劉 杰

（西山煤電集團(tuán)有限責(zé)任公司遼源礦，山西 太原 030000）

隨著采煤工作面不斷向縱向延伸，從地面變電所到井下中央變電所、各采區(qū)變電所之間所采用的縱向、輻射式的供電網(wǎng)絡(luò)變得越來(lái)越復(fù)雜。這樣的供電網(wǎng)絡(luò)模式造成井下線路較短，當(dāng)發(fā)生故障時(shí)線路首、末兩端的故障電流從幅值上很難區(qū)分，甚至多數(shù)情況下各段電纜首端的最小兩相短路電流值小于其末端的最大三相短路電流，原先所采用的常規(guī)保護(hù)的范圍很小甚至為零，使得三段式保護(hù)失去作用，供電系統(tǒng)跳閘頻發(fā)，嚴(yán)重影響礦井生產(chǎn)安全[1]。本文基于縱聯(lián)差動(dòng)保護(hù)原理對(duì)礦井供電系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，有效解決了越級(jí)跳閘頻發(fā)等問(wèn)題。

1 數(shù)字光纖電流縱聯(lián)差動(dòng)技術(shù)

1.1 供電系統(tǒng)的架構(gòu)

遼源礦地面建設(shè)一座35 kV 變電站，站內(nèi)設(shè)計(jì)容量為10 000 kVA 的變壓器2 臺(tái)，系統(tǒng)采用分段單母線接線方式。原有的供電系統(tǒng)配電級(jí)數(shù)多，供電距離較短，抗阻小，使得供電系統(tǒng)各點(diǎn)的短路電流相差很小，對(duì)于電氣設(shè)備的保護(hù)及電氣設(shè)備可靠性保障難以實(shí)現(xiàn)。

在礦井供電系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，供電設(shè)備由于距離較近，一旦線路出現(xiàn)短路問(wèn)題時(shí)，整個(gè)系統(tǒng)會(huì)出現(xiàn)跳閘停電現(xiàn)象，因此防越級(jí)跳閘保護(hù)對(duì)于供電系統(tǒng)安全十分重要。本文在對(duì)比分析電氣閉鎖防越級(jí)跳閘技術(shù)、分站集中控制防越級(jí)跳閘技術(shù)、數(shù)字變電站防越級(jí)跳閘技術(shù)、數(shù)字式光纖電流縱聯(lián)差動(dòng)等技術(shù)后發(fā)現(xiàn)數(shù)字式光纖電流縱聯(lián)差動(dòng)防越級(jí)跳閘技術(shù)可以很好地避開(kāi)系統(tǒng)干擾，提升傳輸效率[2]。

1.2 系統(tǒng)的工作原理

縱聯(lián)差動(dòng)保護(hù)原理，是由變壓器的一次和二次電流數(shù)值和相位進(jìn)行對(duì)比而構(gòu)成的保護(hù)裝置。縱聯(lián)差動(dòng)保護(hù)裝置由變壓器兩側(cè)的電流互感器和繼電器等組成，電流互感器串聯(lián)形成閉合環(huán)路，電流繼電器并接在環(huán)路上，通過(guò)對(duì)電流繼電器的兩次電流進(jìn)行比較從而判斷線路是否發(fā)生故障。當(dāng)保護(hù)范圍內(nèi)發(fā)生故障時(shí)，兩側(cè)電流互感器的二次電流大小不相等，相位不相同，流經(jīng)繼電器的差電流不再為零，此時(shí)繼電器會(huì)做出相應(yīng)動(dòng)作，斷路器跳閘，達(dá)到保護(hù)作用。

數(shù)字式光纖電流縱聯(lián)差動(dòng)保護(hù)技術(shù)是對(duì)井下的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集并傳輸至地表的主機(jī)，通過(guò)上位機(jī)邏輯語(yǔ)言進(jìn)行判斷和識(shí)別，根據(jù)識(shí)別邏輯計(jì)算后得出的命令進(jìn)行保護(hù)指令的下發(fā)，從而實(shí)現(xiàn)斷路器的控制[3]。系統(tǒng)的故障簡(jiǎn)圖如圖1。

圖1 系統(tǒng)故障簡(jiǎn)圖

由圖1 可以看出，D1和D2分別為系統(tǒng)內(nèi)部和外部故障的節(jié)點(diǎn)，在圖1（a）正常運(yùn)行狀態(tài)和圖1（c）外部故障發(fā)生時(shí)，配套的保護(hù)裝置不發(fā)生作用；當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)圖1（b）內(nèi)部故障時(shí)，系統(tǒng)會(huì)立刻發(fā)出保護(hù)指令，做出相應(yīng)的保護(hù)動(dòng)作。

2 防越級(jí)跳閘保護(hù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

當(dāng)電路某處短路時(shí)，短路點(diǎn)上級(jí)開(kāi)關(guān)都通過(guò)短路電流，而下級(jí)開(kāi)關(guān)不通過(guò)短路電流。此時(shí)下級(jí)開(kāi)關(guān)保護(hù)器電流采集模塊檢測(cè)不到短路電流，則不發(fā)出短路信號(hào)和閉鎖信號(hào)；而短路處上級(jí)采集模塊檢測(cè)到短路電流，發(fā)出短路閉鎖信號(hào)；短路閉鎖信號(hào)接入上級(jí)綜合保護(hù)裝置的速斷閉鎖輸入端，使之不能迅速跳閘，形成防越級(jí)跳閘保護(hù)。

2.1 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

基于數(shù)字式光纖電流縱聯(lián)差動(dòng)保護(hù)技術(shù)對(duì)煤礦供電系統(tǒng)防越級(jí)跳閘保護(hù)進(jìn)行設(shè)計(jì)，首先選定32位S3C2440AL-40 的ARM9 芯片為保護(hù)系統(tǒng)的核心硬件，系統(tǒng)的功能模塊劃分為數(shù)據(jù)采集、電源模塊、通訊模塊等。防越級(jí)跳閘保護(hù)系統(tǒng)的核心為S3C2440AL-40 芯片，芯片首先對(duì)數(shù)據(jù)采集裝置采集到的電壓值和電流值進(jìn)行邏輯分析，分析后給出相應(yīng)的指令，指令通過(guò)通訊模塊傳輸至開(kāi)入開(kāi)出模塊，從而實(shí)現(xiàn)防越級(jí)保護(hù)。同時(shí)，S3C2440AL-40與礦井監(jiān)控模塊通過(guò)以太網(wǎng)進(jìn)行連接，對(duì)礦井電力系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)控。

對(duì)系統(tǒng)的控制核心S3C2440AL-40 進(jìn)行布置，采用總線構(gòu)架，布置兩片32 MB 的K4S561632N 芯片用于滿足系統(tǒng)的內(nèi)存需要，同時(shí)外擴(kuò)FLASH 電路，避免檢查數(shù)據(jù)的丟失及運(yùn)行功率參數(shù)較低的情況。系統(tǒng)運(yùn)行采用直流整流方案，基本電壓為12 V、5 V、3.3 V，選定AMS1117 實(shí)現(xiàn)電壓的變化目標(biāo)。

對(duì)數(shù)據(jù)采集模塊進(jìn)行設(shè)計(jì)，為了得到準(zhǔn)確的電氣運(yùn)行數(shù)據(jù)，調(diào)節(jié)系統(tǒng)的運(yùn)行效果。在設(shè)計(jì)后，由于礦井采用模擬量指標(biāo)來(lái)源于保護(hù)線路配套的TA，所以構(gòu)成的模擬量信號(hào)重點(diǎn)為這兩側(cè)電流，通過(guò)采集電氣數(shù)據(jù)，得到相應(yīng)的矢量差，從而調(diào)節(jié)系統(tǒng)運(yùn)行。A/D 轉(zhuǎn)化是將采集的信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)化，從而形成CPU 可識(shí)別的信號(hào)。由于本文S3C2440AL-40 芯片的選擇，所以A/D 轉(zhuǎn)化較為簡(jiǎn)單，多使用ADC 控制寄存器，具體參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 寄存器功能參數(shù)表

對(duì)通訊模塊進(jìn)行設(shè)計(jì)，通訊模塊有以太網(wǎng)和光纖通訊兩部分。其中光纖通訊是穩(wěn)定系統(tǒng)運(yùn)行的關(guān)鍵，CPU S3C2440AL-40 需要按照幀結(jié)構(gòu)進(jìn)行組幀，然后對(duì)信息進(jìn)行編碼，將編碼完成信息經(jīng)過(guò)處理后傳輸至光纖通訊模塊，光纖模塊選定AFBR-5803ATZ。以太網(wǎng)布置中芯片通過(guò)變壓器與端口進(jìn)行部分連接，在變壓器中采用電平耦合進(jìn)行強(qiáng)化信號(hào)，用于增大傳輸?shù)木嚯x。開(kāi)入開(kāi)出模塊設(shè)計(jì)中，共布置9 路開(kāi)入量，其中包含斷路器分位、斷路器合位等，模塊芯片對(duì)繼電器的工作進(jìn)行分步管理，當(dāng)繼電器出現(xiàn)故障時(shí)能夠?qū)ν膺M(jìn)行報(bào)警信號(hào)的輸出。人機(jī)交互界面是整個(gè)系統(tǒng)對(duì)外顯示的核心，進(jìn)行人機(jī)交互界面設(shè)計(jì)時(shí)需要重點(diǎn)對(duì)LPC1758 處理器、指示燈、顯示屏等進(jìn)行選型，通過(guò)顯示器對(duì)電網(wǎng)的工作模式、故障、操作、運(yùn)行參數(shù)等進(jìn)行顯示，保護(hù)裝置的參數(shù)也能夠通過(guò)顯示器進(jìn)行顯示，同時(shí)能夠抵抗礦井生產(chǎn)較為復(fù)雜的環(huán)境。本文選定大采公司生產(chǎn)的LCD 顯示器[3]。

2.2 軟件設(shè)計(jì)

對(duì)系統(tǒng)的保護(hù)程序進(jìn)行設(shè)計(jì)，其程序運(yùn)行步驟如圖2。

圖2 故障處理流程示意圖

如圖2 所示，系統(tǒng)開(kāi)始運(yùn)行后首先進(jìn)行初始化，完成初始化后進(jìn)行自我檢測(cè)。檢測(cè)未通過(guò)直接報(bào)警，檢測(cè)通過(guò)后確定是否對(duì)設(shè)定值進(jìn)行修改。需要修改則進(jìn)行修改，無(wú)需修改時(shí)開(kāi)啟中斷保護(hù)裝置，通過(guò)LCD 顯示器對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行進(jìn)行顯示和數(shù)據(jù)的采集。當(dāng)采集到故障信息后，系統(tǒng)立即進(jìn)行故障處理，故障處理后繼續(xù)重復(fù)類似過(guò)程，完成系統(tǒng)的保護(hù)。

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的程序開(kāi)始運(yùn)行后首先進(jìn)行A/D值的轉(zhuǎn)換，檢測(cè)數(shù)據(jù)讀取是否完成，未完成繼續(xù)讀取，完成后向?qū)?cè)進(jìn)行信號(hào)傳輸，檢測(cè)采樣是否同步，未同步重新修正，通過(guò)則發(fā)送至ARM9，完成數(shù)據(jù)采集[4]。

3 應(yīng)用分析

為了驗(yàn)證數(shù)字式光纖電流縱聯(lián)差動(dòng)保護(hù)技術(shù)的效果，進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采用KYN28A-12金屬封閉式開(kāi)關(guān)柜，系統(tǒng)布置5 個(gè)開(kāi)關(guān)，分別為K1～K5。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖3。

圖3 檢測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

優(yōu)化前后項(xiàng)目跳閘情況見(jiàn)表2。

表2 優(yōu)化前后項(xiàng)目跳閘情況表

根據(jù)檢測(cè)結(jié)果可以看出，采用數(shù)字式光纖電流縱聯(lián)差動(dòng)保護(hù)技術(shù)后，供電系統(tǒng)未發(fā)生越級(jí)跳閘現(xiàn)象，同時(shí)各方面指標(biāo)均能滿足設(shè)計(jì)預(yù)期，整個(gè)系統(tǒng)的保護(hù)能夠井然有序的進(jìn)行[5]。

4 結(jié)論

遼源礦針對(duì)原礦井供電系統(tǒng)存在的越級(jí)跳閘的現(xiàn)象，基于數(shù)字式光纖電流縱聯(lián)差動(dòng)保護(hù)原理設(shè)計(jì)了防越級(jí)跳閘保護(hù)系統(tǒng)，對(duì)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集、電源模塊、通訊模塊等功能進(jìn)行介紹，給出了故障處理及數(shù)據(jù)采集程序的工作原理。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用發(fā)現(xiàn)，優(yōu)化后的供電系統(tǒng)無(wú)越級(jí)跳閘事故產(chǎn)生，保證了礦井供電系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。