煤矿井下远传式弧光保护系统设计

豆腾飞

（陕西中能煤田有限公司 陕西省榆林市 719000）

随着弧光保护装置相关国家标准、行业标准的确立，电力系统对中低压开关柜加装弧光保护装置越来越重视，在地面供电系统中，中低压母线及开关柜加装弧光保护填补原有继电保护空白点的应用越来越多，但在煤矿井下由于供电方式、使用环境的不同，目前尚无适合井下高压防爆开关使用的弧光保护装置。

1 煤矿供电现状及其对弧光保护的要求

煤矿供电系统是整个矿山的重要组成部分，为整个煤矿的安全生产提供基础电力供应，供电系统的安全可靠性是矿山安全稳定生产的前提。

1.1 煤矿井下辐射状供电方式

煤矿供电系统包括地面供电系统和井下供电系统两个部分，地面变电所有分为总降变电站和厂区变电所两个部分。总降变电所负责向整个煤矿提供电源，一般为110kV 或35kV 变电站，采用多条10kV/6kV 出线给厂区变电所和井下变电所供电；厂区变电所一般有主运输变电所、压风机房变电所、风井主扇变电所、办公楼变电所等，进线为10kV/6kV；井下供电系统一般采用多级辐射状供电模式，分为中央变电所、采区变电所和移动变电站三个层级。煤矿井下高压供电级数一般随着煤炭采掘面的移动而增加，井下各级变电站之间采用电缆相连，煤矿供电系统结构图如图1 所示。[1][2]

1.2 弧光保护原理

弧光保护通过监测开关柜内闪弧信息电流突变信息，对开关柜内故障情况进行判断，能够快速切除弧光故障，降低开关柜损伤程度，避免事故扩大和人身伤害。弧光保护一般采用光学元件实现光信号的采集，采用电流互感器采集本开关柜进线电流，事故后通过切除进线开关实现母线停电，从而防止事故扩大。[3][4]

在地面电力系统中，110kV 及以上的母线一般安装有母线保护，而在35kV 及以下电压等级的母线无快速保护，存在保护空白点，不利于消除故障隐患。弧光保护原理清晰，判据明确，动作速度快，相对于加装特殊电流互感器的母线保护更为经济合算，是中低压母线快速保护的解决良策。

1.3 井下供电对弧光保护的要求

地面电力系统变电站内一般将相同电压等级开关柜放置在一起，出线和进线距离不远，弧光保护装置采集出线开关的闪弧情况、进线开关的电流信息，事故时切断进线开关断路器，接线较为方便。但在煤矿井下相同电压等级的开关可能分布在不同变电站，相互间距离较远，无法通过电缆实现断路器跳闸信息的传输。[5]

由于井下瓦斯等易燃气体的存在，井下所有开关类设备必须采用防爆外壳，防止设备损坏时产生爆炸，高压开关柜亦是如此。防爆柜的采用导致开关屏蔽型更好，弧光信息更易采集，同时开关更为紧凑，内部空间较小。但防爆开关各腔室的隔离更强，无法通过缝隙走线。[6]

井下继电保护种类单一，不存在元件保护，也无明确母线概念，对于开关柜内弧光故障动作时间较长，一旦发生开关柜闪弧，将产生严重后果，轻则烧毁开关，重则导致全矿失电。

综上，井下防爆开关对弧光保护装置的要求与地面不同，必须具备远程跳闸功能，有可能发生闪弧故障的防爆开关和需要跳闸切除故障的开关处于井下不同的变电站；同时井下弧光保护装置需具备体积小，安装方便，走线快捷的特点。[7][8]

2 远传式弧光保护系统组成及工作原理

2.1 系统组成

为适应煤矿井下防爆开关柜的运行及安装环境，远传式弧光保护装置采用模块化设计，分为主控模块、出口模块和显示模块三个部分，连接方式如图2 所示。

主控模块主要实现本开关弧光、电流及开关状态信息的采集，通过DSP 的计算分析，判别开关内是否发生弧光故障；出口模块具备本地和光纤远方两个控制接口，主要实现本开关分合闸的控制，本开关柜内安装的主控模块可通过控制模块实现本地控制，亦可通过光纤接收远方主控模块的控制命令，对于出线连接多个开关柜的进线开关，可通过光纤交换机实现多对一的控制；显示模块用于实现开关柜信息的本地显示，直接与主控模块相连，有远方控制时间发生时，双方的显示模块均可查看控制记录。

2.2 工作原理

弧光保护系统通过检测开关柜内部发生故障时产生的电弧光来判断是否发生故障。弧光是电弧的最明显且变化最快的特征物理量，用作电弧光保护作为判据，具有超高速的动作性能，整套保护的动作时间可保证在几毫秒以内。对开关柜内部故障保护来说，这种超高速动作性能是最重要的。为了避免外界人造光源干扰可能引发系统的误跳闸出口，弧光保护系统引入过流信息作为闭锁信号，即只有同时检测到弧光信号及过流信号才发出跳闸指令切除故障，从而进一步提高保护系统动作的可靠性。

与地面弧光保护系统不同的时，煤矿井下供电系统没有直接的供电母线，一般进线采用电缆，串联多个防爆开关柜，且防爆开关对外喇叭口数量有限，口内进出线均为板开关所用，因此井下弧光保护系统单装置无需接入过多弧光传感器，一般每台装置只采集本开关柜内弧光信息，电流亦只采集本开关的进线电流，而出口则采取双出口的配置，即弧光保护装置监测到弧光故障时，在跳开本开关的同时亦通过光纤向远方的进线开关出口模块发送跳闸命令，切除进线电源，防止事故扩大。

3 系统软硬件设计

3.1 弧光传感器

弧光传感器是弧光保护装置中关键元器件，主要负责将光信号转换为电信号。弧光放电的光谱特性与放电电极的材料有关，一般电力开关采用的导体材料均为金属铜，因此防爆开关柜内的闪弧光谱特性较为固定，从300nm 的紫外光谱到700nm 的红外光谱均有，为避免灯光等人造光源的干扰，弧光传感器一般选择紫外光检测原理。

目前地面弧光保护系统中采用较多的弧光传感器是纯光学传感器，采用光纤将传感器与主装置相连，但在煤矿井下防爆柜内，无法实现光纤的穿墙传输，因此本系统的弧光传感器采取就地光电转换模式，在弧光传感器上将光信号转换为量化的电信号，直接输出数字信号。

3.2 弧光保护主控模块

弧光保护装置主控模块实现继电保护装置的主要功能，主要由数字信号处理器DSP 和现场可编程阵列FPGA 构成，实现模拟量输入的采集、开关量状态的监测、保护综自信息的通信传输、现场数据的计算判断、故障信息的记录等功能。弧光保护主控模块的内部功能示意图如图3 所示。

3.3 出口模块

出口模块主要有现场可编程阵列FPGA 实现，即可与本地主控模块接口接受本地主控的控制，也可通过光纤与远方的主控模块接口接受远方控制，出口模块的主要功能是实现开关柜的分合闸控制。出口模块主要由FPGA 和继电器组成，具备远方通信的光纤接口和本地通信接口，两个接口之间的控制逻辑采用“与”逻辑，即本地和远方均可独立实现继电器出口。

3.4 显示模块

为方便弧光保护装置的安装，将矿用远传式弧光保护的显示部分从主装置上独立出来，显示模块主要实现现场数据的查看、保护定值的整定、事故信息的指示灯。由于弧光保护装置安装于防爆壳内，操作时无法接触到装置本体，显示模块的操作通过特制红外遥控器实现。显示模块主要由FPGA 和液晶显示器组成，FPGA 实现与主控模块的通信、红外遥控器解码功能。

3.5 系统配置

地面弧光保护装置一般是按照母线来配置的，即每段母线配置一台主控单元，实现整段母线上所有开关柜的监测和保护，但在井下弧光保护的配置按照开关柜进行，即每台开关柜配置一台主控装置，每台装置配置至少两个个弧光传感器实现对防爆开关内出线腔、开关下腔的闪弧监测，电流互感器安装于开关柜内断路器上侧，用于检测开关进线电流。

3.6 设备安装

弧光保护装置在煤矿井下使用时，装置所有模块均安装于开关柜的防爆壳体内，其中弧光传感器安装于开关柜容易产生弧光的出线腔、开关室下腔内，主控单元和显示单元安装于防爆柜下腔柜门上，显示单元的显示器正对柜门上的防爆玻璃观察窗，出口模块安装于开关室内，就近连接断路器控制线圈。

4 系统应用

榆林市榆阳中能袁大滩矿是神南中能公司的主力矿井之一，是按照“高起点、高标准、高效率、高效益”的建矿要求创建而成的“本安、智能、生态”的第四代矿井。地面35kV 变电站的10kV 出线用于下井供电，在所有10kV 母线安装了弧光保护系统，实现了中低压母线的快速保护；同时为解决煤矿井下防爆开关柜本体无快速保护的现状，安装使用了煤矿井下远传式弧光保护系统，实现了井下所有高压防爆开关网络式的弧光保护，网络架构和跳闸逻辑清晰，出线开关故障闪弧能够快速实现进线开关跳闸，切除故障点电源，防止设备事故扩大，便于快速恢复供电，提高井下用电的安全可靠性。

5 结语

地面电力系统的技术发展较快，而煤矿井下受运行环境和安全生产需求的影响，不能直接采用地面成熟的智能化设备。通过分体设计、网络远程控制等多种方法设计的煤矿井下远传式弧光保护系统，因地制宜的将地面供电设备引入到井下，提高了供电可靠性。