礦用變壓器保護系統(tǒng)的改造與應(yīng)用

張 杰

（山西焦煤西山煤電官地礦機電科三電辦， 山西 太原 030002）

引言

我國當(dāng)前煤礦生產(chǎn)已經(jīng)全部進入綜采時代，主要依靠采煤機、掘進機、刮板輸送機等大型機電設(shè)備完成生產(chǎn)任務(wù)，可想而知電能對煤炭工作面的重要性。礦用變壓器的主要功能是將電網(wǎng)所提供的高電壓根據(jù)工作面機電設(shè)備的電壓等級進行降壓操作。變壓器的穩(wěn)定運行是保證工作面大型機電設(shè)備穩(wěn)定運行的基礎(chǔ)。在實際生產(chǎn)中，為了保證變壓器的穩(wěn)定運行，確保其在運行中不出現(xiàn)故障和事故，常用繼電器保護裝置實現(xiàn)對變壓器的保護[1]。近年來，隨著工作面綜采設(shè)備生產(chǎn)能力的提升、功能的不斷豐富，傳統(tǒng)繼電器保護裝置已經(jīng)無法適應(yīng)當(dāng)前綜采工作面機電設(shè)備的生產(chǎn)要求。因此，急需對礦用變壓器的繼電器保護裝置進行改造設(shè)計。

1 礦用變壓器保護系統(tǒng)現(xiàn)狀分析

本文以官地礦變電站所采用的主變繼電器保護裝置為研究對象。該變電站是供電電壓等級為6 kV。

官地礦所采用主變壓器的型號為SF7-20000/35，該變壓器所連接線路的總長度為6.6 km，擔(dān)負著礦井的供電任務(wù)。隨著官地礦綜采設(shè)備采煤能力、采煤技術(shù)以及采煤工藝的不斷進步，當(dāng)前的繼電器保護裝置存在如下問題：

1）目前，與該主變壓器相配套的高壓柜采用過電流繼電器保護裝置，其能夠?qū)崿F(xiàn)對高壓的速斷和過流保護。但是，在實際應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)繼電器保護裝置的耗能較大且控制精度較低，常出現(xiàn)機械部件卡死的現(xiàn)象，嚴(yán)重威脅高壓柜的可靠性和穩(wěn)定性，從而降低了工作面的生產(chǎn)效率[2]。

2）繼電器保護裝置的接線過于復(fù)雜，而且大部分元器件長期暴露在外，在外界環(huán)境的風(fēng)蝕、水分等影響下導(dǎo)致繼電器保護裝置的接觸點出現(xiàn)被氧化的現(xiàn)象進而出現(xiàn)接觸不良的事故發(fā)生，從而降低保護裝置的靈敏度和可靠性。

3）隨著工作面用電量和用電種類的增加，使得變壓器所需轉(zhuǎn)化電壓的等級更多，從而要求其保護裝置對電壓等級的分類越細?；诶^電器保護裝置無法對更多電壓的等級進行區(qū)分，往往導(dǎo)致實際應(yīng)用中出現(xiàn)跳閘的事故發(fā)生。

4）隨著工作面供電情況復(fù)雜程度的不斷增加，傳統(tǒng)繼電器保護裝置的靈敏度和選擇性無法滿足實際生產(chǎn)需求，無法對其配套設(shè)備進行監(jiān)測。

綜上所述，繼電器保護裝置已經(jīng)無法適應(yīng)當(dāng)前自動化水平高、產(chǎn)煤效率高、供電量和供電種類增加的現(xiàn)狀。在綜合分析當(dāng)前工業(yè)生產(chǎn)中常用的保護裝置，官地礦擬采用微機式保護系統(tǒng)實現(xiàn)對繼電器保護裝置的改造。

2 礦用變壓器保護系統(tǒng)的改造設(shè)計

2.1 礦用變壓器保護系統(tǒng)的總體改造思路

為了確保對變壓器保護系統(tǒng)改造的有效性，要求微機保護系統(tǒng)除了滿足繼電器保護裝置的功能外，要求其能夠?qū)崿F(xiàn)如下功能：瓦斯保護、電流速斷保護、縱聯(lián)差動保護、過電流保護、零序電流保護、過載保護、過勵磁保護以及非電量保護等[3]。將微機保護系統(tǒng)在主變壓器中的應(yīng)用，實現(xiàn)對繼電器保護裝置的改造，主要從硬件和軟件兩個維度闡述。

2.2 微機保護系統(tǒng)的硬件設(shè)計

2.2.1 微機保護系統(tǒng)硬件的總體設(shè)計

微機保護系統(tǒng)各個模塊采用插件式結(jié)構(gòu)組成為一體，在需求分析的基礎(chǔ)上設(shè)計如下頁圖1所示的微機保護系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)示意圖。

如圖1所示，微機保護系統(tǒng)采用雙CPU的結(jié)構(gòu)形式，一套CPU系統(tǒng)為實現(xiàn)對變壓器的主保護和后備保護功能；另一套CPU主要功能為監(jiān)控，且兩套CPU的處理器均為DSP數(shù)字處理器。其中，保護CPU能夠完成采樣模數(shù)轉(zhuǎn)換、數(shù)字濾波以及保護算法的實現(xiàn)等功能；監(jiān)控CPU主要實現(xiàn)上位機與下位機的通信（RS232和RS485）、人機界面的實現(xiàn)（液晶顯示器和鍵盤）等。

圖1 微機保護系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)示意圖

雙CPU系統(tǒng)所采用DSP數(shù)字控制器的芯片類型為TMS320LF2407。

2.2.2 信號采集電路的設(shè)計

根據(jù)采樣原理，可將采樣所得信號的類型分為直流采樣和交流采樣。其中，直流采樣的成本較大且后期維護困難，更重要的是其無法實現(xiàn)對現(xiàn)場參數(shù)的實時采集；交流采樣具有較好的實時性且后期維護方便[4]。因此微機保護系統(tǒng)對現(xiàn)場信號采用交流采樣的方式完成，其對應(yīng)的交流采樣電路設(shè)計如圖2所示。

圖2 交流采樣電路示意圖

2.2.3 開關(guān)量輸入輸出電路的設(shè)計

當(dāng)變壓器在運行中出現(xiàn)故障時，需對現(xiàn)場設(shè)備進行控制，此時微機保護系統(tǒng)將以開關(guān)量的形式進行控制。但是，并不能夠直接將開關(guān)量信號與微機進行通信，中間還需經(jīng)專用的電路轉(zhuǎn)換電路才行。為此，為微機保護系統(tǒng)與開關(guān)量的通信設(shè)計專用的轉(zhuǎn)換電路，該電路示意圖如圖3所示。

圖3 開關(guān)量轉(zhuǎn)換電路

2.3 微機保護系統(tǒng)的軟件設(shè)計

微機保護系統(tǒng)中含有雙CPU結(jié)構(gòu)，包含有保護CPU和監(jiān)控CPU。因此，需為微機保護系統(tǒng)的保護和監(jiān)控功能的程序分別進行設(shè)計。

1）保護功能的主程序設(shè)計。微機保護系統(tǒng)中保護CPU根據(jù)主程序在固定采樣周期內(nèi)進行模擬量的采集和濾波、開關(guān)控制量的采集以及設(shè)備的自檢等。通過對所采集信息和參數(shù)進行判斷后決定是否具備啟動條件，從而進入正常運行程序和故障計算程序。根據(jù)控制需求，完成對主程序流程的設(shè)計。

2）監(jiān)控功能的程序設(shè)計。微機保護系統(tǒng)中的監(jiān)控功能主要對數(shù)字控制器的運行狀態(tài)進行監(jiān)測和控制，基于該程序完成對測試結(jié)果進行分析，完成對數(shù)字控制器的參數(shù)設(shè)置、故障分析和定值操作等功能。而且，當(dāng)監(jiān)測到數(shù)字控制運行出現(xiàn)故障時基于其中斷程序?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)與DSP之間的通信[5]。

3 微機保護系統(tǒng)的應(yīng)用效果分析

為驗證微機保護系統(tǒng)在礦用變壓器保護功能的性能，著重對保護系統(tǒng)中的速斷保護性能進行驗證。速度保護性能為當(dāng)變壓器電流超過其整定值時，對其進行速斷操作。針對速斷性能驗證結(jié)果如表1所示。

表1 微機保護系統(tǒng)速斷保護性能驗證結(jié)果

如表1所示，微機保護系統(tǒng)速斷的實際電流值與整定電流值之間的誤差均小于3%，滿足《煤炭安全規(guī)程》的要求，即證明所設(shè)計微機保護系統(tǒng)的有效性。

4 結(jié)語

變壓器作為煤礦生產(chǎn)的關(guān)鍵設(shè)備，其運行的穩(wěn)定性和可靠性直接決定著綜采機電設(shè)備運行的穩(wěn)定性，進而決定工作面煤炭的生產(chǎn)效率。隨著工作面供電量以及供電電壓種類的增加，加之其供電系統(tǒng)的復(fù)雜性對其保護系統(tǒng)提出了更高的要求和挑戰(zhàn)。本文針對官地礦繼電器保護系統(tǒng)采用微機保護系統(tǒng)對其進行改造。經(jīng)實踐表明，微機保護系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對礦用變壓器的有效保護。