礦用移動變電站低壓饋電開關(guān)測控系統(tǒng)設(shè)計

韓志勇

摘要：為提高煤礦低壓供電系統(tǒng)的可靠性，避免測控系統(tǒng)的誤動作，設(shè)計了一種適用于井下低壓饋電開關(guān)的測控裝置。介紹了采區(qū)低壓供電系統(tǒng)的供電方式和真空饋電開關(guān)的結(jié)構(gòu)和工作原理，分析了測控系統(tǒng)保護(hù)原理，給出了基于雙DSP結(jié)構(gòu)的測控系統(tǒng)軟件設(shè)計方案，分別設(shè)計了測控DSP軟件和管DSP軟件。試驗和應(yīng)用結(jié)果表明該測控裝置數(shù)據(jù)準(zhǔn)確，可靠性高，達(dá)到了設(shè)計要求。

關(guān)鍵詞：饋電開關(guān);微機(jī)控制;移動變電站

中圖分類號：TM76 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1009—9492（2021）03—0189—03

0引言

近些年來，隨著煤礦井下生產(chǎn)設(shè)備容量的增大及采掘范圍的擴(kuò)大，煤礦井下供電系統(tǒng)的供電容量和供電距離逐漸提高。另一方面，井下環(huán)境潮濕且空氣中含有瓦斯、煤塵等易燃易爆物質(zhì)，極易誘發(fā)短路等故障，井下配電系統(tǒng)的安全性和可靠性受到了挑戰(zhàn)。作為井下饋電線路的主保護(hù)，移動變電站真空防爆饋電開關(guān)測控系統(tǒng)顯得至關(guān)重要，測控系統(tǒng)從傳統(tǒng)的保護(hù)裝置發(fā)展為現(xiàn)在以單片機(jī)、數(shù)字信號處理器和嵌入式控制器為核心的微機(jī)保護(hù)。目前我國大部分測控裝置存在靈敏度和保護(hù)范圍相互制約的缺點，動作整定復(fù)雜。本文研究了一種基于雙DSP結(jié)構(gòu)的低壓真空饋電開關(guān)測控系統(tǒng)，試驗和應(yīng)用結(jié)果表明該測控裝置數(shù)據(jù)準(zhǔn)確，可靠性高，達(dá)到了設(shè)計要求。

1移動變電站饋電開關(guān)

采區(qū)變電所的位置一般是固定的，其通過高壓電纜和高壓開關(guān)向各移動變電站供電，井下電網(wǎng)結(jié)構(gòu)呈放射狀，10 kV或6kV高壓電經(jīng)移動變壓器降壓后，向總饋電開關(guān)K0和各分饋電開關(guān)K1、K2、K3配電，分別向采煤機(jī)、掘進(jìn)機(jī)、運(yùn)輸機(jī)配電，移動變電站饋電開關(guān)系統(tǒng)圖如圖1所示。

從圖1可以看出，饋電開關(guān)是整個井下供電系統(tǒng)的重要組成設(shè)備，當(dāng)饋電線路或各用電設(shè)備發(fā)生過載、漏電、短路和欠壓等故障的情況時，饋電開關(guān)起到切除故障設(shè)備、隔離故障點，避免故障擴(kuò)大發(fā)生爆炸、火災(zāi)等嚴(yán)重安全事件的作用。一套真空饋電開關(guān)及其測控系統(tǒng)可分為主電路、控制電路和保護(hù)電路：主電路包括斷路器真空管及其連接負(fù)荷側(cè)和電源側(cè)的導(dǎo)電銅牌，額定電流為630 A，額定電壓為1140V;控制電路包括組合開關(guān)、輔助觸點、繼電器線圈等，當(dāng)檢測到故障時，控制電路能夠在規(guī)定時間內(nèi)驅(qū)動斷路器跳閘，控制回路的電源由主電路經(jīng)降壓變壓器和整流器變換后提供，無需外接電源;保護(hù)電路指的是以DSP為核心的綜合保護(hù)裝置，其功能為故障檢測、數(shù)據(jù)存儲和遠(yuǎn)方通信等。

2保護(hù)原理

根據(jù)《煤礦安全規(guī)程》相關(guān)規(guī)定和井下低壓電網(wǎng)的故障特征，饋電開關(guān)測控系統(tǒng)需要具備的基本保護(hù)功能有過流保護(hù)、短路保護(hù)、漏電保護(hù)和欠壓保護(hù)等?？傪侂婇_關(guān)測控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示，主電路高電壓、大電流經(jīng)電流互感器和降壓變壓器轉(zhuǎn)換為信號采樣電路的低電壓、小電流信號，信號處理模塊接收采樣電路的輸出信號后，對此時饋電開關(guān)的狀態(tài)進(jìn)行判斷，如果發(fā)生故障，向驅(qū)動發(fā)出跳閘信號，操作機(jī)構(gòu)動作，跳開總饋電開關(guān)，并通過指示燈和蜂鳴器發(fā)出聲光報警。具體原理如下。

（1）過流保護(hù)。過流保護(hù)又稱為過載保護(hù)，指的是電網(wǎng)長期運(yùn)行在額定電流以上，電纜、開關(guān)或用電設(shè)備會不斷積累熱量而觸發(fā)的保護(hù)動作。一方面，由于流過饋電開關(guān)的電流變化較大;另一方面，電氣設(shè)備熱量的積累為緩慢的過程，所以過流保護(hù)的設(shè)計要考慮熱量累計效應(yīng)。過流保護(hù)的原理：檢測流過總饋電開關(guān)電流的幅值，如果被測電流大于額定電流，則在一定時間內(nèi)動作跳閘，采用反時限原理，動作時間與過載倍數(shù)呈反比。本文設(shè)計的過載保護(hù)特性：過載1.2倍的動作時間為25 min，過載1.5倍的動作時間為3min，過載2倍的動作時間為90s，過載4倍的動作時間為45s，過載6倍的動作時間為8s。

（2）短路保護(hù)。由于井下環(huán)境潮濕、絕緣損傷等原因，井下低壓系統(tǒng)的不等電位會發(fā)生短接。短路保護(hù)分為對稱短路和不對稱短路，三相短路發(fā)生時三相電流急劇增大，這是最嚴(yán)重的短路狀態(tài)，因此要求保護(hù)裝置立即動作，三相短路的故障特征為三相對稱且功率因數(shù)高，考慮到保護(hù)范圍和保護(hù)靈敏度要求，三相短路采用相敏保護(hù)原理。兩相短路、單向斷線和單相接地均屬不對稱短路，不對稱短路的故障特征是故障電流中存在負(fù)序電流和零序電流，因此采用負(fù)序保護(hù)原理。

（3）漏電保護(hù)。井下低壓系統(tǒng)的電纜容易發(fā)生單相接地或漏電故障，極易發(fā)生人身觸電和瓦斯爆炸?！睹旱V安全規(guī)程》規(guī)定：不允許井下配電變壓器中性點接地運(yùn)行，因此漏電保護(hù)針對中性點絕緣系統(tǒng)。漏電保護(hù)采用附加直流電源檢測原理，在電網(wǎng)與地之間附加一個恒定的直流電壓源，當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生不同類型的漏電故障時，直接反映在三相絕緣電阻并聯(lián)值上，進(jìn)而反映在直流電流，的變化上，漏電保護(hù)的原理如圖3所示。

（4）欠壓保護(hù)。當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)短路時，供電電壓會出現(xiàn)暫降，欠壓時系統(tǒng)重載會引起過電流或者電機(jī)處于持續(xù)啟動階段，導(dǎo)致電流沖擊電源和用電設(shè)備，因此電壓跌落幅度達(dá)到額定電壓的25%以上，要求在規(guī)定時間內(nèi)欠壓保護(hù)動作跳閘。欠壓保護(hù)的檢測原理：電壓互感器二次側(cè)電壓整流為直流電壓，經(jīng)濾波后作為控制器輸入信號，此直流電壓信號與主電路交流電壓有效值成正比，比較直流電壓信號與值，如果低于給定值75%，則發(fā)出動作跳閘信號。

3系統(tǒng)軟件功能模塊

測控系統(tǒng)軟件框架如圖4所示，根據(jù)兩個不同控制器功能劃分，分為測控DSP軟件和管理DSP軟件兩部分。測控DSP軟件的功能以數(shù)據(jù)采集和處理為主，包括測控主程序模塊、自檢模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、算法模塊和數(shù)據(jù)交換模塊。管理DSP軟件的功能以人機(jī)交互和通訊為主，包括管理主程序模塊、液晶屏顯示模塊、通訊模塊、鍵盤管理模塊、時鐘模塊和數(shù)據(jù)交換模塊。

保護(hù)原理的軟件實現(xiàn)是整個軟件部分的核心程序，圖5所示為漏電保護(hù)和負(fù)序保護(hù)流程圖。漏電保護(hù)程序開始后，讀取零序電流，將其移相90°，計算有功功率P，若有功功率為正，則發(fā)出“漏電故障”信號。負(fù)序保護(hù)程序開始后，計算負(fù)序電流I，若I大于，I，則發(fā)出“不平衡故障”信號。

4試驗結(jié)果及應(yīng)用分析

對真空饋電開關(guān)測控系統(tǒng)進(jìn)行了斷相故障、短路故障和過載故障試驗。試驗饋電開關(guān)的額定電流為180A，通過負(fù)序信號250A模擬斷相故障，通過升流器給定10倍額定電流模擬短路故障，過載故障同樣通過升流器實現(xiàn)，故障試驗數(shù)據(jù)如表1所示，通過規(guī)定動作時間和試驗跳閘時間比較可知，該測控系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)短線、短路和過載的保護(hù)。

經(jīng)過實際運(yùn)行一段時間，本系統(tǒng)能夠發(fā)揮微機(jī)保護(hù)動作可靠、性能穩(wěn)定的優(yōu)點，過載故障發(fā)生時，動作延時符合要求，避免了熱量積累效應(yīng)。短路故障發(fā)生時動作靈敏，漏電保護(hù)迅速可靠，提高了井下低壓供電系統(tǒng)的安全性和可靠性。

5結(jié)束語

礦用移動變電站低壓真空饋電開關(guān)測控系統(tǒng)控制板采用雙DSP控制器結(jié)構(gòu)，軟件設(shè)計時將測控系統(tǒng)和管理系統(tǒng)分別開發(fā)，提高了系統(tǒng)軟硬件的開發(fā)和維護(hù)效率，將本裝置應(yīng)用于井下低壓供電系統(tǒng)，能夠?qū)^載、短路、漏電和欠壓進(jìn)行動作保護(hù)，各類故障判斷準(zhǔn)確，動作時間符合要求，提高了井下低壓供電系統(tǒng)的安全性和可靠性。