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摘要:煤礦供電系統(tǒng)線路長、運行方式多變,在整定過流速斷保護時無法滿足選擇性要求,容易出現(xiàn)越級跳閘造成停電范圍擴大。為了避免越級跳閘,研究了一種先進的微機集成光纖保護系統(tǒng),該系統(tǒng)由智能光纖保護裝置PA61和智能光纖控制服務器SU20組網(wǎng)構成。在分析煤礦供電網(wǎng)絡及其越級跳閘現(xiàn)象的基礎上,介紹了PA61和SU20的硬件設計方案。
關鍵詞:越級跳閘;煤礦;供電系統(tǒng)
引言
在煤礦供電網(wǎng)絡中,饋電開關可能由于某些情況誤動作跳開,分饋電開關動作跳開可能造成某工作面范圍所有用電設備停用,影響煤炭生產(chǎn),如果出現(xiàn)越級跳閘將導致停電范圍擴大,引發(fā)電氣設備損壞甚至人員傷亡事故。煤礦井下防越級跳閘技術一直是國內外技術人員研究的熱點,最初我國有部分煤礦采用電信號邏輯閉鎖方式和分站集中控制方式,這兩種方式分別存在實用性差以及控制主機要求高等問題。隨著相關技術的發(fā)展,有專家提出一種基于縱聯(lián)差動保護原理的防越級跳閘方案,目前光纖縱差保護是地面電網(wǎng)應用廣泛的線路保護技術,但其應用于礦井供電網(wǎng)絡時存在保護區(qū)域單一、成本高的問題。本文針對防越級跳閘技術中的通信問題,設計了一種專用的通信控制器,實現(xiàn)了基于廣域測量技術的現(xiàn)場智能設備越級跳閘的速斷保護。
1煤礦供電網(wǎng)絡及越級跳閘分析
1.1煤礦供電網(wǎng)絡
某煤礦井下供電網(wǎng)絡接線圖如圖1(a)所示,礦井供電系統(tǒng)采用10kV電壓等級,中性點不接地方式運行,地面35kV變電站的101母線和102母線分別引出,經(jīng)高壓電纜穿過井筒作為井下中央變電所進線電源,井下中央變電所也是分段結構,分別向2個采區(qū)變電所供電,然后出線至工作面負荷。按照不同等級變電所簡化網(wǎng)絡,可以得到簡化示意圖如圖1(b)所示。正常情況下每個分段線路都配置有速斷保護,即在本線路范圍內如果發(fā)生短路故障,則希望離短路點最近的開關保護動作跳閘,例如K2點或K3點短路時希望201跳閘,K4點短路時希望301跳閘,實際情況K3點和K4點短路的短路電流對于201保護裝置來說是無法區(qū)分的,因此K4點短路故障發(fā)生時就會出現(xiàn)跳201而非跳301的越級跳閘現(xiàn)象。
1.2越級跳閘的原因
煤礦供電環(huán)境相比地面惡劣,空氣潮濕,地質情況多變,因此供電電纜容易發(fā)生絕緣損壞造成短路,當短路點接近開關兩側時就會發(fā)生越級跳閘??傮w而言,越級跳閘的原因是由電網(wǎng)的特性和結構決定的,短路電流越大、供電線路越長,在保護方案不完善的情況下越容易發(fā)生越級跳閘,井下電網(wǎng)的運行方式千差萬別,為了滿足靈敏度要求,保護整定值會比正常線路選取更低,速斷保護無法體現(xiàn)選擇性時就出現(xiàn)了越級跳閘。
2防越級跳閘系統(tǒng)總體設計
煤礦智能變電站的結構分為三層:上層為設備控制、數(shù)據(jù)通信和人機交互的站控層;中間層為現(xiàn)場設備連接和數(shù)據(jù)監(jiān)控的間隔層;底層為與一次設備連接、數(shù)據(jù)采集和保護的過程層。本系統(tǒng)設計了智能光纖保護裝置和智能光纖保護服務器,智能保護裝置采用分布式安裝在井下各供電支路,實時采集數(shù)據(jù)并發(fā)送給合并單元,進而通過光纖網(wǎng)絡發(fā)送給上一級智能保護裝置,光纖服務器的作用是對光纖信號進行接收、匯總和上傳。
2.1智能光纖保護裝置
PA61智能光纖保護裝置PA61采用了三核心硬件架構:LED信號燈、LCD顯示屏和鍵盤等顯示控制模塊采用ARM控制器;PT、CT采集的電流電壓數(shù)據(jù)信號、數(shù)字量輸出模塊、RS485通信模塊采用DSP控制器;數(shù)字量輸入模塊和光纖傳輸模塊采用FPGA控制器。防越級跳閘保護裝置PA61總體設計原理如圖2所示。
2.2智能光纖服務器
SU20智能光纖服務器SU20的核心控制器為FPGA,每個控制器具有7路端口,通過74LV4245芯片與光纖收發(fā)器連接。前6路端口的設計邏輯相同,每路端口發(fā)送和接收的數(shù)據(jù)信息為除本路信息以外的其他6路信息。第7路端口TX7發(fā)送和接收的數(shù)據(jù)信息為所有7路信息的總和。這種設計的好處是適合運行方式多變的煤礦供電系統(tǒng),當運行方式發(fā)生變化時,只需要根據(jù)相應的運行方式改變光纖連接即可。圖3為智能光纖服務器硬件設計原理圖。
3礦井變電所設備組網(wǎng)保護
3.1組網(wǎng)方案
整套防越級保護系統(tǒng)由智能光纖保護裝置PA61和智能光纖服務器SU20組成光纖信號閉鎖系統(tǒng),應用時需要按照上下級系統(tǒng)或多級系統(tǒng)的要求進行組網(wǎng)。如果是上下級系統(tǒng),只需在饋線開關和進線開關處分別裝設一臺PA61,由下級線路保護向上級線路保護發(fā)送光纖閉鎖信號,實現(xiàn)防越級跳閘功能,上下級防越級跳閘組網(wǎng)方案如圖4所示。如果是多進線、多分段的供電方式可變的多級系統(tǒng),需要在所有饋線開關配置PA61,在所有進線開關、母線和分段開關配置SU20,形成多點集中、閉鎖信號統(tǒng)一發(fā)送的防越級跳閘組網(wǎng)方式,如圖5所示。
3.2不同供電系統(tǒng)組網(wǎng)案例
井下各變電所組網(wǎng)情況根據(jù)各自接線方式的不同分別設計,主要有煤機頭變電所、煤盤區(qū)變電所和機頭變電所。
3.2.1煤機頭變電所組網(wǎng)方案圖6為煤機頭變電所組網(wǎng)方案。如圖6所示,1#進線柜內,PA61的光口接收來自SU20(1)的閉鎖信號;15#進線柜內,PA61的光口接收來自SU20(2)的閉鎖信號;9#分段柜內,PA61有兩對接收和發(fā)送光口,分別對應SU20(1)和SU20(2)的發(fā)送光口;Ⅰ段母線的2號柜、4號柜、5號柜、6號柜、7號柜、8號柜,Ⅱ段母線的11號柜、13號柜、14號柜內PA61向上級饋電線路發(fā)送閉鎖信號;除此以外,5#柜、13#柜內PA61裝置還要分別接收下級線路的光纖閉鎖信號。
3.2.2煤盤區(qū)變電所組網(wǎng)方案圖7為煤盤區(qū)變電所組網(wǎng)方案。圖7中,煤盤區(qū)變電所共有兩條進線1#柜、20#柜,一個分段11#柜,17條饋線,其中14條運行。PA61配置:每個開關柜上配置一臺PA61,共計17臺PA61;SU20配置:分段兩側母線上都配置2臺SU20,共計4臺SU20。
3.2.3機頭變電所組網(wǎng)方案圖8為機頭變電所組網(wǎng)方案。圖8中,該變電所共有兩條進線,分別是1#柜、18#柜,一個分段11#柜,10條饋線。每個開關柜上配置一臺PA61,共計13臺PA61;因Ⅰ段母線上接的饋線數(shù)量和分段數(shù)量的總數(shù)超過7個,所以要用兩臺SU20,其中一臺備用。Ⅱ段母線上配置一臺SU20。
4軟件設計
本系統(tǒng)的軟件設計采用模塊化設計語言,分別設計了DSP控制器主程序、光纖傳輸信號子程序、判斷故障閉鎖信號發(fā)出子程序、速斷保護子程序、SU20服務器主程序。圖9為SU20服務器主程序流程圖。
5結束語
針對煤礦井下變電所數(shù)量多,組成的多級供電網(wǎng)絡保護整定困難,饋電開關的保護選擇性不強造成的越級跳閘問題,研究了一種基于智能光纖保護裝置PA61和智能光纖服務器SU20的防越級微機集成保護系統(tǒng),本系統(tǒng)的應用能夠提高煤礦供電系統(tǒng)保護裝置的選擇性,防止越級跳閘造成事故擴大,對于煤礦供電系統(tǒng)的安全性和可靠性具有重要意義。
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作者:張健 單位:山西春成煤礦勘察設計有限公司