煤礦井下采區(qū)無(wú)人值守變電所微機(jī)保護(hù)系統(tǒng)的研究

1、    煤礦井下采區(qū)無(wú)人值守變電所微機(jī)保護(hù)系統(tǒng)的研究        孟祥忠1 張秀娟2 時(shí)間:2008年08月26日     字 體: 大 中 小        關(guān)鍵詞:        ? 摘 要：關(guān)鍵詞： 煤礦井下? 無(wú)人值守變電所? 保護(hù)監(jiān)控裝置?1 綜合保護(hù)系統(tǒng)的功能及井下

2、常見(jiàn)故障分析1.1 綜合保護(hù)系統(tǒng)的功能1.2 井下電網(wǎng)常見(jiàn)故障特性分析? 煤礦井下供電系統(tǒng)在運(yùn)行時(shí)，可能會(huì)出現(xiàn)各種故障和不正常運(yùn)行狀態(tài)。常見(jiàn)的主要故障是相間短路以及變壓器、電動(dòng)機(jī)繞組的匝間短路等。不正常運(yùn)行狀態(tài)主要是指過(guò)負(fù)荷、斷相、欠電壓、過(guò)電壓以及單相接地等不正常工作情況。對(duì)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(shí)，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(shí)線路中會(huì)出現(xiàn)負(fù)序電流，但負(fù)序電流的大小與兩相短路時(shí)不同，因此可通過(guò)判斷負(fù)序電流的大小來(lái)區(qū)分兩相短路故障和單相斷相故障。單相接地是煤

3、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(diǎn)是會(huì)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：? ? 式（1）中：r和C分別為各支路每相對(duì)地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? ? 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(shí)現(xiàn)橫向選擇性漏電保護(hù)。三相短路和過(guò)負(fù)荷屬于煤礦井下電網(wǎng)對(duì)稱(chēng)性故障和不正常運(yùn)行狀態(tài)，它們共同的特點(diǎn)是：故障后三相電流仍然對(duì)稱(chēng)，系統(tǒng)中只存在正序電流分量，并且幅值增大。過(guò)負(fù)荷通常是因?yàn)檎ú划?dāng)、違章操作、重載啟動(dòng)等原因造成的。但只要設(shè)備的

4、運(yùn)行溫度沒(méi)有超過(guò)其允許升溫，電網(wǎng)還允許繼續(xù)運(yùn)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(dòng)機(jī)等，都具有一定的允許過(guò)載能力，時(shí)間越短，允許通過(guò)的過(guò)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(zhǎng)時(shí)間過(guò)熱而造成損壞，對(duì)過(guò)載的保護(hù)應(yīng)具有反時(shí)限特性。? 為了適應(yīng)井下電網(wǎng)在不同負(fù)載條件下對(duì)過(guò)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(shí)限過(guò)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(jī)保護(hù)研究的重點(diǎn)之一。目前已提出的算法有很多種，例如兩點(diǎn)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(píng)價(jià)各種不同算法優(yōu)劣的標(biāo)準(zhǔn)是精度

5、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(jī)保護(hù)的算法12，各種算法各有其應(yīng)用價(jià)值，具體選擇哪一種算法需根據(jù)對(duì)保護(hù)功能的要求、應(yīng)用場(chǎng)合來(lái)具體確定。? 故障檢測(cè)算法要盡量簡(jiǎn)單并且運(yùn)算量小，又要能對(duì)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(yùn)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(lái)檢測(cè)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：? ? 其中N為每工頻周期采樣點(diǎn)數(shù)。? 這種算法雖不精確，但基本上能滿(mǎn)足要求，且簡(jiǎn)單易行。采用電流故障分量作為故障檢測(cè)方法時(shí)，具有下列優(yōu)點(diǎn)：? （1）在穩(wěn)定狀態(tài)下電流中的諧波分量被自然濾出，i(t)中不平衡輸出小

6、；（2）輸出i(t)存在時(shí)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(méi)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(wú)論是周-周比較法還是半周比較法，都存在一個(gè)問(wèn)題，那就是在電網(wǎng)頻率波動(dòng)時(shí)，會(huì)產(chǎn)生一定的不平衡電流。因此為了消除電網(wǎng)頻率波動(dòng)所帶來(lái)的誤差，可采用雙周比較法和雙半周比較法。? 雙周比較法防止了因頻率偏移引起的誤動(dòng)作，但它需要較長(zhǎng)的數(shù)據(jù)窗（兩個(gè)工頻周期），使數(shù)據(jù)存儲(chǔ)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(shí)仍有可能誤動(dòng)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：? ? 式（5）中i(k)為某一瞬間的相電流采樣值，

7、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(jì)算簡(jiǎn)單。取整定值?著為正數(shù)，則故障檢測(cè)元件判別式為：? ? 當(dāng)滿(mǎn)足式（6）時(shí)，故障檢測(cè)元件動(dòng)作。的選擇原則是在保證可靠檢測(cè)出所監(jiān)測(cè)范圍內(nèi)所有故障的前提下，盡量使非故障擾動(dòng)（如負(fù)荷波動(dòng)）時(shí)不起動(dòng)。此外，為提高抗干擾能力，程序設(shè)計(jì)中當(dāng)有連續(xù)三次|i(k)|時(shí)才確認(rèn)有故障發(fā)生，從而保證了保護(hù)起動(dòng)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(dòng)電流很大的鼠籠型電動(dòng)機(jī)，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(dòng)機(jī)的起動(dòng)電流。對(duì)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(duì)于

8、兩相短路，相敏保護(hù)就無(wú)能為力了。這就需要利用兩相短路時(shí)出現(xiàn)的負(fù)序電流分量來(lái)檢測(cè)。此外，斷相故障也會(huì)產(chǎn)生負(fù)序電流，因而也可利用它來(lái)進(jìn)行斷相故障檢測(cè)。? 負(fù)序分量的計(jì)算大致上可分為兩種方法：向量法和采樣點(diǎn)計(jì)算法。本文主要討論本系統(tǒng)所采用的采樣點(diǎn)計(jì)算法。? (1)裝有三相電流互感器的線路的負(fù)序分量的計(jì)算? 根據(jù)負(fù)序分量的基本公式：? ? 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。當(dāng)N=12時(shí)的計(jì)算公式為：? ? (2)裝有兩相電流互感器的線路負(fù)序分量的計(jì)算? ? 離散化后得：? ? 這種算法要求數(shù)據(jù)窗的寬度為1/3個(gè)工頻周期，取N=12時(shí)有：? ? 通過(guò)上述算法求出負(fù)序電流瞬

9、時(shí)值后，可采用全波傅氏算法或其他方法來(lái)計(jì)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(huì)有一定的不平衡輸出，而且系統(tǒng)在發(fā)生三相短路時(shí)也會(huì)有暫態(tài)輸出5。軟件設(shè)計(jì)時(shí)，需要進(jìn)行一定的補(bǔ)償。3 系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)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(duì)煤礦井下真空饋電開(kāi)關(guān)而設(shè)計(jì)的，必須放置于真空饋電開(kāi)關(guān)內(nèi)。由于真空開(kāi)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(jì)，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(gè)：一是負(fù)責(zé)將由被保護(hù)線路一次PT、CT

10、輸入的幅值為100V和5A的交流電壓、電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為微機(jī)保護(hù)所要求的信號(hào)幅值；二是通過(guò)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80C196KB6為核心，集中了CPU主系統(tǒng)、模擬量采集、開(kāi)關(guān)量輸入輸出、通信、人機(jī)接口、溫度測(cè)量、頻率和功率因數(shù)測(cè)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(jī)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(jī)對(duì)話接口和RS-485遠(yuǎn)方通信接口，可以方便地實(shí)現(xiàn)保護(hù)定值的就地和遠(yuǎn)方整定、監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的就地和遠(yuǎn)方實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。? 該系統(tǒng)總體框圖如圖2所示。?3.2 軟件設(shè)計(jì)流程圖? 本軟件的設(shè)計(jì)可以采用C語(yǔ)言、匯編語(yǔ)言混合編寫(xiě)，程序框圖如圖3所示。? 該保護(hù)可應(yīng)用在BGP9L6G型礦用隔爆型高壓真空配電開(kāi)關(guān)和礦用低壓饋電開(kāi)關(guān)。該裝置在保護(hù)功能方面的主要特點(diǎn)為：? (1)采用負(fù)序保護(hù)原理對(duì)井下不對(duì)稱(chēng)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。?