梁紅平 LIANG Hong-ping

（上海大屯能源股份有限公司龍東煤礦，徐州 221600）

1 概述

煤礦供電系統(tǒng)是礦井安全生產(chǎn)的重要組成部分。隨著龍東煤礦服務(wù)年限的延長，采煤工作面向井下大巷遠距離延伸，供電系統(tǒng)從地面35kV 變電所到井下-285 水平中央變電所、各采區(qū)變電所以及工作面移動配電點之間多采用如圖1 所示垂直供電模式。這種供電模式電氣距離短，線路始端和末端發(fā)生短路故障時流過的電流往往相差小，當某一處短路時能導(dǎo)致井下多級開關(guān)同時跳閘，進而引發(fā)大面積停電事故。一旦發(fā)生大面積停電事故，不僅影響礦井正常生產(chǎn)，還威脅井下施工人員的生命安全。

圖1 井下高壓供電系統(tǒng)圖

針對這種情況，龍東煤礦結(jié)合現(xiàn)有井下供電監(jiān)控系統(tǒng)，以安全、可靠和經(jīng)濟為原則，通過研究分析，建立一套井下供電防越級跳閘系統(tǒng)，確保礦井安全生產(chǎn)。

2 煤礦供電防越級跳閘解決方案現(xiàn)狀

目前國內(nèi)成熟的供電防越級跳閘解決案例不多，大都在理論研究階段，提出的解決方案有以下幾種：

2.1 接點閉鎖的短路保護

接點閉鎖的短路保護是當煤礦井下出現(xiàn)短路故障時，同一電源線上各級保護均啟動，下級保護在本級啟動的同時通過繼電器接點向上級保護發(fā)送閉鎖信號，屏蔽上級保護不出口。該原理邏輯簡單，通過逐級閉鎖一定程度上可以實現(xiàn)瞬時速斷和保護選擇性，達到防止越級跳閘的目的，但在實際生產(chǎn)應(yīng)用中卻很難達到預(yù)期效果。首先在復(fù)雜電磁環(huán)境下，繼電器接點本身可靠性低; 尤其井下供電網(wǎng)絡(luò)級數(shù)較多時，繼電器接點傳輸距離變長，閉鎖回路接線復(fù)雜，電磁環(huán)境下傳輸可靠性大幅度降低。其次需要敷設(shè)大量閉鎖信號電纜，投資大，維護量大，且電纜容易被破壞，可靠性差。最后，該方案缺乏完善的自檢功能，信號電纜出現(xiàn)故障時不能及時發(fā)現(xiàn)和報警，檢修維護困難，因此該方式可用性較差。

2.2 光纖縱差保護

光纖縱差保護技術(shù)是在各級變電所級聯(lián)供電線路之間配置光纖縱差保護，利用光纖通信將輸電線路兩端的電流幅值及相位信息通過專用的光纖網(wǎng)絡(luò)傳送到對端進行比較，判斷本線路范圍內(nèi)是否發(fā)生短路故障，線路外部故障時縱差保護不動作，內(nèi)部故障時光纖縱差保護動作。該保護原理簡單明了，上下級配電線路的保護測控裝置動作電流值不需要相互配合，技術(shù)成熟，能快速可靠的切除故障，但存在以下缺點:

①煤礦井下供電網(wǎng)絡(luò)存在T 型接線等方式，一路電源故障時另一路電源要能夠接入全部負載，供電網(wǎng)絡(luò)發(fā)生變化時，縱差保護很難適應(yīng)。

②光纖縱差需要接入保護范圍內(nèi)的全部差流，復(fù)雜電網(wǎng)結(jié)構(gòu)使得光纖縱差配置非常繁雜，系統(tǒng)擴展性能差，應(yīng)用場合受到限制。

③開關(guān)拒動時需要依靠后備延時保護切除故障，由于后備延時無法階梯整定，所以很容易引起多級開關(guān)同時跳閘，擴大停電范圍。

④需要敷設(shè)單獨的差動通信光纜，投資大，維護量大，獨立光纜容易被破壞，可靠性差。

因此該保護實用性不強。

2.3 集控式保護

集控式保護需要在每個變電所安裝獨立的集中式電流保護分站，不同變電所的分站通過光纖連接，分站與變電所內(nèi)的綜合保護裝置都建立通信聯(lián)系，當某條線路出現(xiàn)故障時，各分站收集保護裝置檢測到的故障信息，根據(jù)線路級聯(lián)關(guān)系確定故障級后，對故障級綜合保護裝置發(fā)出跳閘指令，實現(xiàn)故障的有選擇性切除。該保護原理清晰，由分站集中判別故障并下達跳閘指令，一定程度上可以實現(xiàn)瞬時速斷和保護選擇性，達到防越級跳閘目的，但存在以下缺點：

①一旦分站網(wǎng)絡(luò)中斷或分站故障，會使整個區(qū)域防越級保護判別失效，引起越級跳閘。

②適應(yīng)性差，后期維護成本高，如分站區(qū)域內(nèi)供電網(wǎng)絡(luò)變化時，需要重新設(shè)置分站的線路級聯(lián)關(guān)系模型和防越級判別邏輯，分站更新程序不但存在安全隱患，而且還受制于分站廠家，增加維護成本。

③需加裝獨立的防越級分站或集中式電流保護分站，成本高，維護量大，可靠性低。

④光纖接頭多，熔接困難，系統(tǒng)后期維護困難。

因此該方式可實施性較差。

2.4 基于KXJ100B 閉鎖控制器的短路保護

通常煤礦井下供電線路的上下級開關(guān)短路保護延時都為零，沒有時間差，短路故障發(fā)生時，在故障點與電源之間的所有保護控制器都會流過較大的短路電流，保護控制器本身不具備判別自己是否離故障點最近的能力，因此容易導(dǎo)致越級跳閘。針對此問題，一種基于KXJ100B 閉鎖控制器的短路保護新技術(shù)具有選擇性，該技術(shù)以龍東煤礦現(xiàn)有的井下供電監(jiān)控系統(tǒng)為基礎(chǔ)，將變電所實時跳閘信號用于傳送閉鎖信號，實現(xiàn)煤礦井下供電系統(tǒng)故障的選擇性跳閘。該方案結(jié)合現(xiàn)有的供電監(jiān)控系統(tǒng)，具有便于實現(xiàn)、抗干擾能力強、可靠性高、成本低等優(yōu)點。

2.5 “三位一體”供電防越級跳閘技術(shù)

“三位一體”是指從線路短路、接地和電壓波動三方面入手避免供電越級跳閘現(xiàn)象發(fā)生。該技術(shù)將防越級網(wǎng)絡(luò)與光纖環(huán)網(wǎng)融為一體，采用網(wǎng)絡(luò)智能識別保護方式，防越級網(wǎng)絡(luò)不容易被破壞，可靠性高，能真正做到全方位防止供電越級跳閘，但該技術(shù)涉及發(fā)明專利技術(shù)，需要將現(xiàn)有的高低壓開關(guān)保護裝置全部更換成專利廠家的保護裝置，具有施工周期長，投資成本高的特點。

綜上所述，考慮安全、可靠和經(jīng)濟性后，最終龍東煤礦選擇建立一套基于KXJ100B 閉鎖控制器的井下供電防越級跳閘系統(tǒng)。

3 基于KXJ100B 閉鎖控制器的防越級跳閘原理

在開關(guān)綜合保護裝置中內(nèi)置短路電流采集模塊，采用邏輯閉鎖實現(xiàn)短路防越級跳閘保護功能，故障識別時間小于10ms，動作時間小于35ms，最大支持防越級級數(shù)為十二級。當線路某處短路時，短路點的所有上級開關(guān)都通過短路電流，開關(guān)綜合保護裝置可以接收來自下級開關(guān)的閉鎖信息，也可以自己發(fā)送信息閉鎖上級開關(guān)。距離短路點最近的開關(guān)會瞬動并發(fā)出閉鎖信號，通過KXJ100B 閉鎖控制器的傳輸，它的上級開關(guān)會根據(jù)接收的信號計算需要閉鎖的延時時間，同時向上級發(fā)出閉鎖信息，上級開關(guān)順延閉鎖。

短路點的下級開關(guān)不通過短路電流，開關(guān)內(nèi)的短路電流采集模塊檢測不到短路電流，則不會發(fā)出閉鎖信號，不閉鎖上一級開關(guān)的短路保護功能。這樣，只有最靠近短路點的一級開關(guān)因下級開關(guān)不發(fā)出短路閉鎖信號而不被閉鎖，使之短路跳閘，切斷短路線路。短路線路切斷后，短路電流消失，各級開關(guān)信號返回，解除閉鎖功能。

當最靠近短路點的上方的一級開關(guān)因故障拒動跳閘時，它的上一級開關(guān)保護器延時（閉鎖延時功能）一個固有跳閘時間（50～100ms，根據(jù)開關(guān)斷路器跳閘速度決定），延時到時后，上一級開關(guān)跳閘，切除短路電路，作為下級開關(guān)的后備保護。從而既切除了短路電路，使供電線路得到了保護，又避免了越級跳閘。

4 KXJ100B 閉鎖控制器結(jié)構(gòu)特征與工作原理

4.1 外形結(jié)構(gòu)圖

4.2 主要結(jié)構(gòu)特征

閉鎖控制器的外觀尺寸及結(jié)構(gòu)如圖2 所示，上蓋出廠時已經(jīng)用螺絲固定，箱門上有一個矩形觀察窗，通過矩形觀察窗可觀察到液晶顯示屏的顯示內(nèi)容和電源及輸入輸出的狀態(tài)指示。外殼上共裝有20 個出線嘴，供輸入、輸出電纜引線用。

圖2 閉鎖控制器的外觀尺寸及結(jié)構(gòu)

4.3 工作原理

閉鎖控制器主要由閉鎖控制板、轉(zhuǎn)換板，顯示板、開關(guān)電源、尾纖盒、電源開關(guān)等部分組成。閉鎖控制器將接收到的閉鎖信號處理后輸出，實現(xiàn)閉鎖電信號和閉鎖光信號之間相互轉(zhuǎn)換，具有狀態(tài)指示和故障信息遠傳功能。

5 系統(tǒng)組成

防越級跳閘系統(tǒng)主要由四個部分構(gòu)成，即地面監(jiān)控系統(tǒng)、信號傳輸分站、KXJ100B 閉鎖控制器、開關(guān)保護裝置。其中開關(guān)綜合保護裝置安裝在高壓開關(guān)內(nèi)，替換原有的保護裝置，信號傳輸分站替換原有的集控分站，KXJ100B 閉鎖控制器安裝在井下各變電所，一主一備兩套監(jiān)控系統(tǒng)布置在地面監(jiān)控室。

6 系統(tǒng)安裝

①安裝前分別將信號傳輸分站、閉鎖控制器運輸?shù)骄赂髯冸娝?/p>

②提前批好停電報告，將需要安裝調(diào)試的高壓開關(guān)停電。停電前，將高壓開關(guān)合分閘數(shù)次，確認開關(guān)合分閘功能正常。

③待停電十分鐘后，將開關(guān)前門打開，拉出小車，閉鎖掛牌。

④打開開關(guān)后腔蓋，操作人員必須穿絕緣靴、戴絕緣手套對所有停電設(shè)備進行停電、驗電、放電、掛接地線。

⑤將開關(guān)內(nèi)的綜合保護裝置拆下，換上GZB-ARM-9112 智能型高壓綜合保護裝置，新老保護裝置外部接線插頭通用，不需另外改線。同時，對信號傳輸分站和閉鎖控制器進行接線。

⑥將開關(guān)的閉鎖控制線和通訊線通過小喇叭口接到JHH6 隔爆接線盒，在從接線盒分別引出到分站和閉鎖控制器。

⑦接線完畢后，檢查接線是否正確和完好。

⑧將分站和閉鎖控制器蓋板蓋上，并上緊螺絲。

⑨將開關(guān)后蓋蓋板蓋上，并上緊螺絲。

⑩將開關(guān)前門蓋上關(guān)閉，閉鎖桿退出，合上隔離小車，通過箱體兩側(cè)的觀察窗觀察小車是否到位，主觸頭是否接觸完好。

?按開關(guān)的合閘按鈕，開關(guān)合閘，觀察保護器顯示是否正常。

?通過箱門按鈕設(shè)置開關(guān)參數(shù)。

?分別將分站和閉鎖控制器送電，觀察顯示是否正常。

?調(diào)試開關(guān)的通訊是否正常，并試驗開關(guān)合分閘。

?調(diào)試完畢后，將分站和井下變電所交換機連接，調(diào)試通訊是否正常。

?井下調(diào)試完畢，設(shè)備均運行正常后，在地面工控機上安裝好監(jiān)控系統(tǒng)，確認開關(guān)狀態(tài)和電氣參數(shù)正確無誤。

7 試驗及應(yīng)用情況

7.1 試驗情況

在不影響生產(chǎn)和不對井下供電網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生有害沖擊的情況下，選擇在井下變電所的分開關(guān)和其上級總開關(guān)之間進行試驗。分開關(guān)負荷平均啟動電流為60A，總開關(guān)為本段總開關(guān)，本段其它均為備用開關(guān)，滿足試驗條件。

試驗分三種方式，每種方式測試三次。

第一種：防越級跳閘系統(tǒng)退出，分開關(guān)狀態(tài)良好，給予分開關(guān)大于整定值的啟動電流，測試是否發(fā)生越級跳閘。

表1 第一種方式試驗情況表

第二種：防越級跳閘系統(tǒng)投入，分開關(guān)狀態(tài)良好，給予分開關(guān)大于整定值的啟動電流，測試是否發(fā)生越級跳閘。

表2 第二種方式試驗情況表

第三種：防越級跳閘系統(tǒng)投入，分開關(guān)無法分閘故障，給予分開關(guān)大于整定值的啟動電流，測試上級是否延時跳閘。

表3 第三種方式試驗情況表

試驗結(jié)論：滿足龍東煤礦井下供電防越級跳閘要求。

7.2 應(yīng)用情況

該系統(tǒng)自2020 年8 月建成投運以來，運行穩(wěn)定，通訊正常，具有監(jiān)控系統(tǒng)基本的五遙功能，采集的供電參數(shù)、模擬量、開關(guān)量、故障數(shù)據(jù)、錄波數(shù)據(jù)準確，滿足龍東煤礦井下供電防越級跳閘和安全生產(chǎn)的要求。截至2021 年12月，已成功為龍東煤礦避免了2 次井下大面積停電事故，大大提高了礦井供電系統(tǒng)的安全可靠性，目前該技術(shù)方案已推廣至中煤集團大屯礦區(qū)其它三個礦。

8 結(jié)語

通過對基于KXJ100B 閉鎖控制器的井下供電防越級跳閘系統(tǒng)應(yīng)用分析，可知該系統(tǒng)安全、可靠，投資少。符合最新版《煤礦安全規(guī)程》和煤礦供電防越級跳閘系統(tǒng)技術(shù)標準，滿足煤礦安全生產(chǎn)的要求，有效解決了龍東煤礦存在的供電短路越級跳閘問題，具有較高的推廣應(yīng)用價值。