矿用架线机车直流馈线的微机保护毕业设计.doc

矿用架线机车直流馈线的微机保护摘 要架线式直流电机车一直是我国煤矿、金属矿山井上井下广泛使用的运输工具，尤其在低瓦斯矿井应用更是普遍。我国煤矿安全规程规定架线电机车使用的直流电压不得超过600V。目前所用牵引电动机的供电电压一般为250v、550v两种，牵引网路主要由馈电线、接触线和回流线三部分组成。结合国内煤矿直流架线牵引馈电网络的特点，对矿用直流架线远端短路保护的难点进行了分析。在深入研究基于电流变化量的直流馈电短路保护工作原理基础上，设计了直流架线馈线微机保护装置的总体框图，并给出了基于电流上升率保护和电流增量保护算法的直流馈线短路保护软件流程。关键词：直流架线 馈线保护 电流上升率 短路保护Microcomputer-based Protection for Mining DC Trolley NetworkAbstract: The features of mining DC Trolley network and the difficulties of remote short-circuit protection are analyzed. Based on the study of the principle of “didt + I” for remote short-circuit protection，the general block diagram of the microcomputer-based protection device for mining DC trolley network is given, and the software flow chart is also given, which is based on the rise rate of current (di/dt protection) and the increment of current (I protection) for the short-circuit protection of DC trolley network.Key words：DC Trolley Network，feeder protection，rise rate of current，short-circuit protection,目 录摘要1 目录2 序言31 直流牵引馈电网络特点及短路保护 6 2 电流变化量保护 8 2.1 电流上升率保护 8 2.2电流上升率保护+电流增量保护83矿用架线机车直流馈线的微机保护装置10 4矿用架线机车安全使用规则125 结束语 14参考文献 15致谢 16 矿用架线机车直流馈线的微机保护序言凤凰山煤矿是晋城煤业集团下属的1对生产矿井。位于山西省晋城市城区北石店镇境内。始建于1965年，原设计能力150万吨/年。1984年改扩建后达到400万吨/年，2004年矿井核定能力为400万吨/年，现核定能力为400万吨/年，为低瓦斯矿井，当前开采9#、15#煤层。截止2011年5月底，全矿现有职工4419人，其中井下职工2095人。架线式直流电机车一直是我国煤矿、金属矿山井上井下广泛使用的运输工具，尤其在低瓦斯矿井应用更是普遍。我国煤矿安全规程规定架线电机车使用的直流电压不得超过600V。目前所用牵引电动机的供电电压一般为250v、550v两种，牵引网路主要由馈电线、接触线和回流线三部分组成。如图l所示，我国目前普遍使用的直流架线电网系统由不可控二极管整流桥将交流电变为直流电，通过架设在运输轨道上的架空线，向牵引电机车供电，经轨道回到变流所，构成整个电流回路。采用二极管或可控硅等传统方式整流的牵引机车整流器在我国煤矿大量应用，此装置不仅缺少漏电保护、且经常误动作给煤矿的正常生产带来了不便也给安全生产带来了隐患。我们根据这一现象，提出了基于附加直流脉冲电源的煤矿直流架线系统漏电保护原理，基于此原理制作的样机集整流和漏电保护功能于一体；同时，为了解决直流架线由于供电距离过长，无法识别远距离短路电流和近端机车启动电流，采用针对直流牵引系统馈线短路故障最重要的保护方法是利用电流上升率(di/ dt)保护和电流增量(I)保护，通过两种保护的配合，区分正常的负荷电流和短路故障电流达到有效减少频繁跳闸次数；项目并实现了架线电压稳定输出和瓦斯闭锁控制；采用数字化控制，并有故障记忆和存储功能。有望成为当前煤矿直流架线机车整流器的新一代替代装置。凤凰山矿原有架线整流电源两套（四台，一用一备），为架线机车供电。当前存在的主要问题是：1，架线整流电源输出没有稳压措施，常常导致电压输出超过600V，根据煤矿安全规程规定，井下运行的架线电源禁止超过600V，因此需要改进；2，井下机车满负荷运行时，额定电流在400A左右，但是由于架线距离较长，大约5500米左右，因此导致在最远端短路时，短路电流小于400A，因此不能有效实现短路保护，为了解决能可靠实现短路保护，将短路电流保护值设定在350A，所以出现了频繁跳闸等问题，有时往往一个班出现四五十次过流保护；3，架线整流电源没有漏电保护，且有些架线高度在1.9米左右，一旦出现人员触电，不可避免导致人员伤亡事故发生，而且该问题也是我国架线整流电源供电普遍存在的问题。4，缺乏瓦斯监测与整流电源联动装置，机车运行时不可避免在架线上摩擦出现火花，如果此处瓦斯浓度超限，很可能导致瓦斯爆炸事故，该类事故在我国曾经发生过，因此需要通过检测瓦斯浓度，一旦当瓦斯浓度超限，应能切断整流电源的供电。为了防止人身触电，国内外当前主要采取的措施是：保护屏障法，架线电网区段化法，双架线供电法和漏电保护法。前三种方法存在明显缺点，均需要改变电网运行状态，基建费用高，在国外有所应用，在国内应用甚少。漏电保护法在国内曾经开展的单位有中国矿业大学、煤科总院抚顺分院、枣庄矿务局等单位。中国矿业大学和煤科总院抚顺分院主要是利用附加中频交流电源检测系统漏电状况，也称作交流漏电保护法，这两个单位也都曾经做出样机并在现场进行了工业运行试验，证明这种方法理论上是可行的。但具体实施过程中，架线电网的分布电容、分布电阻、分布电感、分布泄漏电导参数严重影响了系统的可靠性，影响了该方法的实施效果。学习的目的在于应用，创作的熟练为自于实践。显然，做设计是提高每位同学的自身能力的最佳时机。因此，为使自己得到一次较好的锻炼机会，我决心认真做好毕业设计。但因缺乏设计经验，难免漏洞百出，还恳请老师给予教导。 虽然有许多文献对我国城市轻轨和地铁的直流牵引系统微机保护进行了深入研究，但目前我国城市轻轨和地铁所采用的直流保护技术和设备主要来自国外1。而对于矿用架线机车直流馈线的微机保护，目前国内直流牵引架线供电大多数产品仅限于一般的过流保护。文献2-4对矿用架线机车直流馈线的漏电保护方法进行了研究。但对于矿用机车直流馈线非金属性短路电流，尤其是电弧性短路电流故障特征的研究仍属于空白。因此研究矿用直流牵引系统的保护技术，将对我国煤矿安全生产具有重要的意义。图1 矿用直流架线牵引网络示意图 1-牵引变电所；2-馈电线；3-馈电点；4-接触线；5-轨道（回流线）；6-回流点；7-回流线1直流牵引馈电网络特点及短路保护直流牵引馈电网络的故障形式主要有短路故障、过负荷故障、过压故障、漏电故障等，其中最常见、危害最大的是短路故障。而短路故障点离牵引变电所的距离对短路电流的特性有较大的影响。一般来说，近端短路故障电流上升速率很快，峰值也高；而远端由于受架线分布式参数(架线分布电阻R、分布电感L、分布电导G、分布电容C)的影响，其短路故障电流上升的速率比近端的要慢，峰值也将变小，如图2所示5。远端非金属短路电流甚至与机车启动时的电流瞬时峰值相近。所以，远端短路故障电流与机车启动电流的区分是直流短路保护的难点。图2 直流牵引馈电网近/远端短路电流特性示意图架线机车直流馈线的微机保护，是以微处理器为控制核心，在线检测馈线网络负荷电流，根据电流的变化，判断过负荷和短路情况。要求在达到最大短路电流之前检测出短路的发生，启动相应的保护，切除故障回路，保护供电设备的安全。对于矿用直流馈电系统来说，负荷及短路电流的大小和变化情况比较复杂：正常负荷电流幅值大小及最大变化速率，与机车类型以及牵引位置不同而各不相同，其负荷电流的最大变化率一般在机车起动时刻。短路电流幅值大小、变化率和上升时间常数，也与短路点距离变电所的远近不同，短路类型的不同而各不相同。因此实现直流馈电保护的关键是能迅速区分牵引电流和故障电流，并能安全可靠地动作。按煤矿电工手册，单个矿用架线机车直流牵引系统供电距离不大于4 km，而实际我国矿用直流牵引馈线最远的架线长度达10 km6。与地铁直流牵引系统类似，其正常牵引负荷和故障短路电流一般具有以下特点：l机车瞬时起动电流和故障电流都可近似表示为指数函数。l近端短路电流及电流上升率都很大，故障电流特征明显；而远端受网络分布参数的影响，故障电流及变化率变小，甚至和机车起动最大电流变化率接近。l当直流馈线距离长，机车密度大时，有可能出现最大负荷电流大于馈线末端短路电流。目前，针对直流牵引系统馈线短路故障最重要的保护方法是利用电流上升率(di/ dt)保护和电流增量(I)保护，通过两种保护的配合，实现短路故障的电流变化量保护策略。通常，电流上升率保护作为中远端非金属性短路故障的主保护，电流增量保护则主要针对中近距离的非金属性短路故障1,5。2电流变化量保护电流变化量保护也称为电流上升率+电流增量保护。其中，电流上升率保护(didt保护)和电流增量保护(I保护)是根据故障电流和正常工作电流在上升率上的差异，通过两种保护相互配合来实现的。两种保护的启动条件相同，都是didt大于设定值。启动后，两种保护进入各自的延时时间。哪个保护先达到动作条件，就由它启动相应的保护，切除故障回路。 2.1电流上升率保护保护系统实时检测直流馈线的负荷电流，计算电流上升率didt，并与预存的电流上升率保护设定值相比较，一旦检测出比预设值高，则设定电流上升率保护标志flag_didt=1，并启动延时定时器。若在整个延时阶段，电流的上升率都高于保护设定值，由定时中断启动保护出口跳闸。若在定时器预设定延时时间内，电流上升率又回落到保护设定值之下，则保护返回，清除电流上升率保护标志flag_didt=0。2.2电流上升率保护+电流增量保护电流增量保护是与电流上升率保护同时启动的，与电流上升率保护相配合的一种保护算法。在馈线网络发生中距离甚至近距离短路时，电流增量保护法可能比电流上升率保护法更有效。与单纯的电流上升率保护算法相比，电流上升率保护+电流增量保护的算法略显复杂，本文后面将给出其保护策略流图。文献7 给出了电流增量保护对应的4种典型电流的动作情况，如图3所示。其中(1)为典型的机车起动电流情况，而(2)、(3)为中、远距离短路电流情况。图3 4 种典型电流及保护动作情况(1)保护未动作，电流增量虽然超过跳闸整定值，但延时时间不足。(2)保护动作，电流增量超过跳闸整定值，延时时间满足。(3)保护动作，电流增量超过跳闸整定值，延时时间满足。在电流上升的过程中，虽然电流上升率曾经回落到斜率整定值(didt整定值)以下，但未达到返回延时值，因此保护未返回。(4)保护未动作，在电流上升的过程中，电流上升率回落到斜率整定值以下，且超过返回延时值，因此保护返回，在e点保护重新起动，并以e点作为新基准点。 3矿用架线机车直流馈线的微机保护装置图4为矿用架线机车直流馈线的微机保护装置总体框图，主要由主电路和控制电路两部分组成。主电路由A, B, C三相电压输入、可控硅V1 V6 组成整流电路。M为架线机车电机, DK2 为输出直流开关, DK1 为输入交流开关, JC为输入交流接触器的触点. 控制部分包括以微处理器(DSP) 为核心的各种监测与控制电路. 主要包括状态检测、输入电压检测、主电路的负载电流检测、控制信号输出等功能. 除此之外, 控制器还完成液晶显示、键盘处理、故障记忆和查询等功能。图4 矿用架线机车直流馈线的微机保护装置总体框图基于电流变化量的短路保护算法相对比较复杂，从总体来看，程序主要分为五个部分。鉴于本文篇幅，图5只给出了其中的电流定时采样中断程序部分，其余4个部分简单描述如下。(1)初始化程序，完成控制器、控制变量，及I/O接口的初始化。主要包括电流采样控制定时器0的初始化、I延时控制定时器1的初始化、didt返回延时控制定时器2的初始化，以及其它变量及I/O接口的初始化；(2)didt + I保护主程序，检测基于didt + I保护的三个故障标志，即当flag_ didt=1, flag_I=1, 且flag_T=1同时满足时，短路保护输出动作，同时完成故障记录等功能。(3)I延时控制定时器1中断服务程序，完成定时计时功能。进入中断程序，将I延时时间到标志flag_T=1。(4)didt返回延时控制定时器2中断服务程序，完成短路标志的清除功能。进入中断程序，将电流上升率标志flag_ didt=0, flag_Timer2=0, 并复位I延时定时器Timer1。图5 电流定时采样中断程序流程图4 矿用架线机车安全使用规则4.1总的规则4.1.1必须持有电机车操作证才允许操作电机车。4.1.2在一定区段内运行的电机车其负荷不准超过规定数值。4.1.3在平直的轨道上以电机基准频率对应的机车速度运行时制动距离不应超过40米。4.1.4电机车运行的时候应该使司机室置于前方，只有在调车的时候才允许尾部处于运动的方向。4.1.5下列情况下电机车禁止工作;（1）缓冲器和联结装置发生故障；（2）制动系统发生故障或未调整好；（3）灯泡损坏；（4）减速箱发生故障；（5）电气设备发生故障；（6）轮箍磨耗量大于8mm时应进行车削修正，轮箍最小厚度下于30mm；（7）橡胶缓冲器损坏；（8）电机车在运行的时候禁止司机走出电机车，或者随意的让别人操纵。在不得已的情况下离开电机车时，应该切断电机的电源，用手轮制动将电机车刹住，但电灯仍应开亮。（9）绝对禁止如下操作： 逆电流制动（反接制动） 进行机车制动时没有预先断开电路。4.2电机车开动之前的检查4.2.1缓冲器及联接器应该正常；4.2.2机械制动、喇叭、撒砂应该正常地工作；4.2.3受电弓应正常使用；4.2.4制动闸瓦的厚度不应该小于10mm；4.2.5闸瓦和轮箍踏面之间应有间隙，当此间隙大于8mm时应予调节；4.2.6上面的盖板应该盖好；4.2.7电动机及灯座的盖子要盖好；4.2.8缓冲装置的完整性；4.2.9灯和所有电气设备正确地工作；4.3电机车在线路上工作运行时的检查4.3.1随时注意机车轴箱、电机轴承、减速箱的轴承，不应过热，司机可以凭闻到的焦味来判断这些是轴承是否将会燃烧；4.3.2随时注意制动系统的正确工作，当制动闸瓦调整得正常，则制动的距离不应该超过规定的距离；4.3.3电气设备和照明灯、喇叭发生故障，必须把电机车送到车库修理；4.3.4司机在一班的工作结束后移交时，应该对电机车进行全面的检查，并且要把机车检查的情况记录在交接班的簿子上。5 结束语对于矿用架线机车直流馈线的微机保护，目前国内直流牵引架线供电大多数产品仅限于一般的过流保护。而对于矿用机车直流馈线非金属性短路电流，尤其是电弧性短路电流故障特征的研究，对我国煤矿安全生产具有重要的意义。本文结合矿用机车直流馈线远端短路保护所涉及 的4 种典型电流特征，给出了基于电流变化量的矿用架线机车直流馈线的微机保护装置的总体设计思路，并给出了短路保护算法的实现流程。对于矿用架线机车直流馈线微机保护的实现，还有许多工作要做，如进一步分析煤矿直流牵引馈电网络分布参数对短路电流的影响；直流馈线远端非金属性短路，甚至电弧短路时故障电流的特征研究等等。经过此次毕业设计，回头想想这短短的几周内，实在让人感触颇深。在设计开始的时候，以为设计不会是想象的那么难，但真的做起来才知道不是件容易的事情，在老师和同学的帮助和鼓励下，整个设计以“提出问题-分析问题-解决问题”这样的程序完成。在指定老师的严格要求下，我的毕业设计全部独立完成，遇到问题及时的向老师请教，全面系统的完成了我的大学生活最后也是最有意义的设计，把几年来所学的知识