煤礦井下采區(qū)無人值守變電所微機(jī)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(shí)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(duì)井下采區(qū)變電所的微機(jī)綜合保護(hù)、監(jiān)控裝置，給出了具體實(shí)現(xiàn)方案。實(shí)踐證明，該裝置經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益顯著，具有良好的推廣應(yīng)用前景。

相對(duì)于傳統(tǒng)的繼電保護(hù)，微機(jī)保護(hù)具有明顯的優(yōu)越性。對(duì)于煤礦供電系統(tǒng)，雖然微機(jī)保護(hù)和監(jiān)控系統(tǒng)也得到了應(yīng)用，但主要是針對(duì)地面供電系統(tǒng)，井下微機(jī)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(diǎn)供電服務(wù)對(duì)象主要為采煤、掘進(jìn)、運(yùn)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(yùn)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(shí)，不斷強(qiáng)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(shí)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(dòng)生產(chǎn)率。因而，對(duì)井下供電系統(tǒng)實(shí)施微機(jī)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(shí)驗(yàn)按鈕狀態(tài)。遙控是指本系統(tǒng)能對(duì)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(jī)對(duì)饋電開關(guān)進(jìn)行保護(hù)動(dòng)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(duì)低壓饋電線路絕緣狀況進(jìn)行實(shí)時(shí)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(shí)，本系統(tǒng)在上位機(jī)或下位機(jī)均可記憶故障發(fā)生的時(shí)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(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)通信。

·現(xiàn)場顯示功能：每個(gè)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(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(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(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：

Ioi=3U0(1/r+jwc) (1)

式（1）中：r和C分別為各支路每相對(duì)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απ/2,當(dāng)r=∞時(shí)，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(shí)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(duì)稱性故障和不正常運(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，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?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)備的運(yùn)行溫度沒有超過其允許升溫，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載能力，時(shí)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(shí)間過熱而造成損壞，對(duì)過載的保護(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[1][2]，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(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(shí)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)