高啟業(yè)，李 軍

（榆林神華能源有限責(zé)任公司 青龍寺煤礦分公司，陜西 榆林719300）

國(guó)家發(fā)改委、國(guó)家能源局、應(yīng)急部、國(guó)家煤礦安監(jiān)局等8部委聯(lián)合發(fā)布的《關(guān)于加快煤礦智能化發(fā)展的指導(dǎo)意見》的通知提出“推進(jìn)固定崗位的無(wú)人值守和危險(xiǎn)崗位的機(jī)器人作業(yè)”；國(guó)家安全生產(chǎn)監(jiān)督管理總局［安監(jiān)總煤行（2016）64號(hào)］《關(guān)于減少井下作業(yè)人數(shù)提升煤礦安全保障能力的指導(dǎo)意見》的通知提出:“大力推進(jìn)機(jī)械化、自動(dòng)化、信息化、智能化，實(shí)施井下機(jī)電設(shè)備智能監(jiān)控、推廣應(yīng)用智能監(jiān)控技術(shù)，實(shí)現(xiàn)井下排水系統(tǒng)、變電所遠(yuǎn)程監(jiān)控和無(wú)人值守”。這2個(gè)通知為煤礦智能化建設(shè)提出了明確的方向，即通過(guò)對(duì)裝備進(jìn)行自動(dòng)化、信息化、智能化的提升和改造達(dá)到最終無(wú)人化的目的，然而，當(dāng)前煤礦供電智能化、無(wú)人化建設(shè)方面仍存在較多的安全隱患，因此，深挖煤礦供電智能化和無(wú)人值守建設(shè)的安全隱患，并采取全方位、可靠的防范措施，對(duì)提高煤礦供電安全水平和助力煤礦智能化高質(zhì)量發(fā)展具有重要意義[1-3]。

1 煤礦供電智能化及無(wú)人值守現(xiàn)狀

通過(guò)對(duì)全國(guó)100多家礦井的調(diào)研發(fā)現(xiàn)，國(guó)內(nèi)各大煤礦推進(jìn)“無(wú)人值守、減人提效”的熱情都很高，煤礦供電智能化及無(wú)人值守也取得了很大大進(jìn)步，并取得了一定的減人提效的效果，但是，一些關(guān)系到供電安全的“痛點(diǎn)”問(wèn)題仍未解決，主要體現(xiàn)在如下幾個(gè)方面：

1）供電越級(jí)跳閘問(wèn)題未能徹底解決，平均每個(gè)礦每年的越級(jí)跳閘事故還在6次以上，因越級(jí)跳閘引起的大范圍停電嚴(yán)重威脅著礦井生產(chǎn)及安全。

2）高壓?jiǎn)蜗嘟拥毓收线x線準(zhǔn)確率不高，保護(hù)誤跳閘或越級(jí)跳閘問(wèn)題依然嚴(yán)重，由此而引起的停電范圍擴(kuò)大、電纜或設(shè)備絕緣被擊穿等問(wèn)題已經(jīng)成為了煤礦供電的“痛點(diǎn)”問(wèn)題。

3）防爆開關(guān)動(dòng)作不靈敏，跳閘不及時(shí)或跳不開時(shí)有發(fā)生，加之缺乏“開關(guān)拒跳”預(yù)警手段，一旦發(fā)生短路事故，極易引起越級(jí)跳閘擴(kuò)大停電范圍，嚴(yán)重時(shí)可能導(dǎo)致風(fēng)機(jī)、水泵等一類負(fù)荷停運(yùn)，給礦井帶來(lái)巨大的安全隱患。

4）低壓開關(guān)漏電誤跳或越級(jí)到移變跳閘幾乎成常態(tài)，由此引起的工人觸電、局扇停風(fēng)等事故也時(shí)有發(fā)生，給礦井的安全埋下了巨大的安全隱患。

5）規(guī)程要求變電所低壓漏電保護(hù)功能每天做試驗(yàn)，然而，試驗(yàn)情況卻不容樂(lè)觀，“漏試”、“不試”、“假試”現(xiàn)象比比皆是，這無(wú)疑又為礦井安全埋下了一顆“定時(shí)炸彈”。

以上問(wèn)題只是煤礦供電智能化和無(wú)人值守建設(shè)中的幾個(gè)突出問(wèn)題，這些問(wèn)題已經(jīng)已經(jīng)成為了煤礦智能化和無(wú)人值守建設(shè)的“瓶頸”問(wèn)題，亟待解決。

2“六位一體”煤礦智能供電無(wú)人值守解決方案

針對(duì)以上問(wèn)題，提出了“六位一體”供電智能化和無(wú)人值守建設(shè)解決方案，“六位”即從6個(gè)維度保證供電的安全，包括全方位防越級(jí)跳閘、高壓?jiǎn)蜗嘟拥毓收暇_選線（100%）、低壓漏電故障精確選漏（100%）、漏電試驗(yàn)自動(dòng)化、供電遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)安全、遠(yuǎn)程控制安全；“一體”即方案將多種功能一體化，提高供電可靠性，包括網(wǎng)絡(luò)一體、智能保護(hù)一體、備電一體、云地一體。

2.1 全方位防越級(jí)跳閘

供電越級(jí)跳閘事故輕則越過(guò)1級(jí)導(dǎo)致1個(gè)采區(qū)停電，重則越過(guò)多級(jí)直至地面變電所，導(dǎo)致整個(gè)井下供電系統(tǒng)癱瘓，嚴(yán)重威脅生產(chǎn)安全。引起越級(jí)跳閘的原因有多種，比如短路越級(jí)、開關(guān)拒跳越級(jí)、電壓波動(dòng)越級(jí)、定值不匹配越級(jí)等，然而目前國(guó)內(nèi)的防越級(jí)方法（如GOOSE信號(hào)閉鎖防越級(jí)、差動(dòng)保護(hù)防越級(jí)、集中判別式防越級(jí)）應(yīng)用多年始終無(wú)法杜絕越級(jí)跳閘事故的發(fā)生，主要是因?yàn)檫@些方法存在防越級(jí)“死區(qū)”，無(wú)法全方位防止越級(jí)跳閘，為此，提出一種“分布式網(wǎng)絡(luò)保護(hù)防越級(jí)技術(shù)”，經(jīng)過(guò)多年的應(yīng)用證明，該技術(shù)可以徹底解決煤礦供電越級(jí)跳閘問(wèn)題，為此，該技術(shù)入選了國(guó)家煤監(jiān)局發(fā)布的“2019年煤礦安全生產(chǎn)先進(jìn)適用技術(shù)裝備推廣目錄“，分布式網(wǎng)絡(luò)保護(hù)防越級(jí)跳閘技術(shù)原理圖如圖1。

圖1 分布式網(wǎng)絡(luò)保護(hù)防越級(jí)跳閘技術(shù)原理圖Fig.1 Principle diagram of distributed network protection against override trip

由圖1可以看出，防爆開關(guān)的智能微機(jī)保護(hù)裝置（以下簡(jiǎn)稱保護(hù)裝置）通過(guò)礦井光纖環(huán)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)信息共享，打破了傳統(tǒng)的“保護(hù)裝置孤島運(yùn)行“模式，保護(hù)裝置之間互聯(lián)互通、實(shí)時(shí)共享信息，可以不依賴分站自動(dòng)構(gòu)建防越級(jí)區(qū)域保護(hù)[4]，其工作原理如下：

1）保護(hù)裝置之間通過(guò)光纖環(huán)網(wǎng)共享位置信息，自動(dòng)識(shí)別供電上下級(jí)關(guān)系，構(gòu)建防越級(jí)區(qū)域保護(hù)。

2）保護(hù)裝置之間通過(guò)光纖環(huán)網(wǎng)共享實(shí)時(shí)電流信息，當(dāng)電流值超過(guò)保護(hù)定值時(shí)由區(qū)域保護(hù)的最下級(jí)自動(dòng)跳閘，區(qū)域保護(hù)的其他開關(guān)不跳閘，有效防止由短路事故引起的越級(jí)跳閘事故。

3）保護(hù)裝置之間通過(guò)光纖環(huán)網(wǎng)共享保護(hù)定值信息，上下級(jí)保護(hù)定值不匹配自動(dòng)報(bào)警，有效防止因定值不匹配引起的越級(jí)跳閘事故的發(fā)生。

4）保護(hù)裝置之間通過(guò)光纖環(huán)網(wǎng)共享開關(guān)分閘時(shí)機(jī)構(gòu)行程時(shí)間，提前發(fā)現(xiàn)開關(guān)拒跳隱患并預(yù)警，有效防止故障發(fā)生時(shí)由于開關(guān)拒跳導(dǎo)致的越級(jí)跳閘事故發(fā)生。

5）保護(hù)裝置之間通過(guò)光纖環(huán)網(wǎng)共享實(shí)時(shí)電壓信息，通過(guò)上下級(jí)電壓信號(hào)綜合比對(duì)識(shí)別電壓短時(shí)波動(dòng)故障，閉鎖開關(guān)欠壓脫扣器不動(dòng)作，有效防止由于電壓波動(dòng)引起的開關(guān)群跳、越級(jí)跳閘事故。

2.2 高壓?jiǎn)蜗嘟拥毓收暇_選線（100%）

煤礦供電系統(tǒng)中性點(diǎn)普遍采用不接地或經(jīng)消弧線圈接地方式，傳統(tǒng)的漏電選線方法很難保證選線準(zhǔn)確性。提出一種新的接地故障精確選線方法，通過(guò)原理分析和實(shí)際應(yīng)用證明，該方法選線準(zhǔn)確率可達(dá)100%，接地故障精確選線原理圖如圖2。

圖2 接地故障精確選線原理圖Fig.2 Principle diagram of accurate line selection for grounding fault

該原理采用“注入信號(hào)+防越級(jí)定位”技術(shù)，發(fā)生接地故障時(shí)，可有效避免消弧線圈、變頻器等的影響，變“被動(dòng)選線”（以容性電流判據(jù)）為“主動(dòng)選線”（以注入信號(hào)為判據(jù)），其精確選線分為3個(gè)步驟：

1）發(fā)生單相接地故障后，系統(tǒng)零序電壓變大，觸發(fā)異頻信號(hào)源短時(shí)投入，向供電回路中注入1個(gè)特殊頻率的信號(hào)。

2）注入的信號(hào)從“供電回路－接地點(diǎn)－大地”流回信號(hào)源，從而構(gòu)成唯一的信號(hào)回路。

3）開關(guān)內(nèi)安裝的選線裝置對(duì)注入的信號(hào)敏感，檢測(cè)到注入的信號(hào)以后，保護(hù)裝置之間通過(guò)環(huán)網(wǎng)共享實(shí)時(shí)信息，根據(jù)共享的信息，103#、105#、107#開關(guān)自動(dòng)組成區(qū)域選線網(wǎng)絡(luò)，103#、105#、107#開關(guān)根據(jù)各自的上下級(jí)級(jí)聯(lián)關(guān)系，確定107#開關(guān)離故障點(diǎn)最近，由107#開關(guān)跳閘切除接地線路，完成精確選線。

2.3 低壓漏電故障精確選漏（100%）

根據(jù)調(diào)研發(fā)現(xiàn)，低壓漏電故障引起的誤跳閘、越級(jí)跳閘問(wèn)題十分普遍，給生產(chǎn)安全帶來(lái)嚴(yán)重隱患，因此，提出一種低壓漏電精確選漏方法，該方法創(chuàng)新性的研發(fā)了“區(qū)域信息共享、相對(duì)判據(jù)選線”技術(shù)，經(jīng)過(guò)實(shí)際應(yīng)用證明，該方法選漏準(zhǔn)確率可達(dá)100%，低壓漏電精確選漏原理圖如圖3。

圖3 低壓漏電精確選漏原理圖Fig.3 Schematic diagram of precise leakage selection for low voltage leakage

該原理采用“信息共享、綜合對(duì)比、一致性相對(duì)判別”技術(shù)實(shí)現(xiàn)精確選漏，可有效避免變頻器、供電回路變化等給選漏帶來(lái)的影響，精確選漏分為以下3個(gè)步驟：

1）201#總開關(guān)和202#～205#分開關(guān)，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)組成信息共享網(wǎng)絡(luò)。

2）當(dāng)?shù)蛪合到y(tǒng)發(fā)生漏電時(shí)，201#總開關(guān)通過(guò)附加直流的方法快速檢測(cè)出系統(tǒng)漏電故障，同時(shí)，201#開關(guān)將漏電故障信息通過(guò)網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到202#～205#開關(guān)，此時(shí)，202#～205#開關(guān)之間實(shí)時(shí)共享信息（信息內(nèi)容包括：零序電壓、零序電流以及相位）。

3）202#～205#開關(guān)根據(jù)自身采集的信息與其他開關(guān)共享的信息進(jìn)行綜合判別，綜合對(duì)比各開關(guān)零序電壓與零序電流的相位角以及幅值，確定相位角和幅值的一致性范圍，當(dāng)某開關(guān)的相位角所和幅值偏離一致性范圍時(shí)，則判定該開關(guān)回路漏電并跳閘。

2.4 漏電試驗(yàn)自動(dòng)化及遠(yuǎn)程一鍵聯(lián)動(dòng)試驗(yàn)

《煤礦安全規(guī)程》第453條要求：“每天必須對(duì)低壓漏電保護(hù)進(jìn)行1次跳閘試驗(yàn)”，因此，在供電智能化建設(shè)中保證低壓漏電保護(hù)的有效性和漏電試驗(yàn)的全面性尤為重要。調(diào)研發(fā)現(xiàn)，雖然各煤礦每天安排工人現(xiàn)場(chǎng)做漏電試驗(yàn)，然而漏電試驗(yàn)的全面性、有效性卻很難保證，工人做漏電試驗(yàn)時(shí)“漏試”、“不試”、“假試”現(xiàn)象非常嚴(yán)重，電網(wǎng)發(fā)生漏電事故時(shí)，一旦漏電保護(hù)失效，不僅會(huì)有人體觸電風(fēng)險(xiǎn)，甚至可能引起瓦斯、煤塵爆炸。為此，提出一種“漏電保護(hù)遠(yuǎn)程一鍵聯(lián)動(dòng)試驗(yàn)”方法，該方法可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程一鍵試驗(yàn)、自動(dòng)記錄試驗(yàn)結(jié)果、自動(dòng)生成試驗(yàn)報(bào)告，試驗(yàn)過(guò)程中自動(dòng)判別漏電保護(hù)、漏電閉鎖保護(hù)的有效性，同時(shí)自動(dòng)判斷開關(guān)機(jī)構(gòu)動(dòng)作的靈敏性，通過(guò)該方法不但可以達(dá)到減人提效的目的，更重要的是徹底消除了由漏電保護(hù)失效帶來(lái)的安全隱患，使煤礦供電智能化及無(wú)人值守建設(shè)又加了一道“保險(xiǎn)”[5-7]。

2.5 遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的安全

監(jiān)控系統(tǒng)的安全和可靠直接關(guān)系到供電無(wú)人值守的安全和可靠，例如：國(guó)家電監(jiān)會(huì)［2012］12號(hào)文件通報(bào)指出“Windows操作系統(tǒng)的脆弱性和局部安全事件擴(kuò)散可能造成整個(gè)監(jiān)控系統(tǒng)癱瘓”，國(guó)家電網(wǎng)公司調(diào)繼［2017］119號(hào)文件指出：“根據(jù)公司故障錄波器及保信子站運(yùn)行情況統(tǒng)計(jì)，使用Windows操作系統(tǒng)的設(shè)備容易再運(yùn)行中感染病毒”。調(diào)研也發(fā)現(xiàn)，目前各煤礦的供電監(jiān)控系統(tǒng)基本上都是采用的Windows操作系統(tǒng)，監(jiān)控系統(tǒng)運(yùn)行慢、中病毒甚至死機(jī)等問(wèn)題頻發(fā),導(dǎo)致煤礦的供電監(jiān)控系統(tǒng)安全性和可靠性得不到保證，嚴(yán)重制約了煤礦供電智能化建設(shè)的步伐，根據(jù)多年來(lái)研究和應(yīng)用煤礦供電監(jiān)控系統(tǒng)的經(jīng)驗(yàn)證明，采用基于Linux操作系統(tǒng)的供電監(jiān)控軟件平臺(tái)，可有效防止病毒入侵，系統(tǒng)安全性和可靠性明顯提高，系統(tǒng)年可用率可達(dá)99.99%，系統(tǒng)平均故障間隔時(shí)間（MTBF）不小于20 000 h，因此，建議在煤礦供電智能化建設(shè)過(guò)程中，首選基于Linux操作系統(tǒng)的監(jiān)控軟件平臺(tái)，這也是煤礦供電智能化及無(wú)人值守建設(shè)的安全保證[8-11]。

3 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)對(duì)多年煤礦供電無(wú)人值守監(jiān)控經(jīng)驗(yàn)的分析，同時(shí)根據(jù)對(duì)國(guó)內(nèi)超過(guò)100多家煤礦的調(diào)研，總結(jié)了目前煤礦供電智能化及無(wú)人值守建設(shè)存在的主要問(wèn)題，分析了這些問(wèn)題給煤礦安全帶來(lái)的安全隱患，同時(shí)提出了針對(duì)性的“六位一體”解決方案，采用該方案可實(shí)現(xiàn)全方位防越級(jí)跳閘（包括短路防越級(jí)、開關(guān)拒動(dòng)防越級(jí)、電壓波動(dòng)防越級(jí)以及定值不匹配防越級(jí)等）、接地故障精確選線（準(zhǔn)確率100%）、低壓漏電精確選漏（準(zhǔn)確率100%）、漏電遠(yuǎn)程一鍵試驗(yàn)以及全面的遠(yuǎn)程控制等功能，為煤礦供電智能化及無(wú)人值守建設(shè)提供了更加全面的參考。