煤礦供電系統(tǒng)線路保護裝置研究與設(shè)計

趙寧寧

（大同煤礦集團有限責(zé)任公司晉華宮礦，山西大同 037016）

0 引言

在煤礦生產(chǎn)過程中，輸電線路有著不可替代的作用[1-2]。隨著煤礦的開采，輸電線路的量和復(fù)雜程度越來越大，供電線路的安全保護問題也越發(fā)突出[3-4]。一旦電力線路存在安全隱患，將給井下安全生產(chǎn)帶來極大的事故?，F(xiàn)有的線路保護裝置是基于對線路的離線檢測并給予的保護措施，由于故障發(fā)生是瞬時性的，離線監(jiān)測與保護極易帶來安全隱患[5-7]。為此，本文設(shè)計了一套以DSP高速處理器為核心的實時保護裝置系統(tǒng)，通過對電力線路的運行狀態(tài)實時采集，給予正確的保護措施，從而實現(xiàn)煤礦供電線路的安全[8]。

1 煤礦供電系統(tǒng)線路保護特征

1.1 電力線路故障檢測特征參量

（1）絕緣電阻

絕緣電阻大小能夠反映出電力線路如絕緣水平高低、絕緣老化程度、外層是否受損等絕緣狀態(tài)特性，因此，為保證井下安全供電，其絕緣電阻值必須高于一定設(shè)定值。根據(jù)歐姆定律可知，絕緣電阻大小與泄漏電流成反比，可以通過實時檢測泄漏電流的大小對電阻值進行監(jiān)測。當(dāng)電纜發(fā)生受損受潮等不正常情況時，絕緣電阻值便會降低，導(dǎo)致泄漏電流急劇增加。根據(jù)現(xiàn)有文獻(xiàn)和井下實際對電力線路監(jiān)測的經(jīng)驗，對于10 kV電纜來說，當(dāng)絕緣電阻值超過1 000 MΩ時，表示絕緣情況良好，可以繼續(xù)使用供電線路；當(dāng)絕緣電阻值處于100～1 000 MΩ時，表示電力線路出現(xiàn)了一定程度的微弱損傷，可以短時間運行；當(dāng)絕緣電阻值低于100 MΩ時，說明電力線路受損嚴(yán)重，必須停止供電且應(yīng)立即進行更換。

（2）局部放電

電纜在實際井下運行過程中，受強電場、高磁場與外界應(yīng)力的影響，導(dǎo)致絕緣層局部損傷，在強電場和高磁場作用下便會出現(xiàn)局部放電現(xiàn)象，根據(jù)其放電位置不同可將其分為表面放電、空穴放電和點暈放電。局部放電過程伴隨擊穿與熄滅現(xiàn)象的反復(fù)出現(xiàn)，若任其發(fā)展便會嚴(yán)重?fù)舸┙^緣層。因局部放電前后電力線路的絕緣電阻值和泄漏電流值都不會發(fā)生顯著變化，所以對局部放電的監(jiān)測是根據(jù)電氣和非電氣等狀態(tài)量。其中，電氣的監(jiān)測量有絕緣介質(zhì)的損耗角正切值的變化、電脈沖以及電磁輻射等；非電氣的監(jiān)測量有化學(xué)變化和物理變化。可以假設(shè)，當(dāng)絕緣內(nèi)部A點出現(xiàn)一個氣泡，CA、CB、CC分別為氣隙的電容、完好部分介質(zhì)電容、與氣隙串聯(lián)介質(zhì)的電容，當(dāng)u=Umsinωt的電壓時，其線路系統(tǒng)的電容值與電壓分別為：

由式可知，若電壓uA達(dá)到氣隙的放電電壓臨界值uS時，此時A處便會發(fā)生放電；當(dāng)電壓uA從放電電壓uS降低后，放電火花便熄滅，完成一次放電過程。若此時外加電源電壓升高，A的電容便再次完成一次充電過程，使得該處的電壓值升高，達(dá)到放電電壓臨界值uS時，便又會進行放電，如此反復(fù)，會對電力線路造成嚴(yán)重?fù)p傷。

1.2 電力線路狀態(tài)監(jiān)測方法

（1）絕緣狀態(tài)監(jiān)測

對電力線路絕緣電阻的測量采用直流疊加法。圖1所示為直流疊加法實時檢測原理圖，該原理是利用對電流源的疊加計算電阻值。根據(jù)原理圖可將檢測分為兩部分：一是接地電壓互感器中性點處附加一個電源；二是在電纜接地的附近串聯(lián)一個電阻，通過形成回路，便可實時計算監(jiān)測電阻中流過的電流以及兩端電壓值，從而計算出絕緣電阻值。

圖1 直流疊加測電阻原理圖

（2）接地電流狀態(tài)監(jiān)測

井下電力線路不論是在正常狀態(tài)還是非正常狀態(tài)運行時，其絕緣層的接地線都會有微弱的電流信號，使用一段時間后該電流信號會發(fā)生顯著變化。例如，當(dāng)電力線路中的絕緣層有水樹枝化或者電樹枝化時，意味著介質(zhì)損耗角的正切值和電容值都變大，該變化將會使接地電流發(fā)生變化，因此可以根據(jù)接地電流的變化反映電纜絕緣水平的高低，即以此為依據(jù)評估絕緣性老化的參考標(biāo)準(zhǔn)。在實際運行中，通常利用電流傳感器將檢測的接地電流轉(zhuǎn)換為電壓信號，并對該信號進行調(diào)理、濾波與A/D轉(zhuǎn)化后，將結(jié)果送至中央處理器進行邏輯識別，從而完成對電力線路的絕緣實時監(jiān)測。需注意的是，該方法極易受到井下實際環(huán)境中各種信號的干擾，需要利用高精度的傳感器以及信號數(shù)據(jù)傳輸分析技術(shù)進行檢測。

2 保護裝置系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 系統(tǒng)總設(shè)計

保護控制裝置系統(tǒng)的硬件系統(tǒng)主要由高速數(shù)據(jù)采集單元、中央數(shù)字處理器、信號調(diào)理電路單元、邏輯控制單元、通信單元、時鐘與電源模塊、顯示單元以及保護控制裝置等組成。其中，高速數(shù)據(jù)采集單元主要用來對電力線路的數(shù)字和模擬信號進行實時采樣和存儲，并將所采集的數(shù)據(jù)經(jīng)過調(diào)理單元后送入中央處理器進行計算與處理。系統(tǒng)中的信號調(diào)理電路主要完成強弱信號的轉(zhuǎn)化與篩選，并將其調(diào)整至輸入端口所需要求。中央處理器單元的高速計算能力則對實時數(shù)據(jù)進行分析判別處理，主要完成小波變換、故障監(jiān)測、保護控制功能。圖2所示為系統(tǒng)硬件總體設(shè)計圖。

圖2 系統(tǒng)硬件總體設(shè)計圖

2.2 中央處理器選型

為完成對井下線路保護裝置的實時監(jiān)測與保護控制，考慮井下所需采集的信息與數(shù)據(jù)處理量，該保護系統(tǒng)采用DSP芯片的TMS320系列作為中央微處理單元，其芯片具有快速的數(shù)字信號處理能力、完整的總線結(jié)構(gòu)以及便利的操作指令，即方便井下保護裝置軟件系統(tǒng)編譯，也便于以后系統(tǒng)的維護和擴展開發(fā)。該系統(tǒng)采用的TMS320C55x是德州儀器公司推出的新一代低功耗高性能位定點數(shù)字信號處理器，相比C54x、C55x，既增加了總線寬度使得指令集獲取存儲位數(shù)升高至32位，又在結(jié)構(gòu)上進行優(yōu)化，使其對數(shù)據(jù)吞吐率和功耗有了進一步降低。C55x的總線增加了一條讀操作線和一條寫操作線，累加器和臨時寄存器都增加至4個，增加了1個16bit的ALU。

3 軟件系統(tǒng)設(shè)計

保護系統(tǒng)軟件程序設(shè)計采用分層化和模塊化方式進行，通過主程序?qū)ψ映绦虻恼{(diào)用實現(xiàn)。圖3所示為系統(tǒng)的主程序流程圖，開始后會對系統(tǒng)進行初始化，然后進行系統(tǒng)自檢判別是否存在故障。當(dāng)判別存在故障后進入報警和故障處理程序，若系統(tǒng)無問題則中斷便會打開，系統(tǒng)便根據(jù)采集的信息對電力系統(tǒng)進行實時監(jiān)測。通過不斷對特征量的處理與其子程序的調(diào)用，進一步判別電力線路的運行狀態(tài)，若有故障則會對保護子程序進行調(diào)用處理。

圖3 系統(tǒng)主程序

4 結(jié)束語

本文對電力線路常見故障檢測特征參量和對電力線路狀態(tài)監(jiān)測方法進行分析，設(shè)計了一套適用于井下供電線路的保護系統(tǒng)裝置。該裝置通過高精度的數(shù)據(jù)采集單元對電力線路的數(shù)據(jù)進行采集，并通過中央處理單元進行高速計算完成給與電力電路適當(dāng)?shù)谋Ｗo控制。該保護系統(tǒng)實現(xiàn)了煤礦運行穩(wěn)定，極大滿足了煤礦安全供電發(fā)展的要求。