井下供电防越级跳闸系统的研究与应用

孙德宁

（新矿内蒙古能源有限责任公司，内蒙古 鄂尔多斯 016299）

0 引 言

在矿井的安全生产中，供电系统的安全和可靠性是一个非常重要的方面，而在矿井的供电系统中，井下变电所是最关键的一环，它是否能够在矿井的电力供应中发挥出最大的作用[1-3]。因为矿井中的工作环境比较差，工作空间比较狭窄，而且煤尘、瓦斯、水滴等都比较多，因此，矿井中经常会因为电缆相间短路、单相接地、电压大幅波动等原因而造成的越级跳闸事故[4-5]。越级跳闸最小的可能是越一层，造成一片区域的断电，最大的可能是越几层，直到地表变电站，造成矿井电力供应的中断，并且由于越级跳闸的原因，往往无法及时定位，造成矿井的断电[6-7]。基于以上问题，本文就矿井防越级跳闸系统进行研究。

1 越级跳闸原因分析

1.1 阶段过电流保护

矿井供电系统的保护是采用常规的继电保护的阶段型过流保护。保护方法分为三级动作：一、二级动作为零限速断路和速度限制断路，主要用于电源输入和输出；第三级是过流保护，它的作用是在线路的末端。由于在矿井中的电力供应，由于其线路非常的短小，并且十分的复杂，因此，在这种环境中，限速度断保护的作用就是通过两级时间差来进行的。上一级电路熔断保护时间设定为0.4～0.6 s，通常是取0.5 s，通过这个时间差来完成限速度断的作用。另外，采用了电流调节数字匹配与二次时间调节相结合的方法，保证了系统的选择性与敏感性，防止了故障。

1.2 短路速断保护整定值不合理

在井下供电系统中，因其上、下2 个变电站之间的短路电流非常接近，当发生短路时，将导致2 个变电站的速断保护同时动作。例如，以地表35 kV 变电站和井下主变电所为例子，各级的母线短路时的电流为6.2、5.4、5.3 kA，根据该标准设定的短路速断保护的整定值十分相近。在终端线路发生短路时，由于各短路速断保护都已经到达了一定的跳闸下限，如果无法保证最后一级的断路器能够正常工作，那么就会产生越级跳闸。

1.3 运行方式影响选择性

通常，在矿井供电系统中，馈线保护采用三段式。由于短路时线路的阻抗较大，因此在首尾两端出现短路时，电流差异很大，相邻短路保护的整定值也差异很大，从而实现较好的短路保护效果。然而，在井下供电系统中，输电线路一般比较短，线缆自身阻值也比较小，因此收尾两端的短路电流比较接近。因此，按照尾部最大负荷情况计算的短路电流整定值比较小，灵敏度也比较低。尽管相对于小负荷运行时的速断保护而言，这种保护方式还是比较有效的，但是在较大负荷运行时，短路电流将满足多级开关的动作条件，这就不可避免地会发生越级跳闸的情况。

矿井供电系统馈线保护通常为三段型，其在较长的输送线路上阻抗较大，在发生在头尾的跳闸时，由于其产生的电流相差很大，而邻近的跳闸保护的整定值相差很大，所以其短路保护的作用相对较好。但是，因为矿井电力供应的线路通常都很短，电缆本身的阻数值很小，末端的短路电流也很相近，所以根据最大负载状态进行分析，得出的短路电流的整定数值很小，并且敏感性也很低，所以相比于小负载状态下的速断保护效果更好，但是，当大负载状态下的短路电流会满足多级开关的要求，这样就会出现越级跳闸的现象。

2 防越级跳闸保护系统研究

如果在一个线路中有一个地方发生了短路，那么在该地方，上层的开关都会经过短路电流，而底层的开关则不会。在这种情况下，由于没有探测到短路电流，所以不会发送短路信号，也不会发送闭锁信号；而在短路点，则由上一级数据收集模块探测到的短路电流，并发送一个短路闭锁信号；提出了一种基于单片机控制的单片机控制算法，实现了单片机控制算法。

2.1 系统的硬件设计

为了防止矿井供电系统出现越级跳闸的问题，采用了数字光纤纵联电流差动保护技术，并以32 位ARM9 单片机S3C2440AL-40 为核心进行设计。该装置主要由数据采集模块、电源模块和通信模块组成。S3C2440AL-40 芯片是防越级跳闸保护系统的关键组成部分，它通过逻辑分析数据采集装置收集到的电压和电流数值，进而控制开入开出模块实现防越级保护。此外，S3C2440AL-40 还能够与矿井监控系统联接，实现对矿井网络的实时监控。

设置了S3C2440AL-40，采用了总线结构，设置了2 个32 MBK-561632N，以达到对存储空间的要求，并设置了FLASH(flash)，避免了检测资料的遗失及工作电源的低耗。据此，选取12、5、3.3 V 3 种不同的供电电压，并选取AMS1117 做为供电电压的变化点。同时，为了更准确地得到电气运行的各项指标，我们还对其进行了详细的分析和研究。在进行了之后，由于矿山使用了从继电器中提取的仿真指数来自于TA。

本文中，作者使用模拟量信号采集电能数据，并将其转换为能够被CPU 识别的信号。主要采集的信号是电流信号，用于计算矢量差，以调节系统的操作。在本文中，选用的是S3C2440AL-40 芯片进行A/D 转换，其中ADC 控制寄存器被主要使用。关于具体的数据信息，可参见表1。

汽轮机热耗和机组发电效率是评价燃煤纯凝发电机组热经济性的重要指标，降低汽轮机热耗、提高机组发电效率是燃煤发电机组节能增效、减少排放的重要手段，1000 MW等级超超临界机组作为高效率、低排放的代表，发电效率处于领先水平。1000 MW等级超超临界汽轮机的设计一般考虑带基本负荷运行，部分负荷采用滑压运行方式[1]，机组在热耗率验收工况(turbine heat-rate acceptance，THA)的热经济性高，随着机组负荷的降低，汽轮机热耗上升，机组发电效率下降较快(见图1)。

表1 寄存器功能参数表

针对本文研究的防越级保护系统，通信模块的设计包括以太网通信和光纤通信2 个主要组成部分。其中，光纤通信对于系统的稳定性非常重要。使用CPUS3C2440AL-40 芯片对信息进行编码和处理后，通过AFBR-5803ATZ 光纤通讯模块进行发送。在以太网通信中，芯片通过电平耦合法增强信号传输距离。开入开出模块设置了9 路开入量，包括断路器分位和断路器合位等，同时对继电器进行分步管理，以应对故障情况。系统的人机交互界面采用LPC1758 处理器、指示灯和LCD 显示屏等，能够在复杂的矿山生产环境中显示电网的工作模式、故障、操作和运行参数，以及保护装置的参数。选择大采公司生产的LCD 显示器能够确保系统的可靠性。

2.2 软件设计

对系统的保护程序进行设计，其程序运行步骤见图2。

如图1 所示，当系统启动时，会先对其进行初始化，然后再对其进行自检。如果探测不成功，则会立即发出警报，探测成功后再决定是否更改设置值。当需要修正时，修正后，在不需要修正时，将中断保护设备打开，并利用液晶显示器对系统的操作进行显示及数据收集。在收集到故障数据后，立刻对其进行排除，排除后再进行相似的动作，从而实现对该设备的有效保护。

图1 故障处理流程示意图

在数据采集系统的程序开始运行之后，它会先进行A/D 值的转换，然后看数据读取是否已经结束，如果没有结束，它会继续进行读取，在结束之后，它会向对侧进行信号传递，同时还会对样本进行是否同步，如果没有同步，那么就会对其进行重新校正，如果成功，那么就会将其发送到ARM9，从而完成数据采集。

3 应用分析

3.1 应用设计

挖金湾矿井的电力供应分为地下和地表两大类。本文介绍了ZBT-11C 型分布式保护装置在煤矿井下的应用情况，并介绍了其在煤矿安全生产中的应用。在进行这项工作前，需要对供电系统的结构进行了解和掌握，明确防止跳闸的条件。整个系统包括变电所、以太网和控制中心3 个部分.在电网中，通过对上下两级母线的划分，可以对电网进行有效的保护。

在某一种线路上的保护器被起动时，该设备就会从以太网上收到该保护器的消息。 在收到讯息后，将本层的保护器锁定，并将讯息不断地传送给更高层并提升。当线路发生故障时，供电系统会在5～25 ms 内启动线路保护装置，从而保证了正常的信息传输。

井下800 中心变电站1 个35kV，在地表设置35 kV，供电方式为双回路。地面35 kV 变电所一共有2 个与防越级跳闸级联线路相关的开关柜子，+800 中心变电所26 个高压开关柜子，10 kV 高压进线由地面35 kV 变电所提供。

1）建立一个矿井电力供应的智能监测系统，该系统的开发是以军事级别的Linux 操作系统为基础，具有本质抗病毒、健全的清除机制和免维护性。任意配置，可视化监控，可对矿井供电系统进行集中监控，低远程控制，实现无人值班的智能监控。

3）将地下+800 中心变电站26 个常规类型的高电压开关柜中的综合保护设备，进行升级，使其成为一种具备防越跳功能的微型计算机保护设备，并增设一个集成分站（防越跳与电源监测为一体），无需再增设一个防越跳或电流保护分站，投资小，维护方便，可靠性高。安装2 台矿用隔爆高清网络摄影仪，可以实现监控中心与变电所之间的视频联动，可以通过人为的设定，也可以通过硬盘存储空间来限制存储时间。

3.2 模拟d3 点末端负荷短路故障（区外母线故障）

如表2 所示，中央15 和西区301 的短路定值和过流定值都相同，均小于305 皮带启动值，延时不一样，西区305 高开短路定值也小于皮带启动值。当皮带启动时，中央15（3DL），西区301（4DL）均检测到短路信息，同时又收到对方短路的信息，判定为区外故障，因此互相闭锁，15、301 开关级联纵差不动作；而此时305（5DL）也检测到短路信息，305 开关2.61 A 短路动作跳闸，没有越级到15 开关和301 开关跳闸。保护正确动作。

表2 模拟d3 点末端负荷短路故障数值表

3.3 模拟d2 点母线故障（区外故障）

如表3 所示，中央15 和西区301 高开的短路定值和过流定值都相同均小于皮带启动值，延时不一样，西区305 高开短路定值大于皮带启动值。当皮带启动时，中央15（3DL），西区301（4DL）均检测到短路信息，同时又收到对方短路的信息，判定为区外故障，互相闭锁，15、301 级联纵差不动作，而是由15和301 的后备过流保护，301 比15 延时短，1 号高开先2.27 A 过流跳闸切除故障；而此时305（5DL）没检测到短路，305 开关不跳闸。

表3 模拟d2 点末端负荷短路故障数值表

表4 模拟d1 点末端负荷短路故障数值表(区内故障)

3.4 模拟d1 点电缆线故障（区内故障）

中央15 短路值和过流定值相同均小于皮带启动值，延时不一样；西区301 短路定值和过流定值相同均大于皮带启动值，延时不一样；西区305 高开短路定值大于皮带启动值。当皮带启动时，中央15（3DL）检测到短路信息，西区301（4DL）未检测到短路信息，一个收到对方的短路信息，另一个没有收到对方的短路信息，认为区内故障，15 开关2.14 A 级联纵差动作跳闸，切出故障。

3.5 防越级跳闸试验效果分析

本次设计的ZBT-11C 分布式保护器进行试验验证其保护效果，各级保护动作情况见表5。以东采区3 号变电站为例，3 号泵高压开关过流的短路电流为400 A，02 号泵高压电源过流的800 A，中心变电站10 号高压电源过流的最大电流为1 800 A，都小于保护电流。经监控，3 号变电站只有10 号高压开关具有短路保护功能，而4、28、02 号和10 号高爆管开关都还能正常工作，没有跳闸。在电网发生故障的情况下，防越级跳闸系统可以防止跳闸，证明防越级跳闸系统的设计是科学、合理和实用的。

表5 各级保护动作情况

4 结 论

1）通过应用本文的技术，地下变电站可以实现无人值班，每一座矿山可以直接节约一笔电费，保证了电力供应的安全性，降低了因电力故障而造成的人员伤亡，还降低了每年的间接职业伤害费用，从而推动了社会的和谐与稳定。

2）通过对矿井的改造，矿井的供电故障减少了60%以上，从而直接提高了矿井的经济效益。

3）应用此技术，可使地下电力装置不再处于高电压工作，并可使地下供电装置的故障率下降40%，使其使用寿命提高50%，从而节省了对地下电力装置的维护和投入。

4）解决了困扰我国煤炭工业多年的“供电系统保护越级跳闸”问题，使其具有了同类型产品所不具备的各项性能，具有广阔的发展前景。