煤矿井下电气系统馈电开关防护系统分析

中煤科工能源科技发展有限公司 曹 牧

现今我国煤矿开采作业水平逐渐实现了自动化发展，同时为进一步实现自动化水平的提升，要确保井下供电网络的安全与稳定，但是受到井下作业环境因素的影响，各类电气设备在运行过程中难免会对井下的供电网络系统造成一定的电流冲击，甚至容易发生漏电、短路等事故问题。因此可应用馈电开关进行电网的防护，实现对已发生故障的网络进行有效隔离。

1 馈电开关及防护系统概述

馈电开关在当前煤矿井下作业低压供电网中始终发挥着重要作用，作为主要电气设备，能对现有电动机和电缆、变频器等实现全面的保护，馈电开关的应用能大幅度减少煤矿井下作业过程中供电网络的故障问题和电气系统隐患问题，确保供电线路和供电网络的安全畅通。煤矿井下开采作业电网系统的运行环境相对恶劣且供电点位相对较多，线路繁杂，很容易在供电过程中出现故障和安全隐患问题，针对煤矿井下馈电开关建设有针对性的防护系统能进一步保证馈电开关的作用，发挥在进行保护系统建设时可以PLC 自动化控制技术为核心、全面提高馈电开关保护系统的欠压保护及漏电保护等多方面功能，全面提高系统的灵敏性和稳定性，避免为井下的供电网络安全带来更为严重的风险和隐患[1]。

2 煤矿井下电气系统馈电开关防护及漏电事故分析

当前虽然我国煤矿开采的自动化水平显著提升，但现有煤矿井下电气系统的运行过程中，仍会发生馈电开关防护失效及漏电事故等多方面问题。出现此类事故隐患主要可分为两方面原因：一方面体现于原有供电设备及线缆等引发防护失效及漏电事故。由于煤矿井下作业和电气系统的运行环境相对潮湿、环境恶劣，因此线缆在长期运行下易发生裂痕，同样也会在相对潮湿的环境中出现损坏的情况，特别是煤矿井下作业过程中各类功率相对较大，使得各类电气设备易发生发热问题，而此类裂痕及设备发热的问题同样也会进一步加速设备老化速率，直接影响电气系统馈电开关的防护效果[2]。

另一方面，管理不当问题同样也是导致漏电事故发生及馈电开关防护效果下降的主要问题之一，如在煤矿井下电气作业和电气系统运行期间忽视了强而有效的管理，没有定期开展设备的检修与维护、工作人员的操作和设备检查作业等并未全面到位，也会增加漏电的风险，使馈电开关无法充分发挥其作用和价值。因此在现有煤矿井下电气系统内全面提高馈电开关防护系统建设水平能有效规避各类漏电风险事故，提高馈电开关防护系统的安全性和稳定性[3]。

3 煤矿井下电气系统馈电开关防护系统设计与规划

3.1 馈电开关防护系统总体结构

在进行煤矿井下电气系统的馈电开关防护系统设计时，首先要从总体的角度进行架构，确保整个电气系统的网络结构及供电安全性能全面保障。在现有馈电开关防护系统中，主要包括最主要的保护器核心模块及电源模块、通信模块、电路模块等多个环节和设备，在现有馈电开关防护系统运行和工作过程中，位于电气系统中的电压感应器和电源感应器会对电气系统内部电压及电流的运转情况进行全面的监测，旨在对电压与电流信号进行预处理，随后将预处理后的数据及时传递给保护器核心模块和控制中心进行信息和数据的转换，在数据中心内部进一步实现对预处理过后的信号数字量及模拟量间的信息有效转换，并进一步判断当前煤矿井下电气系统的作业情况[4]。一旦在现有电气系统的馈电开关防护系统中出现了故障或运行失误问题都会第一时间反馈给信号与处理器，随后通过保护器核心模块进一步分析和确定故障的主要类型以及具体的发生点位，随后保护器会进一步发出保护指令，由保护器实现对现有馈电开关防护系统电路的保护和隔离，真正起到控制电路和保护系统的作用。

图1 馈电开关防护系统总体结构设计图

在馈电开关防护系统发挥作用期间，不论是何种类型的故障都可通过现有防护系统进行故障的记录和处理登记，旨在不断丰富现有馈电开关防护系统的故障库信息，提高整个系统故障判断的安全性和有效性。此外，相关分析结果和故障发生原因处理方案的也能及时传输给井下电气系统控制中心全面显示故障信息，同时也方便相关人员了解煤矿井下电气系统及馈电开关防护系统的作业情况。

3.2 馈电开关防护系统硬件结构设计

受到煤矿井下环境的影响，如始终处于湿度较高、尘埃较高、存在较大水源电磁干扰的条件下，需对现有馈电开关的防护系统提出更高的建设要求，以进一步满足煤矿井下的特殊运行环境，有效保障馈电开关防护系统的安全性。因此在硬件结构设计中，可应用嵌入式的32位处理器作为微机控制系统的主要处理核心，进一步满足馈电开关防护系统在数据分析与处理方面的需求，此外在32位处理器的内部也可专业设置独立数字信号转换模块、电源模块、监测模块等，此类内置转换模块的形式也能进一步降低原有配电开关防护系统硬件结构设计方面的复杂性和多样性，既提高了各个模块间的运行安全和稳定，也大大提高了个人信息数据的处理速度，有效降低系统运行过程中的能源消耗[5]。

此外，馈电开关防护系统中设置了监测传感器及各类数据处理元件，监测传感器的最主要目标在于对馈电开关系统及电气系统的电压及电流情况进行实时监测，保障整个防护系统的运行安全性。此时在供电电路方面可专门增设稳压芯片，以进一步满足对现有馈电开关防护系统电压的稳定性作用。在不同的硬件端口处设置专用的数据通信接口，实现各类监测信号的稳定传输和传递功能，在原有功能的基础上大大拓展了系统要素，实现了馈电开关防护系统的全面升级。

另一方面，煤矿井下电网不同类型的电力设备相对较多，在设备运行过程中存在更大的冲击电流情况，因此在电气系统供电过程中，电压和电流的波动较大，如无法全面保障馈电开关防护系统的安全性和稳定性，则会酿成更为严重的风险隐患。因此可在现有防护系统硬件设计的基础上增加稳压芯片和稳压电源，进一步实现稳压的目标，同时也可对现有馈电开关防护系统进行有效降压和滤波处理，旨在为馈电开关防护系统提供更加连续、稳定的电压保障。

3.3 馈电开关防护系统软件控制设计

对于煤矿井下电气系统馈电开关防护系统设计，软件方面的控制是整个防护系统运行的核心所在。为进一步实现全面保护和综合功能，要在软件控制方面实现对电气系统及馈电开关作业防护环境的温度采集、故障判断及系统运行功率检测、数据通信等多种层次的需求。在进行软件设计时，可首先对煤矿井下电气系统的电路进行初始化设定，全面检测有功功率和无功功率，并对煤矿井下作业环境中与电气系统相连的各类硬件进行状态自检，全方位检测电压和电流状态，随后确保各类设备及硬件运转正常后才可逐渐转移，进行系统的正常巡检和监测。此种形式能进一步保障整个煤矿井下电机系统的有效运行状态，一旦不同的环节出现故障也会在相应之处通过信号传感器传达出故障信号，进行故障的锁定和分析判断，通过现有的防护系统对故障进行有针对性的处理，进一步提高供用电网络和电气系统的安全性和稳定性。

例如在馈电保护系统软件逻辑设计过程中可增加手动复位功能，避免系统运行出现无效故障，可经过人工的故障排查后进行手动复位，确保现有馈电开关防护系统能顺利运转。通过此类保护系统的运行，煤矿井下电气系统出现各类故障的次数大大减少，故障发生后处理时间节约近90%，特别是现有馈电开关防护系统在发生故障后能进行自我学习和故障信息的存储，记录故障排查相关操作，使现有开关防护系统的保护功能实现了较高水平的智能化与自动化变革，进一步提高了煤矿井下电气系统的运行稳定性效果。

3.4 馈电开关防护系统相关保护措施

由于煤矿井下的工作和作业环境相对恶劣，周边环境过于潮湿，存在较大的电磁干扰性，这也使得煤矿井下的电气系统容易发生漏电事故，或导致馈电开关防护系统难以充分发挥其作用。除现有的配电开关外，各类电气设备在运行过程中同样也会受到煤矿井下作业环境的影响，甚至导致馈电开关防护系统频频出现故障，因此需采取更有针对性的保护措施进行处理，如可针对漏电时无过流及短路等方面因素进行分散式保护措施或零序电流保护措施两种类型的强效保护。

首先，在分散式保护措施中可对各类电容设备进行有针对性的分散保护，煤矿开采环境各类电缆和电线较多，甚至会直接对现有分析系统运行效率造成影响，因此可应用分散式的保护技术确保交流电能顺利通过电缆。此类分散保护技术的实施既保障了馈电开关保护系统的正常运转，也可将现有电缆和电线作为电容器进行电气系统的统一设计和规划。此外，通电的线路与交流电在功能方面相一致，因此当电阻达到相应数值后电流也会反向增大，如出现此类相对临界的问题使现有电阻始终无法有效运行，也会导致整个电气系统存在较大的安全风险，各类设备会出现脱落、跳闸等问题，因此可进行分散保护，确保分散保护系统能实施强有力的保护，弥补现有煤矿开采环境、电容设备以及电气系统的主要不足和隐患。

其次，零序电流保护措施往往是直接应用于低压馈电开关，是做好漏电防护的最主要类型之一。其保护原理在于对零序电流的漏电进行保护，而不是直接增加电气系统和电网中的三相电压负载量，所以在进行零序电流保护时可保障流动电流的通过率不是零，因此进行零序电流保护时相对于其他类型的保护措施更多、影响范围更大，彻底打破了以往分散保护措施的绝对因素和局限性。

不容忽视的是，应用领域对电流保护系统同样也存在一定的影响，例如当电气系统发生漏电问题时，现有保护技术能实现对于电气系统电流的立即切断，导致整个电气系统停电，但不会直接进行跳闸，此种运行模式的最大前提在于漏电情况发生于电气系统内部，但如果直接对整个电气系统进行中止和停电，则同样也会影响煤矿井下开采作业的持续运转，对煤矿开采工作效率和工作水平造成了一定影响和制约，此外如发生停电问题也会在地下环境的阴暗影响下造成更为严重的风险和事故。因此在应用零序电流保护措施时往往会与其他类型的保护技术进行同步应用，确保能有效规避其局限性和负面影响，真正实现对馈电开关防护系统的有效保护。

4 结语

馈电开关防护系统的规划与设计，对于煤矿井下电气系统的正常运转有重要的意义和价值。本文首先概述了馈电开关及防护系统；其次分析了煤矿井下电气系统馈电开关防护及漏电事故；最后从馈电开关防护系统的总体结构、硬件结构及软件控制、相关保护措施四个方面探讨了馈电开关防护系统的设计与规划，希望能进一步提高馈电保护系统的应用效率和水平。