礦用組合開關(guān)電流保護的研究

侯林

（中國煤炭科工集團太原研究院，山西 太原 030006）

1 引言

在煤礦采掘工作面，由電氣系統(tǒng)引起的故障危害較大，它不僅直接影響人身安全，還會形成相間短路等故障引發(fā)瓦斯和煤塵的爆炸，嚴重影響著煤礦的安全生產(chǎn)。

在礦井供電系統(tǒng)中，電流保護包括三相短路故障保護、兩相短路故障保護、斷相故障保護和不正常運行狀態(tài)（過載）保護四個部分。其中，三相短路和過載故障屬于對稱電流故障，兩相短路和斷相故障屬于不對稱電流故障。本文主要闡述了一種在礦用組合開關(guān)上適用的電流保護設(shè)計。

2 采樣方式的選擇

對各種電量的采集主要有兩種途徑:①利用各類模擬儀表，直接或者間接地獲取電量；②根據(jù)采樣定理，對連續(xù)時間信號做等間隔抽樣，并進行數(shù)字化處理，來獲取電量。對于前者，利用儀器儀表來采集電量，采集的準確度比較高，工作可靠，但存在重大缺陷:采集成本較高，采集實時性差，依靠人力，將無法在同一時刻對多個變化的電量進行采集。所以，目前多是采用采樣計算式的方法來獲取電量。根據(jù)采樣信號的不同，實現(xiàn)后者又有兩種方法:直流采樣法和交流采樣法。

2.1 直流采樣法

直流采樣法是指將現(xiàn)場不斷變化的模擬量先轉(zhuǎn)換成直流電壓信號，再送至A/D轉(zhuǎn)換器進行轉(zhuǎn)換，即將各種交流電量，通過降壓、整流、濾波、非線性校準等各種電子電路變?yōu)橄鄳?yīng)大小的直流電量，然后對直流量進行采樣和A/D轉(zhuǎn)換。

直流采樣的主要特點:

（1）直流采樣對A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換速率要求不高，軟件算法簡單。只要將采樣結(jié)果乘上相應(yīng)的標度系數(shù)便可得到電流、電壓的有效值，但不能得到其它的電參數(shù)，比如功率因數(shù)、有功功率等，從而不能有效地實現(xiàn)相敏保護和分析所控制的采掘設(shè)備工作狀況；

（2）直流采樣輸入回路，要濾去整流后的紋波，往往采用R－C濾波電路，因此其時間常數(shù)較大（一般幾十ms～幾百ms），采樣結(jié)果實時性差，而且無法反映被測模擬量的波形。

2.2 交流采樣法

交流采樣法是一種直接針對交流電量進行采樣的方法。按照采樣定理，一個限帶連續(xù)模擬信號xa（t），其頻譜的最高頻率為F0，對它進行等間隔采樣而得離散時間信號x（n），則只有在采樣頻率Fs＞2F0時，x（n）就可準確地恢復(fù)成xa（t）。依照其原理，設(shè)定一個等間隔采樣的時間間隔，即為采樣周期T，其倒數(shù)為采樣頻率，它的值必須大于被采樣的模擬信號頻譜中最高頻率的兩倍，用這樣的采樣頻率對被測交流信號的瞬時值進行直接采樣，然后采用一定的算法，對采集所得交流電量進行數(shù)據(jù)分析，獲得被測量，經(jīng)過這樣的處理才不會發(fā)生頻譜混疊效應(yīng)，才使離散時間信號x（n）能夠比較準確地表示原模擬信號xa（t），從而可以保證原模擬量信號中的主要信息不會被丟掉，測量的結(jié)果才是可信的。由于在數(shù)據(jù)采集過程中等間隔采集交流量的瞬時值，因此，借助于各種交流采樣算法，可以很方便地獲得每個瞬時值的大小和相位，以及交流值的幅值、相位，那么，其他有關(guān)電參量也可順利求得。交流采樣的主要特點為:

（1）實時性好。它能避免直流采樣中整流、濾波環(huán)節(jié)的時間常數(shù)大的影響，因此在微機保護中適宜采用交流采樣。

（2）能反映原來電流、電壓的實際波形，便于對被測量的結(jié)果進行波形分析，因此在需要分析的場合，必須采用交流采樣。

（3）對A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換速率和采樣保持器的要求較高。為了保證測量精度，一個周期內(nèi)必須保證有足夠的采樣點數(shù)，因此要求A/D轉(zhuǎn)換器要有足夠的轉(zhuǎn)換速率。

（4）測量準確性不僅取決于模擬量輸入通道的硬件，而且還取決于軟件算法，因此采樣和計算程序相對復(fù)雜。

由于交流采樣實時性好，直接對原始信號進行采樣，最大限度地保留了原信號的一些特征，而且現(xiàn)在大規(guī)模集成電路的技術(shù)大大地提高了A/D轉(zhuǎn)換的速率以及各種成熟算法的推出，使交流采樣得到了廣泛的應(yīng)用。因此在本文中，采用了交流采樣方式，用倍福的電力測量模塊KL3403實現(xiàn)了交流采樣。

KL3403是一種基于倍福I/O系統(tǒng)的新型三相電力線測量總線端子，它使得電量測量和保護可以用于任何現(xiàn)場總線系統(tǒng)。KL3403的預(yù)處理在過程映像中直接提供均方根值，在控制器上無需高計算能力，由均方根值計算出的電壓、電流、有效功率、功率因數(shù)功耗以及視在功率，其中電流的測量范圍最大為1A，精度為0.001A；電壓的測量范圍最大為500V，精度為0.1V。

KL3403采用均方根算法，根據(jù)連續(xù)周期交流信號的有效值及平均功率的定義，將連續(xù)信號離散化，用數(shù)值積分代替連續(xù)積分，以離散點數(shù)據(jù)擬合連續(xù)周期性變化的信號，從而導(dǎo)出有效值（或平均值）與采樣值之間的關(guān)系式。均方根算法中己考慮了諧波分量在有效值中的成分。

該算法已經(jīng)考慮諧波分量在有效值中的成分，計算公式如下:

式中，U、I分別為電壓、電流的有效值；Ui（n）、Ii（n）分別為輸入電壓、電流的等間隔采樣值；N為采樣點數(shù)。

3 短路保護

短路是指供電系統(tǒng)中不等電位的導(dǎo)體在電氣上被短接，各種類型的短路故障是煤礦井下最常見的故障之一。

短路故障發(fā)生的原因主要是由于電氣設(shè)備載流部分絕緣損壞。絕緣損壞是由于絕緣老化、過電壓、機械損傷等原因造成的。如井下礦車出軌砸擠電纜而引起的短路；其他如操作人員帶負荷拉隔離開關(guān)、檢修后未拆除接地線就送電等誤操作，都有可能引發(fā)短路故障；漏電故障發(fā)生后，如果漏電保護裝置拒動，長時間的漏電故障也可能發(fā)展為相間短路。

（1）煤礦井下開關(guān)過流保護裝置電流整定值計算

式中:IZ為過流保護裝置的電流整定值；IQe容量最大電動機額定起動電流；Kx為需用系數(shù)，取0.5～1；ΣIe為其余電動機額定電流之和。

（2）短路保護裝置的整定電流計算

式中，Id為保護裝置保護范圍最遠點的兩相短路電流；Ue為變壓器二次側(cè)的額定電壓；ΣR為短路回路內(nèi)一相電阻值之和；ΣX為短路回路內(nèi)一相電抗值之和。

保護裝置動作的可靠性檢驗:

（3）整定計算遇到的問題

隨著采煤技術(shù)的發(fā)展及高產(chǎn)高效工作面增多，采煤機械設(shè)備的功率越來越大，如采煤機、刮板輸送機及帶式輸送機的功率已達到了1000kW以上，同時工作面的走向也達到1～2km，給采掘工作面的開關(guān)設(shè)計帶來了一定的難度。由于設(shè)備功率增加，起動電流隨著增大，因而使短路保護電流動作值的整定產(chǎn)生了困難。若整定值過小，電機起動時，造成保護誤動；若整定值過大，電網(wǎng)末端短路時保護拒動。同時，供電距離的增加，線路阻抗隨之增加，最小兩相短路電流隨之減小，也使動作靈敏系數(shù)減小，短路保護裝置不能可靠動作。

由此可見，僅以電流大小來區(qū)分電動機的起動與短路電流是困難的。目前常采取的主要方法有:一是采用8s可返回的方法。即在起動時如電流能在8s之內(nèi)降下來，則認為是正常的起動過程；如8s之內(nèi)沒有降下來，則認為是發(fā)生了短路故障，這種方法不能滿足起動時發(fā)生短路的動作時限要求。另一種方法是采用在起動時設(shè)置一高比較值，而在起動后比較值降低，從而來區(qū)分滿足起動的要求，這種方法也有不妥之處，例如，在起動的時候發(fā)生短路就無法保護。

（4）相敏保護的實現(xiàn)

隨著近年來的研究發(fā)現(xiàn)，鼠籠型電動機起動時的電流雖然大，但起動時的功率因數(shù)卻較低，一般在0.35～0.45左右，而在井下低壓供電系統(tǒng)最末端，其短路時功率因數(shù)卻較高，接近于1。由此可見，同樣出現(xiàn)峰值電流，但功率因數(shù)明顯不同，這樣通過檢測電流信號幅值大小和系統(tǒng)電壓、電流的相位差即功率因數(shù)，就可以有效的將起動電流與短路電流區(qū)分開來，短路保護可靠性得到提高，這就是相敏保護的基本原理。

采用幅值與相位檢測相結(jié)合的保護方式，取樣信號:

式中，u為保護裝置的取樣信號；I為電流信號；cosφ為功率因數(shù)。

式中，u為常數(shù)，I*為線路中實際電流與額定電流的比值，cosφ為功率因數(shù)。當I*與cosφ的乘積大于u時，就可以斷定線路發(fā)生了短路故障。通過對u選擇不同的值，就可以得到不同的臨界動作曲線。

另外，當供電線路近端發(fā)生短路時，即電流超過8倍時，此時不需要對功率因數(shù)進行檢測，即可斷定線路發(fā)生了短路故障。

4 斷相保護

三相異步電動機運轉(zhuǎn)中電源一相斷線，使電動機在受到嚴重不對稱電壓的作用下運行，稱為斷相運行。發(fā)生斷相運行時在噪音很大的車間或井下難以辨別電動機是否正常運轉(zhuǎn)，由于沒有足夠的重視，常常致使電動機燒毀。據(jù)統(tǒng)計由于斷相運行使電動機燒毀事故約占電機燒毀事故的70%，因此有必要對斷相運行進行理論分析以引起對斷相運行的重視，進而設(shè)置有效的保護裝置。

發(fā)生斷相故障主要有以下五種原因:

①星星接法三相異步電動機電源一相或繞組一相斷開；

②三角形接法三相異步電動機電源一線斷開；

③三角形接法三相異步電動機繞組一相斷開；

④供電電源變壓器原邊一相斷開；

⑤多臺三相異步電動機公用供電母線斷開。

4.1 起動前斷相

三相供電導(dǎo)線之一在電動機起動前斷開時，合閘后電動機接在單相電源上。

（1）電動機星形接法一相斷開

圖1 電動機星形連結(jié)電源一相斷開

如圖1所示，此時兩相繞組串聯(lián)后接到線電壓上，假設(shè)每相阻抗為Zφ，則斷相后的電流

三相對稱運行時，相電壓Uφ與線電壓UX的關(guān)系

于是可得電流

可見，斷相后起動電機，星形連接電動機的線電流IS約是三相運行時起動電流IS3的87%，斷相電流很大，且線電流的相位差為180°。

（2）供電變壓器接法為Y/Δ，電動機接法為Y時一相斷開

供電變壓器原邊一相斷開，則副邊一相沒有電壓。假定C相斷開，

此時Uca=0。原邊由于兩相繞組串聯(lián)后接到線電壓上，每相電壓是電源電壓的一半，如圖1所示。此時，線電壓

式中，Uφ3為三相狀態(tài)下副邊的額定線電壓。

變壓器的副邊仍存在上述關(guān)系，因此

式中，UN為三相狀態(tài)下副邊額定線電壓。

變壓器副邊b相的電流

斷相時線電流等于三相起動時線電流，其他兩相電流是Ib的一半，即:

當供電變壓器為Δ/Y聯(lián)接時，情況與此相同。

圖2 供電變壓器原邊一相斷開

4.2 運行中斷相

電動機運行中發(fā)生斷相時，電流大小與電動機負載大小有關(guān)。

（1）定子繞組星形聯(lián)接電源一相斷開

這種情況下，兩相繞組串聯(lián)后接在線電壓上。以Iφd、IXd、cosφd和ηd分別表示斷相運行時的相電流、線電流、電動機的功率因數(shù)和效率，可得斷相運行時的輸出功率:

三相運行時的輸出功率:

若輸出保持三相狀態(tài)下負荷不變，則斷相運行時的線電流:

斷相運行時，由于有負序電流，電動機的功率因數(shù)和效率均明顯下降。若取 cosφd=0.9cosφ3，ηd=0.87η3，由此可算出斷相運行時的線電流IXd=1.2Iφ3。

（2）供電變壓器接法為Y/Δ，電動機接法為Y時一相斷線

變壓器原邊一相斷開時如圖所示。由于原邊是兩相繞組串聯(lián)后接在線電壓上，所以副邊電壓下降到額定電壓的0.866倍。而且副邊輸出單相電壓Uab=Ucb。這時對電動機來說，其等效電路如圖3所示。

圖3 變壓器原邊一相斷開時電動機等效電路

斷相運行時的輸出功率可表示為:

當負荷保持不變時，斷相后的線電流為:

由上面的分析計算可知，斷相故障發(fā)生后，斷相電流最小值為額定電流的1.2倍，尤其是起動前發(fā)生斷相，斷相電流更大，接近電動機的起動電流，此時由于繞組中電流產(chǎn)生的磁場不是三相正弦磁場，電動機將無法起動，繞組中將一直流過起動電流，因此必須對電動機的斷相故障進行保護。從以上分析可見，斷相故障發(fā)生后，最大的特點是流過電動機的三相電流不對稱，且電流比較大和線電流相位差接近180°。

5 過載保護

電動機在井下工作過程中，經(jīng)常會發(fā)生電動機的實際負載超過其額定負載的情況，即過載。電動機在過載狀態(tài)下運行時，繞組溫度升高，長期運行在此狀態(tài)，繞組絕緣會逐漸老化，直至擊穿，造成電動機燒毀。因此必須對運行在過載狀態(tài)下的電動機加以保護，即所謂的過載保護。

電動機過載時，其溫升時間與電動機的過載倍數(shù)有關(guān)，不同倍數(shù)的過載電流，達到允許溫升的時間也不相同，從電動機過載開始，到電動機達到允許溫升的時間稱為電動機的允許過載時間，允許過載時間與電動機過載倍數(shù)的關(guān)系稱之為允許過載特性，過載反時限特性如圖4所示。

圖4 過載反時限特性曲線

6 結(jié)語

本文設(shè)計的礦用組合開關(guān)的電流保護，采用了交流采樣的方式，在進行各種電流故障保護的同時，采用幅值和相位相結(jié)合的方式，提高了系統(tǒng)的安全和可靠性，經(jīng)過在井下的實際運行，該種保護方式性能穩(wěn)定，維護方便，工作可靠，是煤礦井下采掘工作面電氣產(chǎn)品的理想保護系統(tǒng)。

［1］黃靜波，牟龍華.礦用組合開關(guān)主控單元的設(shè)計［J］.工礦自動化，2007（2）:74－77.

［2］Beckhoff產(chǎn)品手冊［Z］.