环境，并能精确地对线路故障进行定位并实现断路动作。研究成果促进了煤矿行业供电系统安全、可靠性发展，提高了煤炭生产的效率，使得矿井下各类安全防护设备平稳运行。