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煤礦井下采區(qū)無人值守變電所微機保護系統(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、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，具有良好的推廣應用前景。關(guān)鍵詞：煤礦井下 無人值守變電所 保護監(jiān)控裝置
相對于傳統(tǒng)的繼電保護，微機保護具有明顯的優(yōu)越性。對于煤礦供電系統(tǒng)，雖然微機保護和監(jiān)控系統(tǒng)也得到了應用，但主要是針對地面供電系統(tǒng)，井下微機保護和監(jiān)控裝置應用還不多。由于井下供電網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)復雜，采區(qū)變電所和工作面配電點供電服務對象主要為采煤、掘進、運輸以及排水等主要生產(chǎn)環(huán)節(jié)，供電負荷種類繁多、區(qū)域分布廣、負荷工作場所地質(zhì)條件復雜，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井下配電裝備、應用新技術(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)，并且導致供電部門每天用于值班和線路維護的工作人員較多，降低了勞動生產(chǎn)率。因而，對井下供電系統(tǒng)實施微機保護和監(jiān)控也十分迫切。
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1 綜合保護系統(tǒng)的功能及井下常見故障分析
1.1 綜合保護系統(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)進行保護動作值整定。
·保護功能：本系統(tǒng)具有漏電保護、過載保護、短路保護、欠壓保護、斷相保護等保護功能。
·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)的保護常用故障特征量進行分析與綜合。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)負序電流，但負序電流的大小與兩相短路時不同，因此可通過判斷負序電流的大小來區(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。三相短路和過負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。過負荷通常是因為整定不當、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，否則就要進行保護。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，對過載的保護應具有反時限特性。
為了適應井下電網(wǎng)在不同負載條件下對過載保護的要求，本保護裝置可以選擇如圖1所示的7條不同的反時限過載保護特性曲線。
2 綜合保護系統(tǒng)所用算法
算法是微機保護研究的重點之一。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)劣的標準是精度和速度。人們已經(jīng)進行了大量的研究，提出了許多適用于微機保護的算法[1][2]，各種算法各有其應用價值，具體選擇哪一種算法需根據(jù)對保護功能的要求、應用場合來具體確定。
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。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。
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(如負荷波動)時不起動。此外，為提高抗干擾能力，程序設(shè)計中當有連續(xù)三次│△i(k)│≥ε時才確認有故障發(fā)生，從而保證了保護起動的準確性。
2.2 濾序算法
煤礦井下低壓電網(wǎng)中的負載大多是起動電流很大的鼠籠型電動機，這就使得保護裝置需要區(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，可以利用相敏保護原理加以區(qū)分；但對于兩相短路，相敏保護就無能為力了。這就需要利用兩相短路時出現(xiàn)的負序電流分量來檢測。此外，斷相故障也會產(chǎn)生負序電流，因而也可利用它來進行斷相故障檢測。
負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序分量的計算要飯負序分量的基本公式：
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序電流[4]。
采用負序算法輸出一般受負荷、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：一是負責將由被保護線路一次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)測量以及漏電保護等功能模塊，負責本系統(tǒng)幾乎所有的保護和監(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、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遠方通信接口，可以方便地實現(xiàn)保護定值的就地和遠方整定、監(jiān)測數(shù)據(jù)的就地和遠方實時監(jiān)測。
圖3
該系統(tǒng)總體框圖如圖2所示。
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。
該保護可應用在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)。該裝置在保護功能方面的主要特點為：
(1)采用負序保護原理對井下不對稱故障進行保護，可大大提高兩相短路保護和斷相保護的靈敏度及保護范圍。
(2)采用基于功率因數(shù)的相敏保護原理對井下低壓三相短路故障進行保護，并且可根據(jù)電網(wǎng)負荷的大小選擇不同的臨界動作曲線，以取得最佳的保護效果，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)保護參數(shù)的就地和遠方整定與操作，實現(xiàn)故障信息及故障類型的實時顯示與上傳。
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