煤矿供电智能化建设关键技术

高启业，李 军

（榆林神华能源有限责任公司 青龙寺煤矿分公司，陕西 榆林719300）

国家发改委、国家能源局、应急部、国家煤矿安监局等8部委联合发布的《关于加快煤矿智能化发展的指导意见》的通知提出“推进固定岗位的无人值守和危险岗位的机器人作业”；国家安全生产监督管理总局［安监总煤行（2016）64号］《关于减少井下作业人数提升煤矿安全保障能力的指导意见》的通知提出:“大力推进机械化、自动化、信息化、智能化，实施井下机电设备智能监控、推广应用智能监控技术，实现井下排水系统、变电所远程监控和无人值守”。这2个通知为煤矿智能化建设提出了明确的方向，即通过对装备进行自动化、信息化、智能化的提升和改造达到最终无人化的目的，然而，当前煤矿供电智能化、无人化建设方面仍存在较多的安全隐患，因此，深挖煤矿供电智能化和无人值守建设的安全隐患，并采取全方位、可靠的防范措施，对提高煤矿供电安全水平和助力煤矿智能化高质量发展具有重要意义[1-3]。

1 煤矿供电智能化及无人值守现状

通过对全国100多家矿井的调研发现，国内各大煤矿推进“无人值守、减人提效”的热情都很高，煤矿供电智能化及无人值守也取得了很大大进步，并取得了一定的减人提效的效果，但是，一些关系到供电安全的“痛点”问题仍未解决，主要体现在如下几个方面：

1）供电越级跳闸问题未能彻底解决，平均每个矿每年的越级跳闸事故还在6次以上，因越级跳闸引起的大范围停电严重威胁着矿井生产及安全。

2）高压单相接地故障选线准确率不高，保护误跳闸或越级跳闸问题依然严重，由此而引起的停电范围扩大、电缆或设备绝缘被击穿等问题已经成为了煤矿供电的“痛点”问题。

3）防爆开关动作不灵敏，跳闸不及时或跳不开时有发生，加之缺乏“开关拒跳”预警手段，一旦发生短路事故，极易引起越级跳闸扩大停电范围，严重时可能导致风机、水泵等一类负荷停运，给矿井带来巨大的安全隐患。

4）低压开关漏电误跳或越级到移变跳闸几乎成常态，由此引起的工人触电、局扇停风等事故也时有发生，给矿井的安全埋下了巨大的安全隐患。

5）规程要求变电所低压漏电保护功能每天做试验，然而，试验情况却不容乐观，“漏试”、“不试”、“假试”现象比比皆是，这无疑又为矿井安全埋下了一颗“定时炸弹”。

以上问题只是煤矿供电智能化和无人值守建设中的几个突出问题，这些问题已经已经成为了煤矿智能化和无人值守建设的“瓶颈”问题，亟待解决。

2“六位一体”煤矿智能供电无人值守解决方案

针对以上问题，提出了“六位一体”供电智能化和无人值守建设解决方案，“六位”即从6个维度保证供电的安全，包括全方位防越级跳闸、高压单相接地故障精确选线（100%）、低压漏电故障精确选漏（100%）、漏电试验自动化、供电远程监控系统安全、远程控制安全；“一体”即方案将多种功能一体化，提高供电可靠性，包括网络一体、智能保护一体、备电一体、云地一体。

2.1 全方位防越级跳闸

供电越级跳闸事故轻则越过1级导致1个采区停电，重则越过多级直至地面变电所，导致整个井下供电系统瘫痪，严重威胁生产安全。引起越级跳闸的原因有多种，比如短路越级、开关拒跳越级、电压波动越级、定值不匹配越级等，然而目前国内的防越级方法（如GOOSE信号闭锁防越级、差动保护防越级、集中判别式防越级）应用多年始终无法杜绝越级跳闸事故的发生，主要是因为这些方法存在防越级“死区”，无法全方位防止越级跳闸，为此，提出一种“分布式网络保护防越级技术”，经过多年的应用证明，该技术可以彻底解决煤矿供电越级跳闸问题，为此，该技术入选了国家煤监局发布的“2019年煤矿安全生产先进适用技术装备推广目录“，分布式网络保护防越级跳闸技术原理图如图1。

图1 分布式网络保护防越级跳闸技术原理图Fig.1 Principle diagram of distributed network protection against override trip

由图1可以看出，防爆开关的智能微机保护装置（以下简称保护装置）通过矿井光纤环网实现信息共享，打破了传统的“保护装置孤岛运行“模式，保护装置之间互联互通、实时共享信息，可以不依赖分站自动构建防越级区域保护[4]，其工作原理如下：

1）保护装置之间通过光纤环网共享位置信息，自动识别供电上下级关系，构建防越级区域保护。

2）保护装置之间通过光纤环网共享实时电流信息，当电流值超过保护定值时由区域保护的最下级自动跳闸，区域保护的其他开关不跳闸，有效防止由短路事故引起的越级跳闸事故。

3）保护装置之间通过光纤环网共享保护定值信息，上下级保护定值不匹配自动报警，有效防止因定值不匹配引起的越级跳闸事故的发生。

4）保护装置之间通过光纤环网共享开关分闸时机构行程时间，提前发现开关拒跳隐患并预警，有效防止故障发生时由于开关拒跳导致的越级跳闸事故发生。

5）保护装置之间通过光纤环网共享实时电压信息，通过上下级电压信号综合比对识别电压短时波动故障，闭锁开关欠压脱扣器不动作，有效防止由于电压波动引起的开关群跳、越级跳闸事故。

2.2 高压单相接地故障精确选线（100%）

煤矿供电系统中性点普遍采用不接地或经消弧线圈接地方式，传统的漏电选线方法很难保证选线准确性。提出一种新的接地故障精确选线方法，通过原理分析和实际应用证明，该方法选线准确率可达100%，接地故障精确选线原理图如图2。

图2 接地故障精确选线原理图Fig.2 Principle diagram of accurate line selection for grounding fault

该原理采用“注入信号+防越级定位”技术，发生接地故障时，可有效避免消弧线圈、变频器等的影响，变“被动选线”（以容性电流判据）为“主动选线”（以注入信号为判据），其精确选线分为3个步骤：

1）发生单相接地故障后，系统零序电压变大，触发异频信号源短时投入，向供电回路中注入1个特殊频率的信号。

2）注入的信号从“供电回路－接地点－大地”流回信号源，从而构成唯一的信号回路。

3）开关内安装的选线装置对注入的信号敏感，检测到注入的信号以后，保护装置之间通过环网共享实时信息，根据共享的信息，103#、105#、107#开关自动组成区域选线网络，103#、105#、107#开关根据各自的上下级级联关系，确定107#开关离故障点最近，由107#开关跳闸切除接地线路，完成精确选线。

2.3 低压漏电故障精确选漏（100%）

根据调研发现，低压漏电故障引起的误跳闸、越级跳闸问题十分普遍，给生产安全带来严重隐患，因此，提出一种低压漏电精确选漏方法，该方法创新性的研发了“区域信息共享、相对判据选线”技术，经过实际应用证明，该方法选漏准确率可达100%，低压漏电精确选漏原理图如图3。

图3 低压漏电精确选漏原理图Fig.3 Schematic diagram of precise leakage selection for low voltage leakage

该原理采用“信息共享、综合对比、一致性相对判别”技术实现精确选漏，可有效避免变频器、供电回路变化等给选漏带来的影响，精确选漏分为以下3个步骤：

1）201#总开关和202#～205#分开关，通过网络交换机组成信息共享网络。

2）当低压系统发生漏电时，201#总开关通过附加直流的方法快速检测出系统漏电故障，同时，201#开关将漏电故障信息通过网络发送到202#～205#开关，此时，202#～205#开关之间实时共享信息（信息内容包括：零序电压、零序电流以及相位）。

3）202#～205#开关根据自身采集的信息与其他开关共享的信息进行综合判别，综合对比各开关零序电压与零序电流的相位角以及幅值，确定相位角和幅值的一致性范围，当某开关的相位角所和幅值偏离一致性范围时，则判定该开关回路漏电并跳闸。

2.4 漏电试验自动化及远程一键联动试验

《煤矿安全规程》第453条要求：“每天必须对低压漏电保护进行1次跳闸试验”，因此，在供电智能化建设中保证低压漏电保护的有效性和漏电试验的全面性尤为重要。调研发现，虽然各煤矿每天安排工人现场做漏电试验，然而漏电试验的全面性、有效性却很难保证，工人做漏电试验时“漏试”、“不试”、“假试”现象非常严重，电网发生漏电事故时，一旦漏电保护失效，不仅会有人体触电风险，甚至可能引起瓦斯、煤尘爆炸。为此，提出一种“漏电保护远程一键联动试验”方法，该方法可实现远程一键试验、自动记录试验结果、自动生成试验报告，试验过程中自动判别漏电保护、漏电闭锁保护的有效性，同时自动判断开关机构动作的灵敏性，通过该方法不但可以达到减人提效的目的，更重要的是彻底消除了由漏电保护失效带来的安全隐患，使煤矿供电智能化及无人值守建设又加了一道“保险”[5-7]。

2.5 远程监控系统的安全

监控系统的安全和可靠直接关系到供电无人值守的安全和可靠，例如：国家电监会［2012］12号文件通报指出“Windows操作系统的脆弱性和局部安全事件扩散可能造成整个监控系统瘫痪”，国家电网公司调继［2017］119号文件指出：“根据公司故障录波器及保信子站运行情况统计，使用Windows操作系统的设备容易再运行中感染病毒”。调研也发现，目前各煤矿的供电监控系统基本上都是采用的Windows操作系统，监控系统运行慢、中病毒甚至死机等问题频发,导致煤矿的供电监控系统安全性和可靠性得不到保证，严重制约了煤矿供电智能化建设的步伐，根据多年来研究和应用煤矿供电监控系统的经验证明，采用基于Linux操作系统的供电监控软件平台，可有效防止病毒入侵，系统安全性和可靠性明显提高，系统年可用率可达99.99%，系统平均故障间隔时间（MTBF）不小于20 000 h，因此，建议在煤矿供电智能化建设过程中，首选基于Linux操作系统的监控软件平台，这也是煤矿供电智能化及无人值守建设的安全保证[8-11]。

3 结 语

通过对多年煤矿供电无人值守监控经验的分析，同时根据对国内超过100多家煤矿的调研，总结了目前煤矿供电智能化及无人值守建设存在的主要问题，分析了这些问题给煤矿安全带来的安全隐患，同时提出了针对性的“六位一体”解决方案，采用该方案可实现全方位防越级跳闸（包括短路防越级、开关拒动防越级、电压波动防越级以及定值不匹配防越级等）、接地故障精确选线（准确率100%）、低压漏电精确选漏（准确率100%）、漏电远程一键试验以及全面的远程控制等功能，为煤矿供电智能化及无人值守建设提供了更加全面的参考。