矿用组合开关电流保护的研究

(2011) 文章编号：1004289X(201I)03003605 矿用组合开关电流保护的研究 侯林 (中国煤炭科工集团太原研究院，山西 太原030006) 摘要：介绍了矿用组合开关电流保护的原理以及理论依据，分析了电量交流采样的方法，描述了倍福的电力测 量模块出了交流采样方式在矿用组合开关中的实现方法。经现场应用表明：该方法实用可靠，具有较 高的应用价值。 关键词：组合开关；交流采样；保护；短路；过载 中图分类号：献标识码：B 30006，he of a of t of in y of it is 引言 在煤矿采掘工作面，由电气系统引起的故障危害 较大，它不仅直接影响人身安全，还会形成相间短路等 故障引发瓦斯和煤尘的爆炸，严重影响着煤矿的安全 生产。 在矿井供电系统中，电流保护包括三相短路故障 保护、两相短路故障保护、断相故障保护和不正常运行 状态(过载)保护四个部分。其中，三相短路和过载故 障属于对称电流故障，两相短路和断相故障属于不对 称电流故障。本文主要阐述了一种在矿用组合开关上 适用的电流保护设计。 2采样方式的选择 对各种电量的采集主要有两种途径：利用各类 模拟仪表，直接或者间接地获取电量；根据采样定 理，对连续时间信号做等间隔抽样，并进行数字化处 理，来获取电量。对于前者，利用仪器仪表来采集电 量，采集的准确度比较高，工作可靠，但存在重大缺陷： 采集成本较高，采集实时性差，依靠人力，将无法在同 一时刻对多个变化的电量进行采集。所以，目前多是 采用采样计算式的方法来获取电量。根据采样信号的 不同，实现后者又有两种方法：直流采样法和交流采样 法。 21直流采样法 直流采样法是指将现场不断变化的模拟量先转换 成直流电压信号，再送至A将 各种交流电量，通过降压、整流、滤波、非线性校准等各 种电子电路变为相应大小的直流电量，然后对直流量 进行采样和A直流采样的主要特点： (1)直流采样对A，软件算法简单。只要将采样结果乘上相应的标度 系数便可得到电流、电压的有效值，但不能得到其它的 电参数，比如功率因数、有功功率等，从而不能有效地 实现相敏保护和分析所控制的采掘设备工作状况； (2)直流采样输入回路，要滤去整流后的纹波，往 往采用R此其时间常数较大(一般几 (2011) 37 十采样结果实时性差，而且无法反映 被测模拟量的波形。 22交流采样法 交流采样法是一种直接针对交流电量进行采样的 方法。按照采样定理，一个限带连续模拟信号 (t)， 其频谱的最高频率为 ，对它进行等间隔采样而得离 散时问信号 (n)，则只有在采样频率 2 时，戈 (，1)就可准确地恢复成 。(t)。依照其原理，设定一个 等间隔采样的时间间隔，即为采样周期 ，其倒数为采 样频率，它的值必须大于被采样的模拟信号频谱中最 高频率的两倍，用这样的采样频率对被测交流信号的 瞬时值进行直接采样，然后采用一定的算法，对采集所 得交流电量进行数据分析，获得被测量，经过这样的处 理才不会发生频谱混叠效应，才使离散时间信号 () 能够比较准确地表示原模拟信号 ()，从而可以保证 原模拟量信号中的主要信息不会被丢掉，测量的结果 才是可信的。由于在数据采集过程中等间隔采集交流 量的瞬时值，因此，借助于各种交流采样算法，可以很 方便地获得每个瞬时值的大小和相位，以及交流值的 幅值、相位，那么，其他有关电参量也可顺利求得。交 流采样的主要特点为： (1)实时性好。它能避免直流采样中整流、滤波 环节的时间常数大的影响，因此在微机保护中适宜采 用交流采样。 (2)能反映原来电流、电压的实际波形，便于对被 测量的结果进行波形分析，因此在需要分析的场合，必 须采用交流采样。 (3)对A较高。为了保证测量精度，一个周期内必须保证有 足够的采样点数，因此要求A速率。 (4)测量准确性不仅取决于模拟量输入通道的硬 件，而且还取决于软件算法，因此采样和计算程序相对 复杂。 由于交流采样实时性好，直接对原始信号进行采 样，最大限度地保留了原信号的一些特征，而且现在大 规模集成电路的技术大大地提高了A及各种成熟算法的推出，使交流采样得到了广泛的 应用。因此在本文中，采用了交流采样方式，用倍福的 电力测量模块系统的新型三相电 力线测量总线端子，它使得电量测量和保护可以用于 任何现场总线系统。接提供均方根值，在控制器上无需高计算能力，由均 方根值计算出的电压、电流、有效功率、功率因数功耗 以及视在功率，其中电流的测量范围最大为1A，精度 为0001A；电压的测量范围最大为500V，精度为 01V。 据连续周期交流信号 的有效值及平均功率的定义，将连续信号离散化，用数 值积分代替连续积分，以离散点数据拟合连续周期性 变化的信号，从而导出有效值(或平均值)与采样值之 间的关系式。均方根算法中己考虑了谐波分量在有效 值中的成分。 该算法已经考虑谐波分量在有效值中的成分，计 算公式如下： 一 U (忍) 一 (n) 式中， 、，分别为电压、电流的有效值；U (n)、 )分别为输人电压、电流的等间隔采样值；为采 样点数。 3短路保护 短路是指供电系统中不等电位的导体在电气上被 短接，各种类型的短路故障是煤矿井下最常见的故障 之一。 短路故障发生的原因主要是由于电气设备载流部 分绝缘损坏。绝缘损坏是由于绝缘老化、过电压、机械 损伤等原因造成的。如井下矿车出轨砸挤电缆而引起 的短路；其他如操作人员带负荷拉隔离开关、检修后未 拆除接地线就送电等误操作，都有可能引发短路故障； 漏电故障发生后，如果漏电保护装置拒动，长时间的漏 电故障也可能发展为相间短路。 (1)煤矿井下开关过流保护装置电流整定值计算 +K 中：，0。容量 最大电动机额定起动电流； 为需用系数，取051； ，(2)短路保护装置的整定电流计算 ，d： = =一 2( R) +( ) 式中， 为保护装置保护范围最远点的两相短路 电流；U 为变压器二次侧的额定电压；8 (2011) 路内一相电阻值之和； 为短路回路内一相电抗值 之和。 保护装置动作的可靠性检验： 扎5 (3)整定计算遇到的问题 随着采煤技术的发展及高产高效工作面增多，采 煤机械设备的功率越来越大，如采煤机、刮板输送机及 带式输送机的功率已达到了1000时工作 面的走向也达到采掘工作面的开关设计带 来了一定的难度。由于设备功率增加，起动电流随着 增大，因而使短路保护电流动作值的整定产生了困难。 若整定值过小，电机起动时，造成保护误动；若整定值 过大，电网末端短路时保护拒动。同时，供电距离的增 加，线路阻抗随之增加，最小两相短路电流随之减小， 也使动作灵敏系数减小，短路保护装置不能可靠动作。 由此可见，仅以电流大小来区分电动机的起动与 短路电流是困难的。目前常采取的主要方法有：一是 采用8在起动时如电流能在8降下来，则认为是正常的起动过程；如8下来，则认为是发生了短路故障，这种方法不能满足 起动时发生短路的动作时限要求。另一种方法是采用 在起动时设置一高比较值，而在起动后比较值降低，从 而来区分满足起动的要求，这种方法也有不妥之处，例 如，在起动的时候发生短路就无法保护。 (4)相敏保护的实现 随着近年来的研究发现，鼠笼型电动机起动时的 电流虽然大，但起动时的功率因数却较低，一般在 035045左右，而在井下低压供电系统最末端，其 短路时功率因数却较高，接近于1。由此可见，同样出 现峰值电流，但功率因数明显不同，这样通过检测电流 信号幅值大小和系统电压、电流的相位差即功率因数， 就可以有效的将起动电流与短路电流区分开来，短路 保护可靠性得到提高，这就是相敏保护的基本原理。 采用幅值与相位检测相结合的保护方式，取样信号： =，中，“为保护装置的取样信号；，为电流信号； 式中， 为常数，为线路中实际电流与额定电流 的比值， 与t 时，就可以断定线路发生了短路故障。通过对同的值，就可以得到不同的临界动作曲线。 另外，当供电线路近端发生短路时，即电流超过8 倍时，此时不需要对功率因数进行检测，即可断定线路 发生了短路故障。 4断相保护 三相异步电动机运转中电源一相断线，使电动机 在受到严重不对称电压的作用下运行，称为断相运行。 发生断相运行时在噪音很大的车间或井下难以辨别电 动机是否正常运转，由于没有足够的重视。常常致使电 动机烧毁。据统计由于断相运行使电动机烧毁事故约 占电机烧毁事故的70，因此有必要对断相运行进行 理论分析以引起对断相运行的重视，进而设置有效的 保护装置。 发生断相故障主要有以下五种原因： 星星接法三相异步电动机电源一相或绕组一相 断开； 三角形接法三相异步电动机电源一线断开； 三角形接法三相异步电动机绕组一相断开； 供电电源变压器原边一相断开； 多台三相异步电动机公用供电母线断开。 41起动前断相 三相供电导线之一在电动机起动前断开时，合闸 后电动机接在单相电源上。 (1)电动机星形接法一相断开 工1 工2 3 1 一 l I 图1 电动机星形连结电源一相断开 如图1所示，此时两相绕组串联后接到线电压上， 假设每相阻抗为 ，则断相后的电流 相对称运行时，相电压 与线电压 的关系 =3 于是可得电流 ，s= 爱=0866见，断相后起动电机，星形连接电动机的线电流 ， 约是三相运行时起动电流 的87，断相电流很 大，且线电流的相位差为180。 (2)供电变压器接法为Y，电动机接法为2011) 39 一相断开 供电变压器原边一相断开，则副边一相没有电压。 假定此时0。原边由于两相绕组串联后接到线电 压上，每相电压是电源电压的一半，如图 时，线电压 州= 866中， 为三相状态下副边的额定线电压。 变压器的副边仍存在上述关系，因此 U。b=866中， 为三相状态下副边额定线电压。 变压器副边相时线电流等于三相起动时线电流，其他两相 电流是，： ，a_2当供电变压器为况与此相同。 图2供电变压器原边一相断开 42运行中断相 电动机运行中发生断相时，电流大小与电动机负 载大小有关。 (1)定子绕组星形联接电源一相断开 这种情况下，两相绕组串联后接在线电压上。以 ，。d、Ix 分别表示断相运行时的相电流、线 电流、电动机的功率因数和效率，可得断相运行时的输 出功率： x，d7d 三相运行时的输出功率： P =,333 若输出保持三相状态下负荷不变，则断相运行时 的线电流： ，,3 r 1Xd相运行时，由于有负序电流，电动机的功率因数 和效率均明显下降。若取=09，吼= 0877，由此可算出断相运行时的线电流2143。 (2)供电变压器接法为Y，电动机接法为相断线 变压器原边一相断开时如图所示。由于原边是两 相绕组串联后接在线电压上，所以副边电压下降到额 定电压的0866倍。而且副边输出单相电压U。b= 。这时对电动机来说，其等效电路如图3所示。 图3变压器原边一相断开时电动机等效电路 断相运行时的输出功率可表示为： 866UN，d7d 当负荷保持不变时，断相后的线电流为： ，531)(3 由上面的分析计算可知，断相故障发生后，断相电 流最小值为额定电流的12倍，尤其是起动前发生断 相，断相电流更大，接近电动机的起动电流，此时由于 绕组中电流产生的磁场不是三相正弦磁场，电动机将 无法起动，绕组中将一直流过起动电流，因此必须对电 动机的断相故障进行保护。从以上分析可见，断相故 障发生后，最大的特点是流过电动机的三相电流不对 称，且电流比较大和线电流相位差接近180。 5过载保护 电动机在井下工作过程中，经常会发生电动机的 实际负载超过其额定负载的情况，即过载。电动机在 过载状态下运行时，绕组温度升高，长期运行在此状 态，绕组绝缘会逐渐老化，直至击穿，造成电动机烧毁。 因此必须对运行在过载状态下的电动机加以保护，即 所谓的过载保护。 电动机过载时，其温升时间与电动机的过载倍数 有关，不同倍数的过载电流，达到允许温升的时间也不 相同，从电动机过载开始，到电动机达到允许温升的时 间称为电动机的允许过载时间，允许过载时间与电动 机过载倍数的关系称之为允许过载特性，过载反时限 特性如图4所示。 (下转第43页) (电气开关(2011) 43 真结果非常接近于实际。所以该软件得到了广泛的应 用。 仿真参数如下：输入电压25V，输出电压12V。滤 波电感160波电容为250 。负载电阻为5Q。 6输入电压和 输出电压波形 2A：+)7锯齿波波形 图6为输入电压和输出电压波形仿真图，从仿真 结果可以看出，输入电压经过出电 压为12V，实现了降压过程。且输出电压纹波很小，满 足负载对输出电压纹波的要求。图7是锯齿波的波 形。 图8为驱动脉冲波形。输出电压经过采样网络后 经过电压误差放大器，输出电压误差信号，电压误差信 号与锯齿波比较，输出高低电平的脉冲信号。该脉冲 信号驱动电力电子器件的分合，保持输出电压的稳定。 图9为电感电流的波形。从仿真结果可以看出，该 动态性能和稳定性满足设计的要求。 图8驱动脉冲波形图 图9电流电感波形 7 总结 本文从系统的重要传递函数分析人手，探讨如何 设计一个能稳定工作，并保持瞬态响应足够快的基于 平均电流控制的系统能实现降压且能稳 定运行，并满足设计指标的要求。 参考文献 1 张占松蔡宣三开关电源的原理与设计M北京：电子工业出 版社，1998年2月 2付光杰，曹雪改进的电 力电子技术，2009(1) 3 季振山，唐震字，罗家融。电流控制型开关稳压电源电子与自动 化，1999(1)：2528 4A 995，10 69475徐明浙江大学，1997，1 收稿日期：201l5 作者简介：曹雪(1984一)女。黑龙江大庆人。研究生。研究方向：电力传动控制系 统： 乔科佳f 1984一)。女辽宁大连人本科助理工程师； 付光杰(1962)女。黑龙江大