矿井供电系统集中监视和控制思考

2020-11-28高凤山

中国科技纵横 2020年21期

高凤山

（铁煤集团内蒙古东林煤炭有限责任公司，内蒙古锡林郭勒盟 026000）

0.引言

煤炭资源的开采方式较多，但是井下开采是最为常见的一种方式。由于煤层结构的限制，使得开采空间受到了约束，并且其环境也是相当恶劣。井下作业作为重要的是确保电力系统正常有效地运行，电力系统的安全关系到了矿井所能带来的经济效益以及现场工人的人身安全。近年来，煤炭的发展越来越快，相应地需要更多的井下设备来完成作业，这就给电力系统带来了一定的压力，对电力系统的运行也提出了更高的要求。当供电系统出现故障时，那么越级跳闸故障就会频繁的出现，这就会导致供电系统出现大范围内的停电，其所带来的后果非常严重。因此，研究矿井供电系统的集中监控十分必要。

1.矿井供电系统的组成和特点

1.1 系统组成

通常情况下，井工开采是我国煤矿常用的开采技术。煤矿供电系统有顺序划分，从上到下包括了地面变电所，井下中央变电所，采区变电所和移动变电站。关于系统的结构，一般情况下以多级短电缆所构成的干线式是最为流行。煤矿供电系统也有高压和低压之分，高压通常介于6kV ～10kV；低压包括的较多，比如3300V，1140V，660V，380V 和220V。《煤矿安全规程》中明确规定了井下供电网络，该网络需要使用双回路供电方式，并且两回路互为备用，当某一回路出现故障的情况下，可以通过对高压开关进行调整的方式将另外一个正常使用的电源接过来，这样就可以确保负荷能够不间断的供电[1]。

1.2 网络特点

我国井下煤矿开采环境恶劣，工作空间狭小，各类有毒有害物质众多。随着采矿机械化程度的提高，工作范围也随之增加，高压供电电缆及设备应用越来越高，低压系统也不断延伸，这使得井下供电系统结构复杂，负荷增大。整体来说，供电系统采用多段短线缆逐级控制干线式，是多级辐射状网络模式，具有级数多、线缆短和结构复杂的特点。由于供电系统高低层次多，导致出现电网保护不能正常配合的现象。除此之外，线缆的缩短也会导致一系列的问题，比如系统容量的变大，这就导致处于不同级别状态开关所产生的短路电流十分相近，使得正常执行保护的电流定值无法执行，在快速性响应需求下，产生“越级跳闸”的问题。矿井供电系统大面积停电会增大瓦斯积聚风险，严重影响生产安全。目前多采用漏电（接地）故障选线技术，在中性点不接地系统或集中接地系统中显示出其优越性，但该技术还不够成熟，在漏电保护可靠性性方面，还有进一步提升的空间。

2.矿井供电系统经常出现的问题分析

2.1 “越级跳闸”问题十分普遍

（1）对短路保护措施的执行力度不足。煤矿的供电系统的特点：即中性点不接地或者经消弧线圈接地，所以两相短路甚至三相短路的情况频繁出现。短路电流会对电气设备和导线产生巨大热量和点力，造成绝缘体损坏，同时还会导致系统电压降低，其他正常支路通过的电流下降，影响电气设备运行。由于变电所的保护断路器可能跳到上一级的变电所开关，从而产生“越级跳闸”现象，引起更大范围的停电故障。（2）漏电保护难以满足需求。随着煤矿开采规模的扩大，各种超大型煤矿诞生。这种煤矿电缆分布庞大，供电结构规模较大，相对应的分布式电容也增大。如果按照消弧线圈接地方式，当单相接地故障出现后，电弧甚至火花会更加突出。井下漏电保护抗干扰能力差，各支路零序电流与其他支路电流难以进行比较判断，无法辨别纵向故障线路与非故障线路。

2.2 系统平台软硬件技术落后

随着科技的发展，煤矿开始采用一些监控技术提高生产效率和安全性，但自动化系统地使用时间不长，自动化水平偏低。井下供电监控系统软硬件应用平台技术落后，保护水平薄弱，接口之间的通信兼容性较差，影响系统联网的稳定性和可靠性。井下供电系统的保护器功能单一，无法满足矿井开采的运行要求。比如，许多供电系统保护器不具备故障录波的技术条件，部分保护器虽然能够记录部分故障数据，但也无法达到故障录波的要求，这对供电系统工作人员的工作强度和难度提出更大考验。

2.3 系统数据通讯传输效率偏低

（1）原有的电力监控系统与采矿区监控系统扩容后无法形成匹配，原有系统需要更多的监控设备和更多的功能要求，但是通信效率受到一定影响，无法满足要求。（2）当前我国矿井供电系统监控自动化水平不高，当监测到供电系统出现故障时，无法自我检测及视频联动，不能第一时间通过通信接口将故障信息传输出去，也不能实现可视化操作。系统保护人员不能及时掌握设备状况，不能通过远程操纵检测设备，排除故障，只能依靠值守人员进行常规操作，“四遥”功能无法实现。

3.矿井供电集中监控系统的技术创新研究

3.1 分布式区域保护技术

关于该技术，其主要的作用就是保证各级保护能够通过信号的建立，进而联系在一起。简单地说，无论哪一级发生短路，都能够在最快的时间内发出闭锁信号。阻止上一级别的保护，进而可以将该故障阻断在最小的跳闸幅度。此外，如果断路器出现了失灵情况，上一级别的保护可以在最短的时间内动作，总线故障可以使得快速跳闸得以实现。关于区域保护，其具有一定的适用范围，通常情况下，对于分支较多的配电网有性较好的适用性，可以帮助解决与保护时差不配合的故障。除此之外，其还有很多的优点，比如造价便宜，设计简单，施工方便以及性能突出等特点[2]。

3.2 分站集中控制保护技术

（1）要保证电力系统中有与系统相适应的变电站设备。（2）该分站也需要具有防越级跳闸开关相互适用的特点。如果系统正常，但是出现了短路，那么防越级跳闸的功能就会对该特定的故障进行检测，同时，其信息也会传输到分站进行分析并且作出相应的判断，然后会根据结果给出指令，进而可以控制故障位点附近的开关。

3.3 通信级联闭锁保护技术

该技术利用时间极差的纵向设置进而对各级的开关进行管控，以防越级跳闸事故的发生，每个开关装置都是相级联的。当某一点发生故障时，可以检测到故障电流的设备是通过纵向的方式传输上下级的信号。例如，开关之间的信息传输是需要时间的，假如等待时间为T1(通常情况下该时间会设置成1050ms)。假如信号传输时间出现超时，那么就可以将该级开关间的传输判断为故障，进而可以在短时间内断电。如果开关的闭锁时间介于T2 范围内(通常情况下该时间会设置成100200ms)，那么仍然可以获取到该故障信号。进而在最短的时间内进行跳闸保护。当然，这样的保护装置也有一定的缺点，其改造相当复杂。

3.4 光纤纵差保护技术

近几年，光纤通信技术得到迅速发展。光纤纵差保护技术是将线路每段两端的综合保护设备通过通道连接起来，在其中一端可以接收到另外一端的电气量，进行对比分析出故障的原因是出现在内部还是外部，然后就可以知道是否需要进行跳闸动作。对于传输到另一端的电量，其可以是电流，也可以是功率，差动保护具有绝对选择特性，这样就可以使得各级线路保护不需要与时间进行匹配，还可以确保线路全长得到保护。光纤纵差保护技术由于具有传送速度快、抗干扰强、衰减缓慢等特点，能够很好的解决馈线短路越级和联络线短路越级问题，有利于井下供电系统的稳定性[3]。

3.5 井下零时限电流保护

零时限电流采用网络保护技术，通过该技术就可以确认设备之间的通信是正常的，进而可以轻松地分析出故障所发生的区域和位点，最终可以使得上下级保护得以配合。该技术具有很大的优点：（1）其不同于传统电流保护配置。零时限电流可以解决继电保护快速性和选择性所存在的矛盾。（2）该技术的应用范围也十分广泛，比如多种类型具有复杂的供电网络。（3）电网中任意断路器都具备保护功能，并且具有绝对的选择性。