煤矿井下供电防越级跳闸新技术探析

摘要：由于煤矿供电系统经常会有越级跳闸的情况出现，所以本文提出避免越级跳闸的解决方法，考虑到现在煤矿井下的施工环境以及保护控制器的现有状况，保护控制器采用的是基于GOOSE闭锁且具有选择性短路保护功能。结果显示，优化后的保护控制器确定故障点位置更快更准，这就可以根据故障点就近选择开关跳闸，防止为此造成的大面积停电，既保证安全隐患减少，又使煤矿供电系统更加可靠和安全。

关键词：越级跳闸；现状；电路保护；技术

一、概述

作为煤矿安全生产的重要组成部分，供电系统的作用不可或缺。由于现在采煤工作面持续延伸至煤矿井下，各变电所（上至地面变电所，下至井下中央变电所以及各工作面采区变电所）和变电站的之间的供电模式为纵向、垂直、多层级，供电网络为单侧电源三到四级干线式，供电线路通过多段电缆或是大截面电缆组成。受到供电线路电气距离短的缘故，当短路故障发生时始末端短路电流相差不大。通常一个地方短路就会使得多级开关故障电流一样，可通过设定时限级差确保速断选择性的方式来防止误动，因为上级供电部门的管控，井下发生多级开关跳闸先后跳闸不能以设定时限级差的方式解决，这样就会致使多级开关一起跳闸，然后发生大面积停电的现象。

二、当前防越级跳闸解决方案分析

（一）以电气信号闭锁方式的短路保护

该短路保护理论较为简单，而且目的性也比较明确，但实际效果一般。第一，众所周知，煤矿井下环境恶劣，供电系统复杂，无法充分确保电气闭锁信号远距可靠传输，即使是有屏蔽双绞线差分信号传输方案提出，也无济于事。第二，电气闭锁涉及很多电缆，而且连接也很复杂，需要通过逻辑闭锁器来解决出进线开关间的电气闭锁，同时要通过供电网络变化情况调整闭锁逻辑，由于太过复杂，加之施工难，这就造成逻辑闭锁器不易完成。第三，以电气信号闭锁方式的短路保护自检功能欠缺，如有故障，不能及时发现，维修和维护有一定的难度。综上所述，这种方式可用性不强。

（二）光线纵差和纵联保护

光纤纵差是通过比较对端的输电线路两端电流幅值以及相位信息（其是由专门的光纤网络进行传送）进而分析本线路范围有无故障发生，然后判断是否切除本线路。光纤纵联保护原理和光纤纵差保护大致一样，但传送的是逻辑信息，而非电流幅值和相位。

光纤纵差和纵联保护最显著的优势就是可以令保护的选择性和快速性得以实现。前者需要同步处理线路两侧的电流信息，这对现有的矿用保护装置来说有一定的技术难度。另外，这两者保护需要用到很多专用的通讯光纤，不但令供电系统网络设计的难度增加，而且增加了成本，加之矿上的恶劣环境，光纤和电缆极易受到破坏，那么光纤纵差和纵联保护就没有通信信道做支撑，也就实现不了应有功能。总之，在原理上而言，光纤纵差和纵联保护能够把矿井供电系统的故障选择性解决，但是考虑施工条件和成本，这种方式的实用性也欠佳。

（三）以数字化变电站技术的集中式保护

该技术主要把信息由模拟信息变为数字信息，然后建立相应的控制系统以及通信网络。该方式需要井下保护控制单元有光纤数字通讯接口，通过光纤网络把井下控制点电气量信息传输至集中式保护控制器，在其里面完成故障位置识别以及跳闸出口的控制，然后井下保护控制单元断开相关断路器，这样能够正确识别故障，同时防止越级跳闸。

该保护方式在技术的实行上没有问题，但是要克服多个测量控制点数据同步的技术难题，另外，该保护方式对通讯系统要求较高，而且对其依赖性也高，倘若通讯系统有问题发生，则可能使得停电范围进一步扩大，更甚至丧失所有的保护功能。不仅如此，集中式保护控制器作为系统中枢，使得风险也较为集中。

该保护方式要实现并不容易，因为其理念和矿井高压开关设计方式、网架结构、安装模式还有一定的差距，所以，其实现过程仍旧会比较漫长，对解决现在的越级跳闸问题而言，条件还不成熟。

（四）以CAN网的选择性短路保护

该保护方式原理是增加一台保护控制器在每个辐射状的供电保护系统中，逻辑控制器接受辐射状供电保护系统的信号，根据上级关系，设置各级保护控制器不一样的优先级，靠近电源越近，优先级越低，如果有故障发生，那么达到跳闸条件的各保护控制器就会向逻辑控制器送故障信号，然后逻辑控制器根据优先等级来发出跳闸命令，进而把故障切除，如果有延时的情况而导致最优先的保护控制器没有把故障切除的话，那么次优先级保护器就会解决上述问题，从而令保护的选择性得以实现。

该方式实用性不错，但是由于要增加额外的逻辑控制器，并且还有设置相对独立的CAN通讯网络，施工难度和成本都是煤矿难解决的。另外，跳闸指令的执行受到CAN通讯的影响，故障切除需要较长时间。

三、GOOSE闭锁短路保护

（一）GOOSE特征

GOOSE传输模式为无连接，报文有优先级标签，只用应用层、物理层、表示层和链路层，便于提高传输的实时性，是延时降低。其通过重发机制来解决丢失问题，以增大发送时间间隔的方式使网络流量和可靠性关系得以平衡，同时引入相应参数（报文存活时间、重发序号、状态变化次数序号）确保数据传输的可靠。另外，GOOSE报文的发送方式为多播，能够通过发送心跳报文的形式完成异常自检，防止链路异常而引发的越级跳闸。

（二）GOOSE闭锁的短路保护原理

GOOSE闭锁短路保护控制器系统图如图1所示，在现有保护功能的基础上加入了以太网通讯接口以及GOOSE闭锁时间定值，通过以太网通讯接口，使GOOSE闭锁信号的处理和系统功能得以完成。

图1 GOOSE闭锁的选择性短路保护系统

矿井供电系统故障示意图如图2所示，K4有短路故障时，1-4保护控制器都会把故障电流检测到，一旦达到动作门槛，就会把GOOSE闭锁报文发送，GOOSE配置完成后，1-3保护控制器会收到保护控制器4的报文信息，1-3保护控制器在闭锁的间定值内不会动作，由保护控制器4先动作将故障切除，如果在间定值内1-3保护控制器仍旧达到动作的条件，那么则有保护控制器3将故障切除，同理，其它线路也是如此。

图2 煤矿井下供电系统故障示意图

（三）GOOSE闭锁的短路保护实现

該保护控制器所选用的控制器型号为ARM芯片STM32系列，由ST公司生产，主要通过绝缘监视保护单元、开关量单元、人机接口单元、交流采样单元、通讯单元、中央处理器单元以及电源单元等来实现闭锁短路保护。同时，经过实验验证得知，基于GOOSE闭锁的短路保护对于解决越级跳闸问题效果较好。

（四）工程实施

该工程实施比较简单易行，安装保护控制器，设置IP地质，接入监控网络，整定短路保护电流定值，然后投入GOOSE闭锁控制字，以0.1S的实践级差来整定GOOSE闭锁有效时间的定值，靠近电源端的远近决定定值大小。此外，该保护控制器要提供GOOSE配置信息，通过配置工具和保护控制的文件，以图形化拖拽形式完成上下级GOOSE闭锁关系配置，然后把这些信息传给相应的保护控制器，下传好的配置文件会立即生效，然后发送GOOSE心跳报文。

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作者简介：李强（1979.08—）；男，回族，籍贯：河南.太康；本科，毕业于河南农业大学生物技术专业，工程师。