煤礦井下采區(qū)無人值守變電所微機保護(hù)系統(tǒng)的研究

摘要：在分析目前煤礦井下安全現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，深入實際地研究了煤礦井下供電系統(tǒng)各種常見故障的特征、相關(guān)保護(hù)原理及算法，研制出一套針對井下采區(qū)變電所的微機綜合保護(hù)、監(jiān)控裝置，給出了具體實現(xiàn)方案。實踐證明，該裝置經(jīng)濟效益和社會效益顯著，具有良好的推廣應(yīng)用前景。

相對于傳統(tǒng)的繼電保護(hù)，微機保護(hù)具有明顯的優(yōu)越性。對于煤礦供電系統(tǒng)，雖然微機保護(hù)和監(jiān)控系統(tǒng)也得到了應(yīng)用，但主要是針對地面供電系統(tǒng)，井下微機保護(hù)和監(jiān)控裝置應(yīng)用還不多。由于井下供電網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，采區(qū)變電所和工作面配電點供電服務(wù)對象主要為采煤、掘進(jìn)、運輸以及排水等主要生產(chǎn)環(huán)節(jié)，供電負(fù)荷種類繁多、區(qū)域分布廣、負(fù)荷工作場所地質(zhì)條件復(fù)雜，且存在著瓦斯、煤塵、水等有害介質(zhì)，影響供電系統(tǒng)運行的不確定因素也較多，事故發(fā)生率高，故障排查、停送電周期長。盡管近年來，煤礦供電管理部門在改進(jìn)井下配電裝備、應(yīng)用新技術(shù)成果的同時，不斷強化人員素質(zhì)的管理，煤礦井下供電系統(tǒng)的可靠性得到了提高，但由于人為因素造成的供電事故時有發(fā)生，影響了煤礦的安全生產(chǎn)，并且導(dǎo)致供電部門每天用于值班和線路維護(hù)的工作人員較多，降低了勞動生產(chǎn)率。因而，對井下供電系統(tǒng)實施微機保護(hù)和監(jiān)控也十分迫切。

1 綜合保護(hù)系統(tǒng)的功能及井下常見故障分析

1.1 綜合保護(hù)系統(tǒng)的功能

·測控功能：本系統(tǒng)具有“遙測、遙信、遙控、遙調(diào)”四遙功能。遙測是指本系統(tǒng)能檢測采區(qū)變電所每次出線的電流、電壓、功率、COSΦ、開關(guān)內(nèi)溫度等模擬量。遙信是指本系統(tǒng)能檢測開關(guān)的位置狀態(tài)及實驗按鈕狀態(tài)。遙控是指本系統(tǒng)能對開關(guān)進(jìn)行正常分、合閘操作。遙調(diào)是指本系統(tǒng)能在上位機對饋電開關(guān)進(jìn)行保護(hù)動作值整定。

·保護(hù)功能：本系統(tǒng)具有漏電保護(hù)、過載保護(hù)、短路保護(hù)、欠壓保護(hù)、斷相保護(hù)等保護(hù)功能。

·絕緣監(jiān)測功能：本系統(tǒng)能對低壓饋電線路絕緣狀況進(jìn)行實時監(jiān)測并且具有漏電閉鎖功能。

·故障記憶功能：漏電、過載、短路等故障發(fā)生時，本系統(tǒng)在上位機或下位機均可記憶故障發(fā)生的時刻和類型。

·通信功能：所內(nèi)采區(qū)開關(guān)智能監(jiān)控單元采用RS-485現(xiàn)場總線通信方式，并且與采區(qū)工控主機進(jìn)行實時通信。

·現(xiàn)場顯示功能：每個開關(guān)均采用帶背光的漢字液晶顯示模塊顯示各種信息。包括監(jiān)測參數(shù)顯示、通信情況顯示(上行、下行)、故障類型、系統(tǒng)正常指示、電源指示及系統(tǒng)自檢情況等。

1.2 井下電網(wǎng)常見故障特性分析

煤礦井下供電系統(tǒng)在運行時，可能會出現(xiàn)各種故障和不正常運行狀態(tài)。常見的主要故障是相間短路以及變壓器、電動機繞組的匝間短路等。不正常運行狀態(tài)主要是指過負(fù)荷、斷相、欠電壓、過電壓以及單相接地等不正常工作情況。對于系統(tǒng)的保護(hù)常用故障特征量進(jìn)行分析與綜合。如電網(wǎng)中發(fā)生兩相短路時，系統(tǒng)中不但存在正序分量，還存在負(fù)序分量，但零序分量為零，并且兩故障相電流大小相等、方向相反。這是兩相短路的重要特征。單相斷相時線路中會出現(xiàn)負(fù)序電流，但負(fù)序電流的大小與兩相短路時不同，因此可通過判斷負(fù)序電流的大小來區(qū)分兩相短路故障和單相斷相故障。單相接地是煤礦井下電網(wǎng)中出現(xiàn)頻率最高的故障形式。若某一支路發(fā)生漏電或人身觸電，最大的特點是會有零序電流產(chǎn)生，非故障支路零序電流由支路流向母線，其大小為：

Ioi=3U0(1/r+jwc)    (1)

式（1）中：r和C分別為各支路每相對絕緣電阻和分布電容。非故障支路零序電流超前零序電壓，超前角度α<π/2,當(dāng)r=∞時，α=π/2。而非故障支路零序電流則從母線流向支路，為：

故障支路和非故障支路中零序電流不僅大小不同，而且相位相反。根據(jù)零序電流的方向可以區(qū)分故障支路和非故障支路，從而實現(xiàn)橫向選擇性漏電保護(hù)。三相短路和過負(fù)荷屬于煤礦井下電網(wǎng)對稱性故障和不正常運行狀態(tài)，它們共同的特點是：故障后三相電流仍然對稱，系統(tǒng)中只存在正序電流分量，并且幅值增大。過負(fù)荷通常是因為整定不當(dāng)、違章操作、重載啟動等原因造成的。但只要設(shè)備的運行溫度沒有超過其允許升溫，電網(wǎng)還允許繼續(xù)運行，否則就要進(jìn)行保護(hù)。煤礦井下大多數(shù)電氣設(shè)備，如變壓器、電動機等，都具有一定的允許過載能力，時間越短，允許通過的過載電流越大。因此，為了充分發(fā)揮被保護(hù)元件的效益，又不至于因長時間過熱而造成損壞，對過載的保護(hù)應(yīng)具有反時限特性。

為了適應(yīng)井下電網(wǎng)在不同負(fù)載條件下對過載保護(hù)的要求，本保護(hù)裝置可以選擇如圖1所示的7條不同的反時限過載保護(hù)特性曲線。

2 綜合保護(hù)系統(tǒng)所用算法

算法是微機保護(hù)研究的重點之一。目前已提出的算法有很多種，例如兩點乘積算法、導(dǎo)數(shù)算法、傅里葉算法、沃爾什函數(shù)算法、解微分方程算法以及最小二乘算法等。分析和評價各種不同算法優(yōu)劣的標(biāo)準(zhǔn)是精度和速度。人們已經(jīng)進(jìn)行了大量的研究，提出了許多適用于微機保護(hù)的算法[1][2]，各種算法各有其應(yīng)用價值，具體選擇哪一種算法需根據(jù)對保護(hù)功能的要求、應(yīng)用場合來具體確定。

2.1 故障檢測算法

故障檢測算法要盡量簡單并且運算量小，又要能對所監(jiān)視范圍內(nèi)的故障做出靈敏的反應(yīng)。電力系統(tǒng)正常運行與故障狀態(tài)的區(qū)別，特別體現(xiàn)在故障前后電流的變化上。因此采用電流故障分量來檢測故障具有足夠的靈敏度[3]。電流故障分量的提取可采用以下算法：

△i(t)=i(t)-(-1)ni(t-nT/2)    (3)

式（3）中：△i(t)為電流故障分量；i(t)為實測電流；T工頻周期；n=±1,±2,…

將式（3）離散化可得：

△i(k)=i(k)-(-1)ni(k-nN/2)    (4)

其中N為每工頻周期采樣點數(shù)。

這種算法雖不精確，但基本上能滿足要求，且簡單易行。采用電流故障分量作為故障檢測方法時，具有下列優(yōu)點：

(1) 在穩(wěn)定狀態(tài)下電流中的諧波分量被自然濾出，△i(t)中不平衡輸出??；

(2)輸出△i(t)存在時間是固定的，不隨故障電流的大小而變化；

(3)輸出△i(t)的波形沒有衰減。

    令式(4)中的n分別為1和2，就可得到半周比較法和周-周比較法。但無論是周-周比較法還是半周比較法，都存在一個問題，那就是在電網(wǎng)頻率波動時，會產(chǎn)生一定的不平衡電流。因此為了消除電網(wǎng)頻率波動所帶來的誤差，可采用雙周比較法和雙半周比較法。    該系統(tǒng)總體框圖如圖2所示。

雙周比較法防止了因頻率偏移引起的誤動作，但它需要較長的數(shù)據(jù)窗(兩個工頻周期)，使數(shù)據(jù)存儲量增大，并且它仍受系統(tǒng)頻率的影響，當(dāng)振蕩周期很小時仍有可能誤動作。為了縮短數(shù)據(jù)窗，本系統(tǒng)采用式(4)所示的雙半周比較法：

△i(k)=│i(k)+i(k-N/2)│-│i(k-N/2)+i(k-N)│ (5)

式(5)中i(k)為某一瞬間的相電流采樣值，i(k-N/2)為半周期前同一相電流采樣值，i(k-N)為一周期前同一相電流采樣值。該方法數(shù)據(jù)窗短，計算簡單。取整定值ε為正數(shù)，則故障檢測元件判別式為：

│△i(k)│≥ε (6)

當(dāng)滿足式(6)時，故障檢測元件動作。ε的選擇原則是在保證可靠檢測出所監(jiān)測范圍內(nèi)所有故障的前提下，盡量使非故障擾動(如負(fù)荷波動)時不起動。此外，為提高抗干擾能力，程序設(shè)計中當(dāng)有連續(xù)三次│△i(k)│≥ε時才確認(rèn)有故障發(fā)生，從而保證了保護(hù)起動的準(zhǔn)確性。

2.2 濾序算法

煤礦井下低壓電網(wǎng)中的負(fù)載大多是起動電流很大的鼠籠型電動機，這就使得保護(hù)裝置需要區(qū)分線路末端的短路電流和大型電動機的起動電流。對于三相短路電流，可以利用相敏保護(hù)原理加以區(qū)分；但對于兩相短路，相敏保護(hù)就無能為力了。這就需要利用兩相短路時出現(xiàn)的負(fù)序電流分量來檢測。此外，斷相故障也會產(chǎn)生負(fù)序電流，因而也可利用它來進(jìn)行斷相故障檢測。

負(fù)序分量的計算大致上可分為兩種方法：向量法和采樣點計算法。本文主要討論本系統(tǒng)所采用的采樣點計算法。

（1）裝有三相電流互感器的線路的負(fù)序分量的計算要飯負(fù)序分量的基本公式：

離散化后的形式為：

iA2(k)=1/3[iA(k)+iB(k-N/3)+iC(k-2N/3)]    (8)

式（8）中N為工頻周期內(nèi)的采樣次數(shù)。

這種算法所需數(shù)據(jù)窗寬度為2N/3+1。當(dāng)N=12時的計算公式為：

iA2(k)=1/3[iA(k)+iB(k-4)+iC(k-8)]    (9)

將式（7）改寫為：

離散化后得：

iA2(k)=1/3[iA(K)+iB(k-N/3)-iC(k-N/6)]    (11)

此時，數(shù)據(jù)窗寬為N/3+1，在N=12時有：

iA2(k)=1/3[iA(k)+iB(k-4)+ic(k-1)]    (12)

(2)裝有兩相電流互感器的線路負(fù)序分量的計算

離散化后得：

這種算法要求數(shù)據(jù)窗的寬度為1/3個工頻周期，取N/12時有：

通過上述算法求出負(fù)序電流瞬時值后，可采用全波傅氏算法或其他方法來計算負(fù)序電流[4]。

采用負(fù)序算法輸出一般受負(fù)荷、諧波分量和系統(tǒng)頻率偏差等因素的影響，因此會有一定的不平衡輸出，而且系統(tǒng)在發(fā)生三相短路時也會有暫態(tài)輸出[5]。軟件設(shè)計時，需要進(jìn)行一定的補償。

3 系統(tǒng)的總體設(shè)計及硬件電路框圖

3.1 硬件電路

本文所討論的綜合保護(hù)裝置是針對煤礦井下真空饋電開關(guān)而設(shè)計的，必須放置于真空饋電開關(guān)內(nèi)。由于真空開關(guān)內(nèi)的空間有限，因而該裝置的各功能以模塊方式設(shè)計，以盡可能減小體積。本綜合保護(hù)裝置將所有功能模塊分別集中于兩塊板上。

·模擬輸入變換與控制出口繼電器板

該插件板的功能主要有兩個：一是負(fù)責(zé)將由被保護(hù)線路一次PT、CT輸入的幅值為100V和5A的交流電壓、電流信號轉(zhuǎn)換為微機保護(hù)所要求的信號幅值；二是通過該插件板上的分合閘繼電器執(zhí)行CPU發(fā)出的分合閘命令。

·CPU主插件板

該插件板以高性能的80C196KB[6]為核心，集中了CPU主系統(tǒng)、模擬量采集、開關(guān)量輸入輸出、通信、人機接口、溫度測量、頻率和功率因數(shù)測量以及漏電保護(hù)等功能模塊，負(fù)責(zé)本系統(tǒng)幾乎所有的保護(hù)和監(jiān)控功能。本系統(tǒng)以Intel公司高性能的80C196KB單片機為核心，集保護(hù)、監(jiān)控功能于一體，并配有靈活、友好的人機對話接口和RS-485遠(yuǎn)方通信接口，可以方便地實現(xiàn)保護(hù)定值的就地和遠(yuǎn)方整定、監(jiān)測數(shù)據(jù)的就地和遠(yuǎn)方實時監(jiān)測。

圖3

 

3.2 軟件設(shè)計流程圖

本軟件的設(shè)計可以采用C語言、匯編語言混合編寫，程序框圖如圖3所示。

該保護(hù)可應(yīng)用在BGP9L——6G型礦用隔爆型高壓真空配電開關(guān)和礦用低壓饋電開關(guān)。該裝置在保護(hù)功能方面的主要特點為：

(1)采用負(fù)序保護(hù)原理對井下不對稱故障進(jìn)行保護(hù)，可大大提高兩相短路保護(hù)和斷相保護(hù)的靈敏度及保護(hù)范圍。

(2)采用基于功率因數(shù)的相敏保護(hù)原理對井下低壓三相短路故障進(jìn)行保護(hù)，并且可根據(jù)電網(wǎng)負(fù)荷的大小選擇不同的臨界動作曲線，以取得最佳的保護(hù)效果，從而可使大型電機起動造成的誤動，現(xiàn)象大大減少。

(3)能夠?qū)崿F(xiàn)保護(hù)參數(shù)的就地和遠(yuǎn)方整定與操作，實現(xiàn)故障信息及故障類型的實時顯示與上傳.