煤矿供电系统的防越级跳闸保护系统的设计

邢西锋

（国能神东煤炭集团生产服务中心，内蒙古鄂尔多斯 017209）

0.引言

煤矿供电系统在整个煤矿开采过程中具有重要作用，是整个煤矿运营的主要能源。特别在信息化时代背景下，煤矿井下受到巷道延伸长度限制，经常在相同水平面上设置各种多级供电所，让每级变电所线路分级呈现逐渐增加趋势，导致线路长度不断降低，给供电电缆线路阻抗能力带来不同程度的影响。从目前煤矿供电系统实际情况来看，一旦其出现短路故障时，不同线路的短路电流没有明显变化，继电器保护装置无法准确判断短路故障点，无形中提高保护整定难度系数，造成线路出现越级跳闸、开关误动作等问题，甚至会进一步拓展井下的停电范围，给煤矿生产安全性、开采效率带来严重影响，甚至出现严重的煤矿安全事故。因此，本文针对煤矿供电系统出现的短路故障问题，如越级跳闸现象、开关误动作等，设计出多样化防越级跳闸保护装置，探究保护装置日常运行原理，制定出保护装置的硬件框图和控制器主程序流程框图，并进行开关量输入单元、微控制器选型、CAN 总线通信单元、线路电参数采集单元等环节的设计工作，从而规范保护装置的程序设计方法[1]。

1.诱发煤矿供电系统出现越级跳闸的主要因素

1.1 短路保护整定难度提升

由于井下煤矿供电系统具有较强的复杂性，在线路零秒速断线路中并未设置保护区域，一旦出现线路故障，相关的开关无法准确掌握线路电路出现的变化，导致开关零秒速断保护器出现大量跳闸现象，无形中给越级跳闸创造有利条件。主变事故跳闸会对供电的性能产生非常巨大的影响，甚至会导致对外限电的现象，为了能够有效控制变压器，对调度做出以下规定，在变压器保护动作跳闸时，在没有完全弄清楚原因的前提下，不能对其进行送电。在正常情况下，井下供电系统过流保护整体存在较强困难，只要产生短路故障，就立刻会出现越级跳闸问题，且煤矿井下多次产生防爆开关抖动，也是引起供电系统出现越级跳闸的主要原因。

1.2 光线纵差保护的效果有待提升

在信息化时代背景下，井下供电系统保护方面以保护光线纵差为主，这种方式虽然能有效避免出现越级跳闸问题，但由于该线路系统涉及多样化线路，一旦出现问题，需要工作人员花费大量时间和精力进行处理，无形中给相关企业经济效益造成不同程度的影响。差动保护是变压器的主要保护措施，在实施过程中一定要保证其可靠性和速动性要求，差动保护具有结构复杂、接线麻烦等特征，一旦检修不及时会留下严重的安全隐患，再加上光纤纵差保护存在两端线路理论，对解决三端线路问题带来严重阻碍。

1.3 失压保护整定难度系数较高

在出现开关拒动问题时，很多煤矿井下保护线路会陷入失压保护状态，给各环节开关带来严重的延时问题，从而影响到失压保护装置的稳定性。同时，部分失压保护器脱扣值准确度较低，也会给失压保护稳定性造成影响，一旦短路故障位置和母线距离较近，很可能诱发母线出现失压问题，导致开关保护系统出现越级跳闸问题。

2.防越级跳闸保护装置保护原理分析

整个保护系统主要包括各种防越级跳闸保护装置、供电系统、CAN 总线通信系统、上位机监控平台。在日常供电系统设计过程中，由于设计者对重要因素重视度不足，未针对实际情况制定供电系统故障维修方案。因此，在设计煤矿系统日常使用过程中，要严格遵循行业设计标准，让煤矿用电和其他用电系统保持独立状态，无法共同使用同一电源，并将动力用电设备和单相用电设备进行分开使用电缆，确保电力在传输过程中不会进行相互影响。同时，煤矿的照明设备要采用特有的供电系统，对那些要求较低、规模较小的系统，工作人员可利用ATS 切换系统来控制系统日常工作，提高工作效率；面对负荷电流量大的系统，可使用开关柜倒闸系统，避免系统受到雷电因素影响，提高系统运行通畅性。另外，供电系统中设计配电主要是将经济安全性作为主要核心，通过利用多样化方式来加强产品质量，具体考虑电力负荷、未来所增加的负荷。本文根据系统实际情况来设计CAN 总线通信方案，将时限速断保护理念应用其中，在采区变电站、地面变电站、移动变电站等线路中安装防越级跳闸保护装置，从而实现不同线路防越级跳闸装置进行相互连接，当供电网络某条线路存在短路故障时，会同步向各节点输送大量故障数据，系统以此为基础来进行故障判断，决定是否采用故障操作和保护措施，再通过CAN 总线和上位机监控平台进行双向通信，有利于工作人员远程监督供电系统[2]。

3.保护装置硬件方案设计

3.1 防越级跳闸保护装置硬件

防越级跳闸保护装置主要包括CAN 总线通信单元、开关量输入输出单元、液晶显示单元、微控制器等。微控制器是保护装置的重要部分，主要负责处理现场数据、故障信息，让工作人员利用上位机控制平台来控制指标，实现与各种保护装置进行信息交互，合理控制每个保护装置的实际情况；线路电参数采集单元的主要功能是统计故障线路实际数据，并将其传输到微控制器中，通过利用控制器中的电流信号来分析隐藏的问题，有利于系统计算电压和电流信号；开关量输出单元是通过接收微控制器来控制指令内容，避免线路断路器日常工作给系统运行效率带来严重影响。

3.2 微控制器选型

在日常工作中，工作人员可利用微控制器来分析线路电信号，从而掌握实时数据能力和快速处理能力，进一步满足保护装置的日常要求。因此，在选择微控制器类型中，工作人员可采用TMS320F2812 芯片，其具有功能多样化、性能优良、性价比高等特征，是DSP 最常用的产品。同时，该芯片内部设置优化版eCAN 模块，能完全兼容CAN2.0B 协议，不能添加CAN 控制器，能有效提高保护装置效率。另外，该芯片拥有较强的运算精度和系统处理能力，有利于保护措施和算法的实施[3]。

3.3 线路电参数采集单元设计

线路电参数采集单元是通过专业工具来收集线路基本信号，如电压信号、电流信号等，经过互感器进行优化后，再通过A/D 转换电路、信号调理电路等环节，转变成DSP 可处理数字信号。两级反向比例放大器用来控制放大倍数，为避免高次谐波给放大系数带来严重影响，工作人员要在放大器间设置低通滤波电路，防止瞬态电压过高，给保护装置性能带来严重威胁，并且要提前在输出端安装双向瞬态电压抑制器。针对电流信号，工作人员对于相同型号的信号调理电路，可通过安装电压电流转换电路，就能将电流信号转换为电压信号，从实现信号转换功能；针对A/D 转换电路，可采用MAXIM 公司生产的MAX125 转换芯片作为保护装置，该芯片具有转换精度高、转速快等特征，对提高保护装置性能发挥重要作用。

3.4 CAN 总线通信电路设计

CAN 总线通信电路主要应用在保护装置通信机制日常运行，因TMS320F2812 内部有eCAN 控制器，工作人员只要在外部连接CAN 总线驱动器，就能实现通信电路信息共享功能。本保护装置选择SN65HVD230 收发器，该收发器具有通信速度快、抗干扰性强、可靠性高等特征，在DSP 和CAN 总线收发器间设置隔离器，从而提高通信系统的抗干扰能力。但值得注意的是，在供电系统安全装前，工作人员要利用专用设备来检测两路市电交流地阻和安全保护地阻量是否能满足行业要求。在空载调试方面，其要提前调整好不同时间的继电器延时时间，再调整系统动作，在确定这两个方面准确后连接负载。在负荷通电前，要从不同方面检测供电系统插座连线、接线排是否满足国家标准。在确定应急空调遥控器安装位置正确后，当主线路停电再来电后，要在第一时间正确遥控器具体工作状态[4]。

3.5 供电电源系统设置

供电供电系统设计是作为煤矿低压设备设计的重要环节，主要分为集中供电和分区供电两种方式，需要利用何种方式进行供电主要和煤矿布局有直接联系。同时，不间断电源供电系统输入开关是将低压断路器作为主体，在日常运行时将漏电保护设备安装到电流输入环节，从而避免配电房出现严重的安全事故，且禁止不间断电源供电电源连接脱零线，避免其出现管理人员伤亡，工作人员要严格遵循国家标准来安装接地设备，确保接地阻值能符合国家要求，能有效降低设备损坏问题。另外，在不间断电源供电电源选择方面禁止选择同一电池型号，要根据煤矿空间、经济效益、使用时间等要素要做出合理选择，从而加强电池的安全性和稳定性，避免出现劣质电池给设备供电时间带来严重影响。在信息化时代背景下，我国具有各种电网质量问题，如浪涌、电压波动、断电、电压跌落等方面的问题，这些问题很容易给计算机设备带来严重影响，如信息丢失、敏感元件损坏、磁盘程序被冲洗等问题。根据有关人员统计发现，我国计算机故障中有一半左右的问题是由于电源所产生。为确保煤矿采矿能根据要求进行运行，工作人员要在监控房内安装不间断电源，不仅能保证监控室电源正常运行，还能给控制系统提供稳定电力保护[5]。

3.6 开关量输入单元设计

开关量输入单元是用来检测现场线路断路器开关的实际情况，通过开关量信号来连接断路器常闭接点和辅助常开接点。其中断路器状态信号是通过二进制数字变化形式来进行数据传输工作，并将数据详细显示在上位机监控平台上，有利于工作人员掌握日常工作状态[6]。

4.软件设计

本文选择TMS320F2812 微控制器，程序编写以C 语言为主。在编写时，要根据不同模块所实现的功能选择模块化设计理念，是由不同功能子程序、主程序组成，所有工作通过主程序进行统一控制。煤矿井下受到巷道延伸长度限制，会在同一方向上安装多级供电所，且每级变电所线路分级不断增加，给线路长度带来严重影响，加上供电电缆线路阻抗能力较低。当供电系统线路出现短路故障时，不同线路间的短路电流在数值上并未出现明显区别，导致各级原有继电器保护装置无法用短路电流数据来判断短路故障点，无形中提高保护整定难度系数，造成线路出现越级跳闸、开关误动作等问题。为提升工作人员人身安全，确保设备功能和信号功能满足日常要求，工作人员通常会将控制系统和接地系统相连接。同时，接地系统面对各种接地电阻时要满足下面条件：第一，煤矿开采工程工艺接地电阻要低于1；第二，直流地电阻要根据不同系统要求来确定，工作人员要将交流工作和直流工作作为一个整体；第三，交流工作和安全保护地的接地电阻都要低于4[7]。

5.上位机设计

上位机采用选择金景集团开发的软件，该软件系统通过密码登录，给不同部门工作人员设置不同操作权限。监控侧重点集中在地下各监控点环节，如电力、电压、电流等方面的运行数据、保护设备交付状态、断路器状态等，且在供电设备出现问题时能及时确定其故障位置，采用合理的解决方式进行处理。同时，在停电期间，可利用软件中的实时曲线来控制数量变量，有利于工作人员实时观察数据变动幅度，对供电装置运行做出最科学的判断。而数据库规划和实际参数有直接联系，有利于工作人员进行后期查询，提高日常工作效率。

6.结语

本文通过分析煤矿供电系统越级跳闸现象出现的具体原因，来发现供电线路保护装置参数中隐藏的问题，如动作灵敏度低、整定难度大等问题。针对上述这些问题，工作人员要合理利用DSP 控制技术、CAN 总线通信技术等来设计完善的防越级跳闸保护装置，确保不同级别保护装置在出现短路问题时实现相互通信，将故障信息数据共享，避免出现越级跳闸问题。