豆騰飛

（陜西中能煤田有限公司 陜西省榆林市 719000）

隨著弧光保護(hù)裝置相關(guān)國家標(biāo)準(zhǔn)、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的確立，電力系統(tǒng)對中低壓開關(guān)柜加裝弧光保護(hù)裝置越來越重視，在地面供電系統(tǒng)中，中低壓母線及開關(guān)柜加裝弧光保護(hù)填補原有繼電保護(hù)空白點的應(yīng)用越來越多，但在煤礦井下由于供電方式、使用環(huán)境的不同，目前尚無適合井下高壓防爆開關(guān)使用的弧光保護(hù)裝置。

1 煤礦供電現(xiàn)狀及其對弧光保護(hù)的要求

煤礦供電系統(tǒng)是整個礦山的重要組成部分，為整個煤礦的安全生產(chǎn)提供基礎(chǔ)電力供應(yīng)，供電系統(tǒng)的安全可靠性是礦山安全穩(wěn)定生產(chǎn)的前提。

1.1 煤礦井下輻射狀供電方式

煤礦供電系統(tǒng)包括地面供電系統(tǒng)和井下供電系統(tǒng)兩個部分，地面變電所有分為總降變電站和廠區(qū)變電所兩個部分?？偨底冸娝?fù)責(zé)向整個煤礦提供電源，一般為110kV 或35kV 變電站，采用多條10kV/6kV 出線給廠區(qū)變電所和井下變電所供電；廠區(qū)變電所一般有主運輸變電所、壓風(fēng)機房變電所、風(fēng)井主扇變電所、辦公樓變電所等，進(jìn)線為10kV/6kV；井下供電系統(tǒng)一般采用多級輻射狀供電模式，分為中央變電所、采區(qū)變電所和移動變電站三個層級。煤礦井下高壓供電級數(shù)一般隨著煤炭采掘面的移動而增加，井下各級變電站之間采用電纜相連，煤礦供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1 所示。[1][2]

1.2 弧光保護(hù)原理

弧光保護(hù)通過監(jiān)測開關(guān)柜內(nèi)閃弧信息電流突變信息，對開關(guān)柜內(nèi)故障情況進(jìn)行判斷，能夠快速切除弧光故障，降低開關(guān)柜損傷程度，避免事故擴大和人身傷害。弧光保護(hù)一般采用光學(xué)元件實現(xiàn)光信號的采集，采用電流互感器采集本開關(guān)柜進(jìn)線電流，事故后通過切除進(jìn)線開關(guān)實現(xiàn)母線停電，從而防止事故擴大。[3][4]

在地面電力系統(tǒng)中，110kV 及以上的母線一般安裝有母線保護(hù)，而在35kV 及以下電壓等級的母線無快速保護(hù)，存在保護(hù)空白點，不利于消除故障隱患?；」獗Ｗo(hù)原理清晰，判據(jù)明確，動作速度快，相對于加裝特殊電流互感器的母線保護(hù)更為經(jīng)濟合算，是中低壓母線快速保護(hù)的解決良策。

1.3 井下供電對弧光保護(hù)的要求

地面電力系統(tǒng)變電站內(nèi)一般將相同電壓等級開關(guān)柜放置在一起，出線和進(jìn)線距離不遠(yuǎn)，弧光保護(hù)裝置采集出線開關(guān)的閃弧情況、進(jìn)線開關(guān)的電流信息，事故時切斷進(jìn)線開關(guān)斷路器，接線較為方便。但在煤礦井下相同電壓等級的開關(guān)可能分布在不同變電站，相互間距離較遠(yuǎn)，無法通過電纜實現(xiàn)斷路器跳閘信息的傳輸。[5]

由于井下瓦斯等易燃?xì)怏w的存在，井下所有開關(guān)類設(shè)備必須采用防爆外殼，防止設(shè)備損壞時產(chǎn)生爆炸，高壓開關(guān)柜亦是如此。防爆柜的采用導(dǎo)致開關(guān)屏蔽型更好，弧光信息更易采集，同時開關(guān)更為緊湊，內(nèi)部空間較小。但防爆開關(guān)各腔室的隔離更強，無法通過縫隙走線。[6]

井下繼電保護(hù)種類單一，不存在元件保護(hù)，也無明確母線概念，對于開關(guān)柜內(nèi)弧光故障動作時間較長，一旦發(fā)生開關(guān)柜閃弧，將產(chǎn)生嚴(yán)重后果，輕則燒毀開關(guān)，重則導(dǎo)致全礦失電。

綜上，井下防爆開關(guān)對弧光保護(hù)裝置的要求與地面不同，必須具備遠(yuǎn)程跳閘功能，有可能發(fā)生閃弧故障的防爆開關(guān)和需要跳閘切除故障的開關(guān)處于井下不同的變電站；同時井下弧光保護(hù)裝置需具備體積小，安裝方便，走線快捷的特點。[7][8]

2 遠(yuǎn)傳式弧光保護(hù)系統(tǒng)組成及工作原理

2.1 系統(tǒng)組成

為適應(yīng)煤礦井下防爆開關(guān)柜的運行及安裝環(huán)境，遠(yuǎn)傳式弧光保護(hù)裝置采用模塊化設(shè)計，分為主控模塊、出口模塊和顯示模塊三個部分，連接方式如圖2 所示。

主控模塊主要實現(xiàn)本開關(guān)弧光、電流及開關(guān)狀態(tài)信息的采集，通過DSP 的計算分析，判別開關(guān)內(nèi)是否發(fā)生弧光故障；出口模塊具備本地和光纖遠(yuǎn)方兩個控制接口，主要實現(xiàn)本開關(guān)分合閘的控制，本開關(guān)柜內(nèi)安裝的主控模塊可通過控制模塊實現(xiàn)本地控制，亦可通過光纖接收遠(yuǎn)方主控模塊的控制命令，對于出線連接多個開關(guān)柜的進(jìn)線開關(guān)，可通過光纖交換機實現(xiàn)多對一的控制；顯示模塊用于實現(xiàn)開關(guān)柜信息的本地顯示，直接與主控模塊相連，有遠(yuǎn)方控制時間發(fā)生時，雙方的顯示模塊均可查看控制記錄。

2.2 工作原理

弧光保護(hù)系統(tǒng)通過檢測開關(guān)柜內(nèi)部發(fā)生故障時產(chǎn)生的電弧光來判斷是否發(fā)生故障。弧光是電弧的最明顯且變化最快的特征物理量，用作電弧光保護(hù)作為判據(jù)，具有超高速的動作性能，整套保護(hù)的動作時間可保證在幾毫秒以內(nèi)。對開關(guān)柜內(nèi)部故障保護(hù)來說，這種超高速動作性能是最重要的。為了避免外界人造光源干擾可能引發(fā)系統(tǒng)的誤跳閘出口，弧光保護(hù)系統(tǒng)引入過流信息作為閉鎖信號，即只有同時檢測到弧光信號及過流信號才發(fā)出跳閘指令切除故障，從而進(jìn)一步提高保護(hù)系統(tǒng)動作的可靠性。

與地面弧光保護(hù)系統(tǒng)不同的時，煤礦井下供電系統(tǒng)沒有直接的供電母線，一般進(jìn)線采用電纜，串聯(lián)多個防爆開關(guān)柜，且防爆開關(guān)對外喇叭口數(shù)量有限，口內(nèi)進(jìn)出線均為板開關(guān)所用，因此井下弧光保護(hù)系統(tǒng)單裝置無需接入過多弧光傳感器，一般每臺裝置只采集本開關(guān)柜內(nèi)弧光信息，電流亦只采集本開關(guān)的進(jìn)線電流，而出口則采取雙出口的配置，即弧光保護(hù)裝置監(jiān)測到弧光故障時，在跳開本開關(guān)的同時亦通過光纖向遠(yuǎn)方的進(jìn)線開關(guān)出口模塊發(fā)送跳閘命令，切除進(jìn)線電源，防止事故擴大。

3 系統(tǒng)軟硬件設(shè)計

3.1 弧光傳感器

弧光傳感器是弧光保護(hù)裝置中關(guān)鍵元器件，主要負(fù)責(zé)將光信號轉(zhuǎn)換為電信號?；」夥烹姷墓庾V特性與放電電極的材料有關(guān)，一般電力開關(guān)采用的導(dǎo)體材料均為金屬銅，因此防爆開關(guān)柜內(nèi)的閃弧光譜特性較為固定，從300nm 的紫外光譜到700nm 的紅外光譜均有，為避免燈光等人造光源的干擾，弧光傳感器一般選擇紫外光檢測原理。

目前地面弧光保護(hù)系統(tǒng)中采用較多的弧光傳感器是純光學(xué)傳感器，采用光纖將傳感器與主裝置相連，但在煤礦井下防爆柜內(nèi)，無法實現(xiàn)光纖的穿墻傳輸，因此本系統(tǒng)的弧光傳感器采取就地光電轉(zhuǎn)換模式，在弧光傳感器上將光信號轉(zhuǎn)換為量化的電信號，直接輸出數(shù)字信號。

3.2 弧光保護(hù)主控模塊

弧光保護(hù)裝置主控模塊實現(xiàn)繼電保護(hù)裝置的主要功能，主要由數(shù)字信號處理器DSP 和現(xiàn)場可編程陣列FPGA 構(gòu)成，實現(xiàn)模擬量輸入的采集、開關(guān)量狀態(tài)的監(jiān)測、保護(hù)綜自信息的通信傳輸、現(xiàn)場數(shù)據(jù)的計算判斷、故障信息的記錄等功能?；」獗Ｗo(hù)主控模塊的內(nèi)部功能示意圖如圖3 所示。

3.3 出口模塊

出口模塊主要有現(xiàn)場可編程陣列FPGA 實現(xiàn)，即可與本地主控模塊接口接受本地主控的控制，也可通過光纖與遠(yuǎn)方的主控模塊接口接受遠(yuǎn)方控制，出口模塊的主要功能是實現(xiàn)開關(guān)柜的分合閘控制。出口模塊主要由FPGA 和繼電器組成，具備遠(yuǎn)方通信的光纖接口和本地通信接口，兩個接口之間的控制邏輯采用“與”邏輯，即本地和遠(yuǎn)方均可獨立實現(xiàn)繼電器出口。

3.4 顯示模塊

為方便弧光保護(hù)裝置的安裝，將礦用遠(yuǎn)傳式弧光保護(hù)的顯示部分從主裝置上獨立出來，顯示模塊主要實現(xiàn)現(xiàn)場數(shù)據(jù)的查看、保護(hù)定值的整定、事故信息的指示燈。由于弧光保護(hù)裝置安裝于防爆殼內(nèi)，操作時無法接觸到裝置本體，顯示模塊的操作通過特制紅外遙控器實現(xiàn)。顯示模塊主要由FPGA 和液晶顯示器組成，F(xiàn)PGA 實現(xiàn)與主控模塊的通信、紅外遙控器解碼功能。

3.5 系統(tǒng)配置

地面弧光保護(hù)裝置一般是按照母線來配置的，即每段母線配置一臺主控單元，實現(xiàn)整段母線上所有開關(guān)柜的監(jiān)測和保護(hù)，但在井下弧光保護(hù)的配置按照開關(guān)柜進(jìn)行，即每臺開關(guān)柜配置一臺主控裝置，每臺裝置配置至少兩個個弧光傳感器實現(xiàn)對防爆開關(guān)內(nèi)出線腔、開關(guān)下腔的閃弧監(jiān)測，電流互感器安裝于開關(guān)柜內(nèi)斷路器上側(cè)，用于檢測開關(guān)進(jìn)線電流。

3.6 設(shè)備安裝

弧光保護(hù)裝置在煤礦井下使用時，裝置所有模塊均安裝于開關(guān)柜的防爆殼體內(nèi)，其中弧光傳感器安裝于開關(guān)柜容易產(chǎn)生弧光的出線腔、開關(guān)室下腔內(nèi)，主控單元和顯示單元安裝于防爆柜下腔柜門上，顯示單元的顯示器正對柜門上的防爆玻璃觀察窗，出口模塊安裝于開關(guān)室內(nèi)，就近連接斷路器控制線圈。

4 系統(tǒng)應(yīng)用

榆林市榆陽中能袁大灘礦是神南中能公司的主力礦井之一，是按照“高起點、高標(biāo)準(zhǔn)、高效率、高效益”的建礦要求創(chuàng)建而成的“本安、智能、生態(tài)”的第四代礦井。地面35kV 變電站的10kV 出線用于下井供電，在所有10kV 母線安裝了弧光保護(hù)系統(tǒng)，實現(xiàn)了中低壓母線的快速保護(hù)；同時為解決煤礦井下防爆開關(guān)柜本體無快速保護(hù)的現(xiàn)狀，安裝使用了煤礦井下遠(yuǎn)傳式弧光保護(hù)系統(tǒng)，實現(xiàn)了井下所有高壓防爆開關(guān)網(wǎng)絡(luò)式的弧光保護(hù)，網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)和跳閘邏輯清晰，出線開關(guān)故障閃弧能夠快速實現(xiàn)進(jìn)線開關(guān)跳閘，切除故障點電源，防止設(shè)備事故擴大，便于快速恢復(fù)供電，提高井下用電的安全可靠性。

5 結(jié)語

地面電力系統(tǒng)的技術(shù)發(fā)展較快，而煤礦井下受運行環(huán)境和安全生產(chǎn)需求的影響，不能直接采用地面成熟的智能化設(shè)備。通過分體設(shè)計、網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程控制等多種方法設(shè)計的煤礦井下遠(yuǎn)傳式弧光保護(hù)系統(tǒng)，因地制宜的將地面供電設(shè)備引入到井下，提高了供電可靠性。