煤矿井下机械供电设备可靠性优化设计

杜建平

（山西离柳焦煤集团有限公司， 山西 孝义 032302）

引言

由于煤矿井下生产环境复杂、设备布置分散、距离远等因素，大多数煤矿井下机械供电设备布置时通常采用单条电源线供电结构，造成整个煤矿井下机械供电设备呈辐射状分布结构，这些设备之间通常为串联结构，连接距离短、设备中的阻抗较小、分布电流大，再加上煤矿井下环境复杂、用电设备多、系统负荷大等因素，使得井下经常发生越级跳闸事故，造成大面积停电，严重影响煤矿的安全生产和井下人员的生命安全。

针对目前煤矿井下机械供电设备存在的问题，在对发生越级跳闸事故详细研究的基础上，提出基于面向通用对象的变电站事件（简称GOOSE）通讯机制的防越级跳闸保护设备[1]，用于煤矿井下机械供电设备发生故障时能够及时、准确地将闭锁动作信号传递到发生故障的区域，能够及时将该区域的故障进行切除，防止进一步扩大，同时提高了煤矿井下机械供电设备的智能化程度，对确保煤矿井下机械供电设备安全稳定的运行及对煤矿井下机械供电设备的智能化改造具有重大意义。

1 基于GOOSE的防越级跳闸保护装置的原理

在图1所示的单条电源串联配电结构示意图中，3、4位置的两个保护开关之间仅有1条母线，当在位置5发生线路故障后，位置3、4处保护开关监测到的电流大小实际上基本一致，当5处发生短路事故时，煤矿井下机械供电设备的保护装置能够及时切断该区域的供电连接，确保其不会波及到其他的机械供电设备。目前通用的解决方案是当哪个区域发生短路事故时其保护装置在启动保护动作的同时，向上级供电设备发出一个闭锁保护的信号，将供电设备进线处的保护装置进行闭锁，从而避免上一级的供电设备发生越级跳闸事故，但这种方法需要在煤矿井下机械供电设备之间增加线路和设备，同时还需要多次二次接线，经济性较低。

图1 单条电源串联配电结构示意图

基于GOOSE通讯机制的防越级跳闸保护装置，当煤矿井下机械供电设备的下级设备发生事故时，该区域的保护开关在启动保护动作的同时，向该供电设备发出一个GOOSE闭锁信号[2]，使供电设备的进线保护装置实现闭锁，确保了煤矿井下机械供电设备下级开关保护装置启动保护动作时的选择性，当发生故障区域的井下机械供电设备保护装置启动保护动作后，同时发出一个解除闭锁的信号指令，如果发生故障区域的井下机械供电设备保护装置没有正常启动保护动作，则由上级的保护装置闭锁，实现线路保护。此方案解决了在单条电源串联配电的供电设备中同一条母线上的进线保护装置与馈线保护装置上动作电流难以实现整定的难题。

2 基于GOOSE通讯机制的防越级跳闸保护装置的硬件设计

基于GOOSE通讯机制的防越级跳闸保护装置的硬件结构如下页图2所示，其控制装置用于控制机械供电设备内各类数据的收集和分析，控制设备进行相应的控制动作，保证井下机械供电设备的正常运行，为保证能够快速、准确地对收集到的信息进行汇总处理并执行控制动作，其内部通常采用多个CPU控制模块，不同的控制模块专门用于执行不同的控制任务。为了适应井下的特殊环境，本文采用的是矿用隔爆型控制保护装置，其采用了通用的接口协议，用以满足不同设备之间的交互操作，也能很好地满足煤矿井下机械供电设备智能化升级、改造的需求，具有极强的可靠性和可扩展性。

图2 防越级跳闸保护装置的硬件结构示意图

从图2可以看出，该控制结构采用了模块化的设计，主要包括主控模块、通信模块等，根据不同的控制功能将其分为不同的控制模块，这种方式可以满足用户的不同需求，用户可以根据实际情况增加或者减少相应的控制模块并且可以随时对这些模块进行升级、更换。

3 基于GOOSE通讯机制的防越级跳闸保护装置的软件设计

在GOOSE通讯机制的防越级跳闸保护装置的软件控制程序中[3]，最核心的就是发生短路事故时的中断控制程序，其主要作用是进行煤矿井下机械供电设备的信息采集、对故障发生的位置和原因进行分析、控制执行保护动作等。为确保中断控制程序的可靠性和实用性，设置好的中断控制程序是通过EVA管理模块实现其控制功能[4]，并在设置控制逻辑时将中断控制默认为最高优先执行等级，这样即可保证中断控制程序的执行层级不会被其他控制程序打断，保证了信息传递的及时性和准确性，其控制逻辑原理如图3所示。

4 结论

图3 防越级跳闸保护装置的结构示意图

1）采用矿用隔爆型控制保护装置，满足了不同设备之间的交互操作，从而满足了煤矿井下机械供电设备智能化升级、改造的需求，具有极强的可靠性和可扩展性。

2）设置好的中断控制程序是通过EVA管理模块实现其控制功能，并在设置控制逻辑时将中断控制默认为最高优先执行等级，保证了中断控制程序的执行层级不会被其他控制程序打断，还保证了信息传递的及时性和准确性。