煤矿井下供电系统短路保护方法浅析

2022-09-10

煤矿井下生产危险性强，若发生供电短路事故，不仅会导致生产停止、设备受损，甚至有可能会引发粉尘爆炸、瓦斯爆炸等。我国反观数十年来我国煤矿生产历史，不难发现，短路是发生率较高且危险性较大的故障，井下短路会导致井下供电网络的总阻抗大幅度降低，同时导致短路电流激增，最大可达数万安培，强大短路电流产生高热量，直接致使设备烧坏或者原有绝缘结构烧毁，在强大电流的作用下，还会产生较大的电动力，导致设备变形。近几年，我国煤矿生产逐步朝着深、复杂、危险的方向不断发展，因此预防煤矿井下供电网络出现短路现象，就成为了当前需要重视的首要问题。

1. 煤矿井下供电系统短路保护技术要求

煤矿井下供电系统短路保护有效性，和煤矿井下供电网络过流保护装置是否有效、灵敏，和供电网络中电气设备安装、设计是否正确有直接关系，若设计、安装不当，必然会导致在出现“过电流”时，保护装置不动作，或者反馈不及时[1]。

一是电动机保护装置的安装原则，井下工作电压在1kV以下的电动机，多采用“熔断器”作为过电流保护装置，同时利用有磁力启动器、自动开关启动器的热继电器实现过负荷保护，针对工作功率在2000kW及以上的大容量电动机设备或者煤矿生产中重要的电动机设备，多采用“差动保护装置”来实现过流保护、过负载保护。针对小接地电流电网，若是小接地电流电网的电流Igr≥5A应该安装相应的保护装置，且保护装置要对跳闸情况产生反馈动作，针对过电流、过负荷这种不正常的工作状态，可采用“热力保护装置”来确保供电网络的安全性[2]。图1为某矿区井下供电网络布置图，该网络中的电动机工作电压为660V，所以选择熔断器对电动机进行保护，熔断器的规格也为对应的660V，同时再用有磁力启动器、自动开关启动器的热继电器来实现对过负荷异常状态的有效反馈、动作[3]。

二是井下供电网络中变压器保护的原则，无论井下的变压器容量几何，所有变压器都需要设置相应的短路保护装置、过电流保护装置，若变压器的容量大于320kVA，都需要按照要求安装瓦斯保护装置，针对容量大于或等于320kVA，且小于或等于750kVA的变压器，则要尽可能保证过电流保护装置的动作时间在0.5s以下，若是过电流保护装置的动作时间在0.5s以上，则需要增加速断保护装置。若变压器存在并列运行的情况，或者变压器配置有备用电源，则应该根据出现过负载问题发生的可能性，根据过负荷的幅度装设相应的保护装置。另外，针对保护装置灵敏度不满足安全性需求时，应该考虑采用“零序保护”机制，电源侧也需要设置三相式保护。这里仍旧以图1为例，图1中煤矿井下的供电网络，有容量为220kVA的变压器，所以该供电网络仅需要装备过电流保护装置，但是因为另一侧变压器涉及到1.6m绞车的供电，所以电源侧需要装备三项式过电流保护装置[4]。

三是继电保护装置的选择应该以“避免短路事故”发生为重点内容，遵循继电保护装置的设计规律，保证在出现短路问题的过程中，能够快速、及时的切除故障线路，同时尽可能的缩小停电范围，若计算出供电网络发生最大短路电流值过大，而无法合理选取继电器保护装置时，应该秉承“安全第一”的原则，采取限制短路电流的措施。如，可考虑供电线路和并联变压器分列运作，或者可考虑在电路中串联电抗设备，若是电网的最小短路电流过小，无法保证继电器装置合理动作时，应该将短路电流调整至继电器装置可动作的范畴[5]。

2. 井下短路保护中的Ether CAT分站技术

文章上述技术要求，是保证井下供电网络安全性的基本要求，但是就井下供电网络的复杂性以及井下生产作业的特殊性来看，往往还需要采取其他措施来保证供电网络的稳定运作，避免一处出现短路故障，引发多处开关的跳闸，对生产以及安全造成严重影响。目前国内外煤矿生产行业采取了多种保护方案，其中以光纤纵差保护、电流速断闭锁、集中控制的应用最为广泛，但是就光纤纵差保护、电流速断闭锁、集中控制的的应用现状来看，光纤纵差保护的网络结构较为复杂，系统可靠性不足;电流速断闭锁传输的信号抗干扰能力差，无法实现对井下供电网络的全覆盖;集中控制的通讯可靠性需求过高，井下生产环境复杂，集中控制往往会出现不稳定的情况[6]。鉴于这些问题，下文阐述一种利用Ether CAT分站实现供电保护的技术。

(1)Ether CAT分站结构

这里以某矿区综采面6kV的主回路为例，如图2所示，该综采面的网络结构主要由Ether CAT分站、光纤网络、通讯结构、高压综合保护装置构成。其中，Ether CAT分站是整个控制网络的核心，支持光纤联锁、Ether CAT两种不同的信息传输方式，且光纤联锁网络和Ether CAT为协同工作的状态，网络通讯可靠性较高。

Ether CAT为基于“以太网”的现场总线系统，系统构建参照IEC67850规范，且具备高精度同步时钟系统，支持供电网络中各种电气保护装置的同步采样。Ether CAT的结构如图3所示，由主站、从站构成，且主站、从站为协同运行的工作模式。数据传播方式和传统以太网不同，数据从主站出发，然后传送至各个分站，分站在接收到数据后，又把数据信息插入到相关的以太网帧，逐级传递，最后返回主站，在这个过程中，省略了传统以太网信息传输的编码、解码过程，提高了通信效率[7]。经过测试，Ether CAT结果下，信息传输的延迟仅仅为15纳秒。并且，Ether CAT整合了光纤联锁技术，传输信号为数字信号，网络中带有再生中继器，可将信息脉冲生成为完整脉冲，系统运作体现出较高的可靠性。

(2)短路保护技术原理

如图2所示，在整个Ether CAT技术体系中，假设K3为生产第二变电所在运作过程中发生故障的故障点，那么Ether CAT的保护原理为：在发生故障的情况下(K3),QF2、QF31、QF1可同时监测到Ether CAT网络体系中的故障电流，确认故障后，综合保护装置自动实现保护功能，同时QF31向Ether CAT网络体系中的分站1发送请求信号，在分站接收到信号之后，又实现和QF2之间的联锁，同时发送安全报告信息，Ether CAT网络体系中的分站2接收到报告后，发出联锁信号，QF1在接收到联锁信号后向分站1发送请求跳闸的信号。分站3、分站2协同够工作，分站2发送故障信息至分站3，分站三控制QF2禁止跳闸，同时分站1控制QF1禁止跳闸，而后后备保护功能启动，即“QF1延时2T2、QF2延时T2”，因QF31不再联锁的范围内以及禁止动作的范围内，所以T1延时完成后，主动切除故障，而后QF2在T2延时到期后，主动切除故障。

Ether CAT分站通过综合应用两种通讯方式，可大幅度提高通讯的可靠性、实时性，系统不仅仅能够保证井下短路保护可选择，同时可快速的锁定故障范围，避免一处出现短路故障，引发多处开关的跳闸，且Ether CAT分站还具有并入信息化监控系统的基础。

3. 结束语

综上所述，煤矿井下供电系统短路保护需要注重电气设备的选择、安装，以“安全第一”落实各项安全措施，保证电气设备能够在确保安全的情况下正常动作，同时在落实基本技术原则的基础上，还需要应用高新技术来提高煤矿井下供电系统的可靠性、稳定性，望广大从业者对文章上述的技术方法有足够的认识，并在实践中不断摸索高新技术的应用。

摘要：下文立足于煤矿井下生产实际特征以及供电系统短路问题，首先阐述了煤矿井下供电系统短路保护技术要求，然后根据时下国内外的供电系统短路保护技术，提出了Ether CAT分站技术，总结出煤矿井下供电系统短路保护不仅仅要注重基础措施的落实，还要注重高新技术方法的应用。

关键词：煤矿生产,煤矿安全,供电保护,过载保护