煤矿井下供电监控及防越级跳闸系统设计与应用

陈明明

(山西晋煤集团技术研究院有限责任公司，山西 晋城 048006)

供电系统作为煤矿六大系统之一机电系统的重要组成部分，在煤矿生产中具有举足轻重的地位，作为矿井生产的主要动力来源，直接关系着整个矿井的生产产量。越级跳闸作为供电系统的常见事故之一，具有影响范围大、故障判断难等特点，此类事故一旦发生，将会造成采区大面积停电停产，严重影响矿井生产。煤矿井下供电监测及防越级跳闸系统作为监测煤矿井下供电系统安全稳定高效运行防止越级跳闸事故的有效手段，得到了广泛的应用[1]。

晋能控股煤业集团赵庄煤业二号井作为晋能控股煤业集团主力矿井之一，其矿井供电系统层级多，防越级跳闸功能不完善，存在因漏电保护判定依据不准确，导致井下高压漏电保护乱跳、误跳等问题，且防越级跳闸系统只做了井下部分，未实现地面与井下供电监控整体防越级跳闸系统建设。鉴于此，设计了一套可靠的供电监测及防越级跳闸系统，系统在高压部分采用诊断信号法进行精准漏电保护，在低压部分采用复合信号法进行精准漏电保护，并利用工业环网进行上位机远程监控，统一电网监控平台，实现了电网的远程实时监控和定期巡视、故障自动定位、隔离故障区段等功能，进一步推进了赵庄煤业二号井的数字化、信息化建设[2]。

1 防越级跳闸系统原理

1.1 诊断信号法漏电保护系统

诊断信号法漏电保护系统由SY3601 消弧与信号注入柜、分散式智能选漏综合保护器（ZBT-11C防越级高开综合保护器或者ZBT-11XL 高压选漏及消弧装置）构成，保护器之间以及保护器与注入柜之间无需通信连线，在地面任一变电所母线上接入一台消弧与信号注入柜，配合智能选漏综合保护器实现漏电保护。如果高压供电系统是分列运行的，每个分列供电系统需安装一台SY3601 消弧与信号注入柜[3]。智能选漏综合保护器有两种，一种是ZBT-11C 防越级高开综合保护器，另一种是ZBT-11XL 高压选漏及消弧装置。ZBT-11C 防越级高开综合保护器内置了信号捕捉模块和算法，可以在实现防越级保护的同时，配合消弧与信号注入柜实现基于外部信号的高压智能选漏保护系统。ZBT-11XL高压选漏及消弧装置是专门研发的基于外部信号的漏电保护器，它也可与信号注入柜配合实现漏电保护。ZBT-11XL 高压选漏及消弧装置体积小，适合于安装在矿用一般型开关柜中，也适合安装在高爆开关中。在没有安装ZBT-11C 防越级高开综合保护器的高爆开关中，安装ZBT-11XL 高压选漏及消弧装置实现基于诊断信号的高压漏电保护系统[4]。其工作原理如图1。

图1 诊断信号法漏电保护系统工作原理

地面SY3601 消弧与信号注入柜在探测到供电系统有单相接地时，向供电系统注入诊断信号；ZBT-11C 防越级高开综合保护器或ZBT-11XL 高压选漏及消弧装置对注入的诊断信号进行检测，当诊断信号值达到设定值时，判定为接地线路，异频漏电保护出口跳闸，切除故障，供电系统供电恢复正常；井上下高压开关所安装ZBT-11C 防越级高开综合保护器内部已经具有对诊断信号检测功能的漏电保护，无需增加硬件即可解决漏电选择性问题。

1.2 复合信号法漏电保护系统

复合信号法漏电保护系统使用网络拓扑算法，每个开关既是数据采集器，也是数据分析器，系统将原主机进行的运算判断功能下放至各个开关，减少主机运算量和网络占用率，通过分散安装的DYZB-01 矿用低压综合保护器搭建的专用保护信息网快速交换信息，能够快速判断故障区段，准确切断距离故障点最近的上级开关，同时各级开关也可以相互验证判断结果，提高故障判断的准确性，进一步实现防越级跳闸的目的[5]。

复合信号法漏电保护系统主要由DYZB-01 矿用低压综合保护器、KJJ156 矿用本安型网络交换机以及矿用光缆网络构成。每个防越级综合保护器通过通信总线接入防越级跳闸网络交换机，交换机间通过光缆连接构成高速通信防越级环网。环网搭建光纤防越级通道，采用快速故障信息报文交互技术，实现防越级跳闸功能[6]。系统工作原理如图2。

图2 复合信号法漏电保护系统工作原理

终端线d1 处发生短路时，1DL、2DL、3DL、4DL、6DL 全部检测到短路电流；1DL、2DL、3DL、4DL 通过故障信息互换与判断，判定为区域外故障，闭锁防越级保护；6DL的短路保护动作跳闸，以切断故障回路，同时发信号给4DL 启动后备保护；一旦6DL 开关拒动，则故障依然存在，4DL 的智能后备保护立刻动作切断相应故障回路；如果4DL 通信完全中断，不能进行防越级保护动作，4DL 自带的固定延时短路保护起作用，切断故障回路。

当联络线d3 处发生短路时，1DL、2DL、3DL、4DL、5DL 全部检测到短路电流；1DL、2DL、3DL、4DL、5DL 通过故障信息互换与判断，判定故障发生在d3 处，1DL、2DL、3DL、4DL 闭锁防越级保护；5DL 防越级保护动作跳闸，以断故障回路，同时发信号给4DL 启动智能后备保护；此时，如果5DL 拒动，4DL 动作跳闸，切断故障回路；如果4DL 也拒动，或通信完全中断，则由4DL 自带的固定延时短路保护起作用，切断故障回路。

当母线d2 处发生短路时，1DL、2DL、3DL、4DL 全部检测到短路电流,而5DL 与6DL 没有检测到短路电流；1DL、2DL、3DL 通过信息互换与判断，判定为区域外故障，闭锁防越级保护；4DL没有接收到下级故障信息，判断为母线故障，此时差动保护动作，切断故障回路，同时3DL 启动智能后备保护；如果3DL 与4DL 通信故障或4DL 开关异常，3DL会由固定延时短路跳闸，切断故障回路[7]。

2 井下供电监控及防越级跳闸系统

井下供电监控及防越级跳闸系统主要由高压部分和低压部分组成，高压部分包含地面变电站及井下变电所的高压开关；高压部分指井下动力移动变电站到馈电开关部分。系统的拓扑图如图3。

图3 煤矿井下供电监控系统拓扑图

高压部分通过对井下变电所已安装的ZBT-11C防越级高开综合保护器进行程序升级使其具备诊断信号法漏电保护功能，并与地面变电站安装的SY3601 消弧与信号注入柜配合，采用诊断信号法漏电保护原理，实现井下变电所高压漏电系统的精准漏电保护功能，彻底解决井下高压开关在发生漏电故障时，保护乱跳、误动、选择性不准确问题[8]。

低压部分利用井下变电所内低压馈电开关综合保护器升级改造为带有防越级及电能计量功能的DYZB-01 矿用低压综合保护器，把变电所内的DYZB-01 矿用低压综合保护器通过RS-485 方式接入电力监控分站，实现变电所当地集中监控和地面监控中心进行远程遥测、遥信、遥控、遥调、遥脉、遥试等功能[9]。

3 系统功能

系统上位机采用时下最流行的BS 架构技术，依靠其特有的硬件构架除具有实时监控显示、数据统计、查询、故障诊断及报告功能外，还具有：

1）一键送电功能。可在后台通过编程实现对变电所开关按照先后顺序快速逐级恢复送电；恢复送电的顺序可根据矿具体情况进行修改[10]；

2）事件记录存储检索功能。系统监控设备出现状态变化时，系统会自动生成带时标的事件记录，存储在磁盘中，方便后期的检索查询；

3）故障定位功能。系统能够根据保护器动作信息，自动判断故障发生区域，定位故障区间，判断故障停电影响范围，并给出恢复送电的最优方案；

4）故障录波功能。可以对故障时刻的数据进行分析,横向和纵向比较，更快更准地确定故障点和故障情况[11]。

4 结语

该系统于2021 年10 月完成系统调试，并投入试运行。在为期一年的试运行期间，井下供电线路未发生一起越级跳闸事故，线路发生故障跳闸时，系统多次准确判断出故障区域，快速自动断电，并给出最优恢复供电方案，将因供电线路跳闸影响的生产区域缩小到最小范围，为矿井的安全高效生产提供有力的供电支撑。