某煤矿防越级跳闸系统设计应用*

孙晓星

(山西焦煤西山煤电集团有限责任公司 杜儿坪煤矿,山西 太原 030022)

0 引 言

煤矿井下供电系统是矿井生产的根本能源,是保证矿井安全生产的关键。煤矿井下供电系统具有开关移动多、内部空间狭小、运行环境恶劣的特点[1-3],应用防越级跳闸系统是保证煤矿井下供电系统的安全性、可靠性的重要措施。

现有煤矿井下防越级跳闸系统存在实时性差、准确率低、稳定性差等问题,因此防越级跳槽系统故障会给煤矿井下供电系统安全生产带来较多不利和困难[4-6]。控制器技术、光纤数字式差动保护技术以及故障逻辑判断技术的应用,可以为煤矿井下防越级跳闸系统带来便利[7-8],可实现防越级跳闸系统数据实时、准确、稳定传输及可靠性动作。

笔者基于控制器技术、光纤数字式差动保护技术以及故障逻辑判断技术提出了某煤矿井下防越级跳闸系统设计方案,重点对防越级跳闸硬件、软件方案进行阐述,并通过试验验证了上述功能的适用性和正确性,达到了防越级跳闸系统实时、准确、可靠运行的目的。对提升该煤矿井下供电系统的安全性、可靠性及提高生产效率具有重要意义。

1 越级跳闸原因分析

通过对某煤矿供电系统越级跳闸为题的分析总结发现,越级跳闸的主要问题表现为:下级馈电线短路与漏电故障而导致上级高压开关动作。该情况出现后轻则越过一级导致一个采区停电;重则越过多级直至地面变电所,导致整个井下供电系统瘫痪[9]。该煤矿井下供电系统为辐射状电网,同一电压等级会辐射至多个变电所。由于采区变电所距电源较远,中间经过级数较多,因此保护时限短、整定值小、上下级保护配合困难是造成越级跳闸的原因之一;煤矿井下部分短供电线路造成保护整定值无法区分是造成越级跳闸的原因之二。越级顶闸可能导致顶闸至地面变电站总高开柜,造成主通风机、井下主排水泵、高瓦斯矿井的区域通风机、瓦斯泵、压风机以及上述设备的辅助设备等突然停电,可能造成人身伤亡或重要设备损坏,进而给生产造成重大损失。

2 方案设计

基于光纤数字式差动保护技术的防越级跳闸方案、利用光纤通信将煤矿井下供电系统线路首尾两端的保护装置纵向连接,分析比较线路各端的电气参数,判断是否为线路内部故障,以指导线路跳闸动作。该技术的特点是动作速度快,但造价较高。

基于布尔逻辑判断技术的防越级跳闸方案、以高低电平信号为基础,设置逻辑判断装置并与供电系统的综合保护装置进行硬连接。该技术的特点是成本低、可靠性高,但接线复杂。

文中将光纤数字式差动保护技术、布尔逻辑判断技术相结合,以ARM控制器为核心,设计防越级跳闸系统。该系统兼具动作速度快、可靠性高、成本低的特点,方案设计框图如图1所示。

图1 某煤矿防越级跳闸系统方案设计框图

3 硬件设计

3.1 关键硬件选型

某煤矿防越级跳闸系统的关键硬件包括ARM控制器、EPEC控制器、纵差综合保护器以及光纤交换机。

(1) 控制器。①ARM控制器。选用STM32F417微处理器,内核为ARM Cortex-M4,集成了FPU和单周期DSP指令,计算能力强;支持数据并行处理及多通道DMA,数据传输能力强;支持CAN总线通讯、TCP/IP通讯;支持1 MB FLASH容量,192 KB SRAM容量,存储空间大[10-12];②EPEC控制器。选用EPEC 3724控制器,内核为带锁步和内存保护的32位多核处理器;支持高速CAN(CAN2.0A、CAN2.0B)、CANOPEN通讯;支持256 K程序存储,128 K数据代码存储;支持过压、高温、输出短路保护以及掉电保存;防护等级为IP67,抗冲击、抗振动能力强。

(2) 纵差综合保护器。选用ZBT-11C型矿用级联纵差保护器,该保护器具有基础差动保护、智能后备双重保护功能。基础差动保护即防越级跳闸系统的主保护,在防越级控制命令投入后,保护器判断是本级开关出线侧发生短路故障,进而发出过流信号并保护跳闸,同时发出跳闸信号。智能后备作为基础差动保护的后备保护,在下级开关出现拒动时在150 ms内实现故障跳闸,基本原理为连续检测故障电流。

(3) 光纤交换机。选用KJJ156矿用本安型交换机,支持4路百兆和3路千兆以太网接口,所有接口都可配置成组环接口;支持2路CAN接口,其中CAN0口为定制口,具备报文屏蔽和优先级配置;支持2路RS485接口,所有接口全是隔离输出,为本安型信号;支持一键恢复出厂设置,可通过web远程配置和升级;支持DC 12V/24V/48V电源供电,最大功耗9 W。

3.2 关键电路设计

某煤矿防越级跳闸系统关键硬件电路包括数字量输入电路设计以及数字量输出电路设计,如图2、3所示。

图2 数字量输入电路设计

图3 数字量输出电路设计

4 软件设计

某煤矿防越级跳闸系统软件分为ARM控制器软件和EPEC控制器软件两部分。ARM控制器软件基于Keil ARM软件平台,采用C语言进行编写、编译并通过JTAG接口下载至ARM控制器内,完成调试和联调,软件主流程如图4所示。EPEC控制器软件基于CodeSys软件平台,采用ST语言进行编写、编译并通过EPEC专用下载线下载至EPEC控制器内,完成调试和联调,软件主流程如图5所示。EPEC控制器内部实现的布尔逻辑控制技术的核心为:①输入为0,输出为0时,系统不动作,系统处于无故障状态或开关不处于故障区间;②输入为1,输出为0时,系统延时动作,开关处于故障区间,但不是离故障点最近的开关;③输入为1,输出为1时,系统立即动作,开关处于故障区间且是离故障点最近的开关。

图4 ARM控制器软件主流程 图5 EPEC控制器软件主流程

5 试验分析

某煤矿防越级跳闸系统试验平台拓扑结构如图6所示。在试验室环境下,模拟该煤矿北区变电所和北七变电所供电系统,其中a～h为模拟故障点,130～150、701～721为高压开关。此次主要针对短路故障进行防越级跳闸基础保护和智能保护试验,利用电流发生器产生试验所需的电流。试验时,观察并记录每个故障点的实际动作开关以及实际平均动作时间。为保证试验的有效性和正确性,每个故障点的试验进行3次,实际平均动作时间是3次试验后的算数平均值。基础保护试验数据、智能后备保护试验数据如表1、2所列。

表1 某煤矿防越级跳闸系统基础保护试验统计数据

图6 某煤矿防越级跳闸系统试验平台拓扑结构

由表1可知,模拟故障点a～h中包括了干线以及支路故障,在250 ms内防越级跳闸系统能够切断离故障点最近的高压开关,达到防越级跳闸的目的。

由表2可知,在基础保护失灵后,智能后备保护在150 ms内能够切断离故障点最近的高压开关,达到防越级跳闸的目的。

表2 某煤矿防越级跳闸系统智能后备保护试验统计数据

6 结 论

以某煤矿井下防越级跳闸系统为研究对象,基于控制器技术、光纤差动保护技术以及布尔逻辑判断技术对井下防越级跳闸系统进行研究与实现,重点研究了硬件、软件设计思路和实现方法并完成试验验证。

(1) 设计的防越级跳闸系统实现了短时最近高压开关动作,完善了保护系统,达到了防越级跳闸的目的。

(2) 经试验验证,设计的防越级跳闸系统满足某煤矿北区变电所、北七变电所应用要求,达到了煤矿井下供电系统安全、可靠、高效运行的目的。