（农业机械化工程专业论文）智能型相敏保护在煤矿中的开发及应用.pdf

山东农业大学硕士学位论文 摘要 在煤矿供电中，由于井下设备所处的环境恶劣，设备易受潮、绝缘 自然老化、机械损失及过电压击穿、人为的误操作等原因都极易引起供 电线路及设备缺相或短路。如不及时切除故障线路及设备，往往造成严 重事故。因此，在出现短路及断相事故时应立即切除故障线路或设备， 以防事故蔓延。因此，煤矿安全规程要求，在煤矿井下低压供电系统的 真空馈电开关中必须装设过电流保护，它是保证井下供电可靠性、连续 性和安全性必不可少的保护措施。然而，在我国煤矿井下供电系统中至 今仍未脱离传统的鉴幅式继电保护或电子保护，其短路保护是按系统最 大运行方式下线路末端三相短路电流整定，过负荷保护按线路的最大负 荷整定。尽管这种整定方法能保证在所有可能的正常和故障条件下保护 都不会错误地切除被保护线路，但在其他运行方式下保护特性并非最佳， 而且在最小运行方式或最不利的短路条件下，保护性能严重变差，甚至 失效。若短路保护按最小运行方式下，保护范围末端最小短路电流整定， 在大型电动机起动时易造成保护误动作，严重影响着煤矿井下的正常生 产。 本课题就是针对上述缺陷，研究了以单片机为核心的基于功率因数 检测的相敏对称保护、基于负序电流检测的不对称短路保护和具有白适 应性能的过负荷保护，分析了过电流的特征及过电流保护的电流值整定， 建立了数学模型，分析了其作用原理，设计了硬件和软件电路，并将其 应用于矿用隔爆型真空馈电开关中，组成智能化综合保护系统。它与矿 用隔爆型真空馈电开关相比，具有很大的优越性： ( 1 ) 用相敏保护原理来实现井下长线路发生三相短路故障的主保护，解 决了大容量鼠笼型异步电动机起动电流与线路末端最小两相电流难以区 分的问题，提高了三相短路保护的灵敏度。 ( 2 ) 两相不对称短路和断相故障采用负序保护原理，其动作时限分别为 5 0 m s 和6 s ，所以，保护可以速断，提高了过流保护的灵敏度。 ( 3 ) 采样信号通过v ，f 转换器送到8 0 c 5 1 中，采用了半波傅式算法的改 进方法一一种新型的微机保护交流采样快速算法，该算法理论上可以完 智能型相敏保护在煤矿中的开发及应用 全消除任意衰减时间常数的非周期分量对基波分量的影响，提高了运算 速度，从而提高动作的快速性，满足了继电保护的要求。 ( 4 ) 过载保护采用反时限动作原理。 将相敏保护原理应用到矿用隔爆型真空馈电开关中，因井下电网电 压和负荷电流波动较大，谐波分量比较复杂，再考虑到杂散电流、断路 器操作、强电场和磁场都会产生较强的干扰信号，为此需设计相应的抗 干扰措施，以提高保护系统的可靠性。 关键词：单片机、过流、相敏对称保护、不对称保护、过负荷保护 1 l 山东农业大学硕士学位论文 a b s t r a c t i nc o a lm i n ep o w e rs u p p l y ，t h ew e l ld e s c e n d st h ee n v i r o n m e n to f t h e e q u i p m e n t sb a d ，t h ee q u i p m e n t sa f f e c t s b yd a m pa n dc o l d ， i n s u l a t e st h en a t u r ee a s i l ya g i n g ，t h em a c h i n el o s e sa n dc o n d u c t s e l e c t r i c i t y t o p r e s s t ob r o k e t h r o u g h ，a r t i f i c i a lm i s t a k e o p e r a t i o ne t c t h e s ee a s i l yc a u s e s p o w e r s u p p l y c i r c u i ta n d e q u i p m e n t s e sl a c kp h a s eo rs h o r tc i r c u i t i fs u c hb r e a k d o w nc i r c u i t a n de q u i p m e n t sc a nn o tb eo u to f fi nt i m e ，t h i su s u a l l yr e s u l t s s e r i o u st r o u b l e t h e r e f o r e ，w h i l et h ea c c i d e n t so fs h o r t c i r c u i t a n d p h a s e b r e a k i n gh a p p e n e d ，t h eb r e a k d o w nc i r c u i to re q u i p m e n t s s h o u l db ec u to f f i m m e d i a t e l y ，i no r d e rt op r e v e n tt h et r o u b l e s p r e a d s t h e r e f o r e ，t h es a f er u l e si nc o a lm i n er e q u e s i st h a t ，t h e s w i t c h e so ft h el o w p r e s s u r ep o w e rs u p p l ys y s t e mm u s tb ee q u i p p e d w i t ht h ep r o t e c t i o no fo v e r c u r r e n t i ti sae s s e n t i a lp r o t e c t i o n t og u a r a n t e et h ep o w e rs u p p l yo ft h ew e l 1d e p e n d a b l e ，c o n s e c u t i v e a n ds a f e h o w e v e r ，i no u rc o u n t r yt h ep o w e rs u p p l ys y s t e mi n s i d e t h ec o a lm i n ew e l lh a sn o ty e t c h a n g e df r o mt h ev i c e t y p ei n t r a d i t i o n a lp r o t e c ta f t e rt h e e l e c t r i c i t yo rt h e 、e l e c t r o n i c s p r o t e c t s ，i t ss h o r t c i r c u i tp r o t e c t i o nisa c c o r d i n gt op r e s s e s s y s t e mb i g g e s tc i r c u l a t ew a yb o t t o mc i r c u i tb i t t e re n dt h r e e m u t u a l l ys h o r t c i r c u i te l e c t r i cc u r r e n t sa r ew h o l et os e t t l e ，o v e r c a r r yt h ep r o t e c t i o np r e s s e sc i r c u i tb i g g e s t t o c a r r yw h o l e s e t t l i n g t h o u g ht h i sm e t h o do fs e t t l i n gc a ng u a r a n t e ei nm a yo f n o r m a lw i t hb r e a kd o w nt e r mn e x tt h ep r o t e c tio nc a r l tc u to f ft o i sp r o t e c t e db ym i s t a k ec i r c u i t ，u n d e rt h eo t h e rm o v e m e n tm e t h o d p r o t e c tt h ec h a r a c t e r i s t i cn o tt h eb e s t a n dc i r c u l a t ei nt h el e a s t w a y o rt h em o s td i s a d v a n t a g e o u sa n ds h o r t c i r c u i tt e r m n e x t ， p r o t e c tt h ef u n c t i o nt ob e c o m es e r i o u s l yb a d ，e v e ne x p i r e d 。i ft h e s h o r t c i r c u i tp r o t e c t i o nm i n i m u mm o v e m e n tm e t h o dn e x t ，p r o t e c t 1 i i 智能型相敏保护在煤矿中的开发及应用 t h em i n i m u ma n ds h o r t c i r c u i te l e c t r i cc u r r e n ti nb i t t e re n di n s c o p et h ew h o l es e t t l i n g t h es t a r t so ft h el a r g ee l e c t r i cm o t o r u s u a l l yr e s u l t si nm i s t a k ep r o t e c ta c t i o n s ，a f f e c t i n gt h en o r m a l p r o d u c t i o no fc o a lm i n ew e l ls e r i o u s l y a i m i n g a tt h ea b o v eb l e m i s h ， w h il e r e g a r d i n g m o n o li t h i e m i c r o c o m p u t e r a st h ec o r e ，t h i sl e s s o ns t u d i e dt h e s y m m e t r y p r o t e c t i o no fp h a s e d e t e c t i o nb a s e do i ld e t e c t i n gp o w e rf a c t o r ，t h e d i s s y m m e t r y s h o r t c i r c u i t p r o t e c t i o n b a s e do n d e t e c t i n g n e g a t i v e p r e f a c ec u r r e n ta n dt h eo v e r c a r r i e dp r o t e c t i o nw i t ht h e a b i l i t yo fs e l f a d a p t i o n ，a n a l y z e dt h ec h a r a c t e ro fo v e r c u r r e n t a n dt h ec u r r e n t s e t t l i n go fo v e r c u r r e n tp r o t e c t i o n ，b u i i tt h e m a t h e m a t i c a lm o d e l ，a n a l y z e di t sf u n c t i o np r i n c i p l e ，d e s i g n e dt h e h a r d w a r ea n dt h es o f t w a r ec i r c u i t ，v e r i f l e di t su s e f u l i l e s sa n d f u n c t i o n ，t h e np u tf o r w a r dt h em e a s u r eo ft h ea n t i i n t e r f e r e n c e k e y w o r d s ：m o n o l i t h i cm i c r o c o m p u t e r ， o v e r c u r r e n t ，s y m m e t r y p r o t e c t i o n b a s e do i l p h a s e d e t e c t i o n ，d i s s y m m e t r y p r o t e c t i o n ， o v e r c a r r i e dp r o t e c t i o n i v x 6 0 1 6 0 6 关于学位论文原创性和使用授权的声明 本人所呈交的学位论文，是在导师指导下，独立进行科学研 究所取得的成果。对在论文研究期间给予指导、帮助和做出重要 贡献的个人或集体，均在文中明确说明。本声明的法律责任由本 人承担。 本人完全了解山东农业大学有关保留和使用学位论文的规 定，同意学校保留和按要求向国家有关部门或机构送交论文纸质 本和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权山东农业大学可 以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可 以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文和汇编本学位论文。 保密论文在解密后应遵守此规定。 论文作者签名： 导师签名： 日期： 山东农业大学硕士学位论文 故障电流 正序电流 负序电流 零序电流 正序网络等值电势 符号说明 z s ( 。) 正序网络故障1 3 的等值阻抗 z ：( ：) 负序网络故障口的等值阻抗 z 础) 零序网络故障口的等值阻抗 ，d 3 三相短路电流 d 2 两相短路电流 单相接地短路电流 单相断相故障电流 过流保护装置的电流整定值 容量最大的电动机的额定电流 u 。 负序滤波器的输出电压 ，。( n ) n 次谐波的幅值 西。 n 次谐波的初相位 基波周期的角频率 v 忙 0 0 0 l & ” l l 己 乇 智能型相敏保护在煤矿中的开发及应用 足 8 f 船 每个周期的采样点数 从故障开始时的采样点序号 过负荷倍数 容许过负荷时间 山东农业大学硕士学位论文 1 引言 1 1 煤矿井下供电的现状 在煤矿供电中，由于井下电气设备所处的环境恶劣，设备易受潮、 绝缘自然老化、机械损伤及过电压击穿、人为的误操作等原因，都极易 引起供电线路及设备缺相或短路，如不及时切除故障线路或设备，往往 造成严重事故，因此，在出现短路及断相事故时，应立即切除故障线路 及设备，以防事故蔓延。目前，这种故障状态的保护是靠过流保护来实 现的，其过流保护动作值是按躲过最大容量电动机的起动电流及其它同 时运行设备额定电流之和为依据整定的。此种整定方式在供电线路短路 电流较大时，较容易满足过电流保护灵敏度及电动机起动电流的要求。 但e l 前使用的电动机，其起动电流很大( 可达额定电流的6 1 0 倍) ，与 线路发生短路故障时的电流相接近，因而使短路时电流值的整定发生困 难，有的保护装置将短路电流的整定值设定为电动机额定电流的1 0 倍以 躲开起动电流，这样当起动电流较大时，不能分辨出是发生了三相短路 还是电动机正常起动，容易发生误动作。也有些保护装置利用延时几秒 钟的方法，以躲开正常起动过程，这样也是不妥的，因为当起动过程中 正好发生短路故障时，无法对故障线路进行保护。为此利用单片机控制 的相敏保护装置，克服了上述保护装置的缺点，达到了很好的保护目的。 这种相敏过流装置在煤矿井下供电的综合保护中具有广阔的前景，它较 模拟电子电路组成的保护器及其它的相敏保护装置在准确性、可靠性等 方面有显著的优点，它的应用与推广必将带来巨大的经济效益和社会效 益。 1 2 本课题研究的目的和意义 调查统计表明，全国国有重点煤矿平均每年发生4 0 0 - 6 0 0 次电缆着 火事故，损坏电缆约5 0 0 k i n ( 按1 6m m 2 计算) ，经济损失严重。造成此 原因的关键技术问题是过流保护不过关，拒动、误动现象时有发生，以 致有些场合将保护甩掉不用。同时，随着矿井开采进度的不断延伸和机 智能型相敏保护在煤矿中的开发及应用 械化程度的逐渐提高，矿井的采掘工作面离供电变电所距离越来越远， 通常都超过2 0 0 0m 。由于掘进机械化装备不断提高，导致供电负荷不断 加大，给安全供电带来一定的难度。相敏短路保护装置的保护是基于电 动机启动时和电缆线路发生短路故障时电压与电流之间的相位差具有较 大差距这一原理，正确地判断出电缆发生的短路故障，尤其是随着采煤 机械化程度的提高，工作面电气设备单机功率的增大，其优越性更能体 现出来，本课题正是基于过电流特征分析和相敏保护的原理，设计出一 种新型微机综合保护。 1 3 研究内容和方法 对称短路保护：在煤矿井下低压供电系统中，对称短路保护用于切 除馈电线路的对称故障状态，如三相短路。由于井下负载均为感性负载， 在大型电动机起动时，功率因数比较低。而在对称短路故障下，功率因 数则很高，所以，采用基于功率因数检测的相敏保护原理不但可提高对 称短路保护的灵敏度，而且还能保证其动作的可靠性。 不对称短路保护：在煤矿井下低压电网中，不对称故障状态有两相 短路、断路、单相接地等，相敏保护并不能保护这种不对称故障。在电 网发生不对称故障时，其重要的特征是线路中存在负序电流，而且两相 短路和一相断线时的负序电流大小不同，也即通过检测负序电流的大小 可以判断不对称故障状态，对于单相接地故障，可采用零序电流方向保 护。 过负荷保护：过负荷是煤矿井下供电系统中常见的不正常运行状 态，长期过负荷运行不仅降低了电气设备的使用寿命，而且在电缆接头 处易产生热能量积聚，造成煤尘、瓦斯爆炸事故，在该保护系统中设计 自适应性反时限负荷保护。 硬件电路和软件设计：以单片机为中央控制单元，再配合相应的波 形处理、信号变换、滤波器等电路，可完成矿井供电系统的相敏对称短 路保护、负序不对称故障保护、自适应过负荷保护等功能。 坐壅查些查堂堡主堂焦堡塞 2 过电流特征分析和电流的整定 2 1 过电流特征分析 在矿井低压电网中，过电流有过载和短路两种状态。过载属于不正 常运行状态，允许设备在一定时间内继续运行。短路属于故障状态，要 求保护立即切断电路。常见的故障形式有三相短路、两相短路、单相接 地、单相断线等。不论哪种故障，故障点的电流均可分析成正序、负序 和零序3 个相序分量。 ( a ) f 。2 户。( 0 ) f h ( o ) p 。( o ) ( b ) ( c ) 图2 1 对称分量 ( a ) 正序分量：( b ) 负序分量：( c ) 零序分量 f i g 2 1s y m m e t r i c l ah e f t ( a ) p o s i t i v es e q u e n c e h e f t ( b ) n e g a t i v es e q u e n c e h e f t ( c ) z e r os e q u e n c e h e f t 图2 1 ( a ) 、( b ) 、( c ) 表示三组对称的三相相量。第一组f 。0 ) 、， ( 】) 、 f ( 1 ) 幅值相等，相位为a 超前b 1 2 0 。，b 超前e 1 2 0 。，称为正序；第二 组f 。( z ) 、f ac z ) 、f 硼，幅值相等，但相序与正序相反，成为负序；第三 组f 椰】、，一( 0 ) 、fc ( 0 ) 幅值和相位均相同，称为零序。将每一组带下标a 的三个相量f 。( 1 ) 、f ) 、f 。( o ) 合成为f 。，带下标b 的三个相量f 州) 、 r 火 r 爻 智能型相敏保护在煤矿中的开发及应用 声) 、户) 合成为f ，带下标c 的三个相量f 叩) 、声加) 、f 。c o ) 合成 为f 。，显然f 。、f 。、f 。是三个不对称的相量，即三组对称的相量合 成得三个不对称的相量。写成数学表达式为： f 。= f ( 1 ) + f 口( 2 ) + f a ( o f b = f “1 ) + f b 2 + f b o o f c = f c ( 1 ) + f c ( 2 ) + f c c o 由于每一组是对称的，故有下列关系 f = e “of 目( 1 ) = 口2f 。( 1 ) f f ( 1 ) = e j l 2 0f dc 1 ) = 口f 。( 1 ) f 6 ( 2 1 = p j 1 2 0 f 口( 2 ) 2 口f 口( 2 ) f f f2 1 - p ，f a t 2 ) 2 盯2f 口( 2 ) 户 ( o 】= f 。( o ) = 户。( o ) 热一圭+ ，譬= ，每。 将式( 2 2 ) 代入式( 2 - i ) 可得 f 口= f 。( 1 ) + f a ( 2 ) + f 口( o ) f 6 =2 声。【1 ) + 口声。( 2 ) + f 。( o ) f 。= 盯f 。( 1 ) + 口2 声。( 2 ) + 声。( o ) ( 2 1 ) ( 2 2 ) ( 2 3 ) 此式表示上述三个不对称相量与三组对称的相量中a 相量的关系 由上述的对称分量法便可求出其故障电流。故障电流和各相序电流之间 的关系为 4 、，j 山东农业大学硕士学位论文 艮 ( 2 4 ) 式中：1 分别为岛包三相的故障电流：fo,17b,ire c ，( 1 ) ，( 2 ) ，i ，【o ) 分别为正序、负序、零序电流。 2 1 1 对称短路 三相系统中短路的种类有三相短路、两相接地短路、两相短路及单 相短路。在供电线路或设备发生三相短路时，线路的短路电流保持对称， 但其电流和电压的相位显著增大，线路电压下降严重，其电流和电压相 量图如图2 2 所示。在短路点其电压为零，在始端略高，其三相电流和 电源电压同相，和大容量电动机起动时引起的电流增大有明显的区别。 u a 图2 2三相短路时电流和电压相量图 f i 9 2 2 p h a s o rd i a g r a mo fc u r r e n ta n dv o l t a g e u n d e rt h r e ep h a s es h o r tc i r c u i t 对称短路就是电网中的三相短路，发生三相短路时，其稳态电流急 剧增大，但相位对称，所以不存在负序和零序电流，序网图中仅有正序 u 怛 0 0 0 ；，臼扩 ，矿臼 | | 智能型相敏保护在煤矿中的开发及应用 阻抗。故障点的正序电流。 。m 一急 泣s ， 式中：e z u ) 为正序网络等值电势； z ( 1 ) 为正序网络故障口的等值阻抗； 三相短路电流，；3 = 州) 2 1 2 两相短路 当发生两相短路时，假定b c 相短路，其电流和电压相量图如图2 3 所示。 。 图2 3b c 相短路时电流和电压相量图 f i 9 2 3 p h a s o rd i a g r a mo fc u r r e n t a n dv o l t a g eu n d e rb c s h o r t c i r c u i t 此种状态下，供电系统的对称性遭到严重破坏，电源到短路点的网 络总阻抗减小，短路回路中的短路电流比正常工作电流显著增大，其b 相电流为i b c ，由于电缆的电抗值较小，i b c 几乎和u b c 同相，在故障点b 山东农业大学硕士学位论文 相电压和c 相电压仅为原来的l 2 ，在线路的始端其电压略高，但其电 流和电压的相位显著改变，雨a 相电流和电压相位差改变较小。 在矿井低压电网中发生两相短路时，系统处于不对称状态，故障点 除正序电流外，还存在负序电流，而且两电流幅值相等，相位相反，但 零序电流为零，这是两相短路的重要特征。 正序电流 f o ) - 一( z z m 生+ 业z z ( t ) ) ( 2 - 6 ) 负序电流= ( 1 ) 故障电流，笋1 = 3 j ，m 。 式中，z ( ：) 为负序网络故障口的等值阻抗。 两相接地短路和两相短路相似。 2 1 3 单相接地 单相接地是煤矿井下电网中出现概率最高的故障形式，约为全部电 气故障的7 0 。发生单相接地后，系统的线电压仍然对称，若没有接地 保护，设备还能继续运行，但其绝缘承受的电压是正常运行的3 倍。更 为严重的是在设备运行期间，接地点的间歇性电弧有可能引起瓦斯和煤 尘爆炸，危及矿井安全。所以，对单相接地故障必须装设单独的保护装 置选择性漏电保护装蔑。单相接地也属不对称短路故障状态，其最 大的特征是电网中存在零序电流 i 0 ) 2 ，口r 2 ，t 。，2 一j ：i i ；纛 2 _ 7 其中，z ：f 0 ) 为零序网络故障口的等值阻抗。 故障电流，“= 3 ，( o ) 2 1 。4 供电线路缺相或设备断相 在供电线路缺相或设备断相时，电动机单相运行，尽管此种状态不 智能型相敏保护在煤矿中的开发及应用 会危及供电系统的安全，但会造成电机的电流增大，电机温度升高，故 障长期存在，会造成电动机因温度过高而损坏。在此种状态下，假设c 相断线，其电流和电压的相量图如图2 4 所示。 u c 图2 4c 相断线时电流和电压相量图 f i 9 2 4 p h a s o rd i a g r a mo fc u r r e n ta n dv o l t a g eu n d e rcp h a s eb r e a k 在此种状态下，加在电气设备上的电压为u a r ，其相位超前a 相电 压3 0 。，其a 相电流为i a b ，其b 相电流为i a b ，其a 相电流相位角比正 常运行时，电流相位提前近3 0 。，同时c 相电流为零。 开关的触头接触不良或接线端子接线不紧均会造成单相断线故障。 断线后。该相的电流为零，而另外两相的电流大小相等，方向相反。这 是一种严重的不对称故障，其各相序电流： 黼流i f ( 2 ) = - 篆 沼趵 山东农业大学硕士学位论文 正序蝴i j ( i ) 一_ 毫了 z m + 菘霜多 故障电流p = 3 ，朋1 1z z 2 1 z 事( 。) 2 l ( 2 ) + ( o ) j ( 2 9 ) ( 2 1 0 ) 零序电流i f ( o ) = 一乏；篆莩笔熹 。 断相后，电网中有负序电流存在，它产生的电磁转矩与正序电流相 反，因负荷所需功率不变，所以，电网会出现过电流。 2 1 5 过负荷 过负荷是煤矿井下供电系统的不正常运行状态，它常常是由于整定 不当、违章操作、重载起动等原因造成的。过负荷后，电网的电流相位 对称，幅值大于整定电流，但只要设备的运行温度没有超过其允许温升， 电网还允许继续运行，否则对电网要进行保护。 2 2 传统的鉴幅式继电保护 2 2 1短路电流的计算方法 电流的整定短路保护是煤矿井下供电系统中的三大保护之一，它是 一种保证供电可靠性和安全性所必需的保护措施。然而，在我国煤矿井 下供电系统中至今仍在沿用传统的鉴幅式继电保护或电子保护。根据煤 矿井下低压电网短路保护装置的整定细则，选择短路保护装置的整定电 流时，可按下式计算 矿2 丽雨u 丽e 沼 。 2 ( r ) 2 + ( x ) 2 。 e r = 告+ r 6 + r 2 智能型相敏保护在煤矿中的开发及应用 x = x x 七 告七x b + x ! a 6 式中：打伽两相短路电流； r 、x 一短路回路内一相电阻、电抗值的总和，q ； x 广一根据三相短路容量计算的系统电抗值，q ； r l 、x 1 一高压电缆的电阻、电抗值，q ； k b 一矿用变压器的变压比，若一次电压为6 0 0 0 v ，二次电压 为4 0 0 、6 9 0 、1 2 0 0 v 时，变比依次为1 5 、8 7 、5 ；当一 次电压为3 0 0 0 v ，二次电压为4 0 0 v 时，变比依次为7 5 ； r b 、x b _ 一矿用变压器的电阻、电抗值，q ； r 2 、x 2 低压电缆的电阻、电抗值，q ； u r 变压器二次侧的额定电压，对于3 8 0 v 网络，u 。以4 0 0 v 计算：对于6 6 0 v 网络，u 。以6 9 0 v 计算：对于1 1 4 0 v ， u 。以1 2 0 0 v 计算；对于1 2 7 v 网络，u 。以1 3 3 v 计算。 若需计算三相短路电流值，可按下式计算： f 3 j = t i l 5j r 2 j( 2 - 1 3 、 式中：矗刖一三相短路电流，a ； 2 2 2电磁式过电流继电器的整定 1 2 0 0 v 及以下馈电开关过电流继电器的电流整定值， 择。对保护电缆干线的装置按下列公式选择： ，z ，出+ k ，。 按下列规定选 f 2 - 1 4 ) 式中：如一过流保护装置的电流整定值，a ； b 一容量最大的电动机的额定起动电流，对于有数台电动机 同时起动的工作机械，若其总功率大于单台起动的容 山东农业大学硕士学位论文 量最大的电动机功率时，i o e 则为这几台同时起动的电 动机的额定起动电流之和，a ： 皿一其余电动机的额定电流之和，a ； k x 一需用系数，取o 5 l 。 对保护电缆支线的装置按下列公式选择： ，z ，m( 2 一1 5 ) 式中：，z 、k 的含义同公式( 1 ) 目前某些隔爆磁力起动器装有限流热继电器，其电磁元件按上述原 则整定，其热元件按公式如厶整定。 煤矿井下常用电动机的额定起动电流和额定电流可以从相关表中查 出。如表中无数据，可以从电动机的铭牌或技术资料中查出其额定电流， 并计算出电动机的额定起动电流近似值。对鼠笼电动机，其近似值可用 额定电流乘以6 ；对绕线型电动机，其近似值可用额定电流乘以1 5 ； 当选择起动电阻不精确时，起动电流可能大于计算值，在此情况下，整 定值也要相应增大，但不能超过额定电流的2 5 倍。在起动电动机时， 如继电器工作，则应变更起动电阻，以降低起动电流值。对于某些大容 量采掘机械设备，由于位处低压电网末端，且功率较大，起动时电压损 失较大，其实际起动电流要大大低于额定起动电流，若能测出其实际起 动电流时，则公式( 2 。1 4 ) 和( 2 1 5 ) 中1 0 e 应以起动电流计算。按第一 条规定选择出来的整定值，还应用两相短路电流值进行校验，应符合公 式( 2 1 6 ) 的要求： 尘 1 56 ) iz 、。 式中：，一被保护电缆或支线距变压器最远点的两短路电流值，a ： 口一过电流保护装置的电流整定值，a ； 1 5 保护装置的可靠动作系数。 智能型相敏保护在煤矿中的开发及应用 若线路上串联两台及以上开关时( 其间无分支线路) ，则上一级开 关的整定值，也应按下一级开关保护范围最远点的两相短路电流来校验， 校验的灵敏度应满足l t 2 1 5 的要求，以保证双重保护的可靠性。 这种保护整定误差大，动作时间长，可靠性低，若要保护全线路， 则应按保护范围末端最小短路电流整定，要求整定值小，因而使大型电 动机起动时易造成保护误动作；若要躲过起动电流，则要求整定值大， 此时将不能保护线路全长而且灵敏度较低。另外，在馈电开关附近短路 时，其他开关往往会由于母线电压降低而造成误动作，无横向选择性， 远不能适应现代化煤矿供电系统监测监控的需要。 按照攘定细则，开关过流保护校验不合格，为了使电器设备保护安 全可靠，通常采取以下几种方法： 1 ) 设法减少电路电缆的长度： 2 ) 加大干线或支线的电缆截面； 3 ) 换用大容量的变压器或采取变压器并联： 4 ) 采用移动变电站供电。 如果采用方法1 ) ，因为掘进工作面的长度是事先设计好的，故无法 更变。 若采用方法2 ) ，电缆截面己达到最大。若再加大电缆截面，又与 电器开关的迸线嘴不相符，若采用多路电缆供一个掘进工作面的方式供 电，势必造成巷道里电缆吊挂过多，同时也带来不必要的经济投入。 若采用方法3 ) ，由于变电所安装时已使用最大容量的变压器，而且 按照采掘供电分开和三专二闭锁的安全供电原则，变电所也不能采用变 压器并联方式运行。 采用方法4 ) ，不仅需要投入大量的资金，而且还要为移动变电站专 门做一个安装峒室。一个掘进工作面一般要工作1 0 多个月，光移动变电 站租金项就得2 万多元，同时按照煤矿“一通三防”的要求，处在回 风路线上巷道不允许安装高压供电设备。 山东农业大学硕士学位论文 由此可见，以上措施必须投入大量的资金和设备。由于煤矿大多地质 条件复杂，巷道压力大，起伏不平，工作面的供电距离较远，工作面及 运输巷使用设备多。为了保证供电的可靠性，必须采取相应的措施，即 用相敏保护来实现。其基本原理是：鼠笼式异步感应电动机全压起动时 虽然电流很大，但却是感性电流，其功率因数很低( 一般在0 5 以下) ， 电流落后于电压相位角超过6 0 0 ，而系统出现短路时，尤其在电缆远端， 短路电流是个近阻性电流，其功率因数很高( 接近1 ) ，相位角为0 2 0 0 。 相敏保护就是利用他们的功率因数来区分的。因而，在供电距离远或负 荷起动电流大，而且短路电流与起动电流相近的时候，它能够灵敏地切 除放障电流而不致误动作。使用相敏保护后，由于不必考虑原供电系统 的灵敏度问题，因而选择电缆时可仅考虑负荷电流，这样可以大大减少 电缆截面，或者在不减小电缆截面的情况下使供电距离得以延长。 智能型相敏保护在煤矿中的开发及应用 3 保护原理 3 1 对称短路保护的数学模型 在煤矿井下供电系统中，现有隔爆型馈电开关中的短路保护大多是 根据电流幅值整定动作值，其动作特性和大电机起动特性曲线如图3 ，l 所示。图中曲线1 是大型电动机起动时的起动特性。曲线3 和曲线2 分 别为供电系统不同整定值下的保护特性，a 、a ，、b 、b 7 、c 、c ，分别为对应 曲线的反时限、定时限和速断保护区。由图中可见，只要电流超过其整 定电流，保护便立即动作，执行机构跳闸。在大型电动机起动时，最大 起动电流可能超过其整定电流，此时会引起保护误动作。图3 1 鉴幅式 过流保护特性和大电机起动特性在矿井下低压供电系统中，对称短路保 护用于切除馈电线路的对称故障状态，如三相短路、大型电动机堵转等。 由于井下负荷均为感性负载，在大型电动机起动时，功率因数比较低， 而在对称短路故障情况下，功率因数刚很高，所以，采用基于功率因数 检测的相敏保护原理不但可提高对称短路保护的灵敏度，而且还能保证 其动作的可靠性。根据功率因数和短路电流的鉴别方式不同，相敏保护 的动作特性也不完全相同。 t ， 2468 电流倍数 图3 1 鉴幅式过流保护特性和大电流起动特性 f i g 3 1 c h a r a c t e r i s t i c so fs h o r t c i r c u i tb ym e a s u r i n gc u r r e n tm a g n i t u d e a n d s t a r t i n gc h a r a c t e r i s t i c s o f l a r g e m o t o r 4 山东农业大学硕士学位论文 图3 2 为一般相敏保护的保护特性。图中，1 为单独鉴相式保护特 性：2 为单独鉴幅式保护特性，显然存在保护死区；3 为鉴幅值和鉴相 值相乘后所构成的保护特性，即： ic o s 中= c 。 ( 3 - 1 ) 由此可知，只要选择合适的常数c ，其保护区较单独鉴幅、鉴相的 保护区大。 图3 2 鉴幅、鉴相保护特性 f i g 3 2 p r o t e c t i v ec h a r a c t e r i s t i c s o f m a g n i t u d e a n dp o w e rf a c t o r d i s c r i m i n a t i o n r e s p e c t i v e l y 为躲过大型电动机的起动电流而有能使保护在正常方式下当保护范 围内发生对称短路故障时可靠动作，必须确定合理的保护动作区。 图3 3 给出了典型煤矿供电系统短路电流、功率因数和短路点距电 源距离之间的关系曲线，其中 智能型相敏保护在煤矿中的开发及应用 i - ：兰l s m a x 式中，如一短路电流 。x - 一供电系统最大短路电流 ( 3 2 ) 图3 3 短路点至电源的距离与短路电流、功率因数的关系曲线 f i g 3 3 c h a r a c t e r i s t i c so fc a b l el e n g t h a n ds h o r tc i r c u i t c u r r e n t ，p o w e rf a c t o r 图3 4 给出了鼠笼式异步电动机起动电流与功率因数之间的关系曲 线，其中 尽+ ：生 ( 3 3 ) 玎 式中：j 。起动电流； i n 一电动机的额定电流 将图3 2 、图3 3 、图3 4 画于同一坐标下可得到短路电流、起动电 流和功率因数之间的关系曲线，如图3 5 所示。图3 5 给出了典型煤矿 供电系统短路电流、起动电流、功率因数和短路点距电源距离之间的关 系曲线。其中，a 为短路电流相对值与功率因数的关系曲线；b ，c 为不 6 h 叫 山东农业大学硕士学位论文 同起动电流相对值与功率因数的关系曲线：d 为鉴幅、鉴相相乘的临界 动作曲线；e 为q 2 岛= 1 时鉴幅、鉴相相加的临界动作曲线；f 为f = 1 2 5 ， c ：= 0 9 时鉴幅、鉴相相加的临界动作曲线。 012 34 56 7 图3 4 异步电动机起动电流与功率因数关系曲线 f i g 3 4 c h a r a c t e r i s t i c so fs t a r t i n gc u r r e n ta n dp o w e rf a c t o r 在图3 ，5 中，短路电流和起动电流相对值都是以供电系统可能发生 的最大短路电流为基准的。由此可见，传统的鉴幅式短路保护要躲过起 动电流，将使保护范围大大缩小。例如，电流动作值取，= o 2 5 时，保护 范围小于5 0 0 m 。然而，对于单纯鉴相式保护，若要保护线路全长，即动 作整定值为c o sm = o 4 ，则电动机起动时可能产生误动作。若要躲过起 动电流，则保护距离较小范围内发生短路时将得不到保护。综合考虑这 两个因数，则既能避免大型电动机起动时的误动作，又能保护线路全长， 曲线d 是两者相乘为一常数所确定的临界动作曲线，即： i c o s 由= c( 3 4 ) 可以看出，取不同的常数c ，可得不同的临界动作曲线，只要常数 l m m 吼 o o 塑堑型塑壑堡芝垄堡芝主堕茎垄墨窒旦 选择合理，就可以取得满意的保护效果。图3 5 中的曲线d 是在c = 0 ，i 时得到的。然而从图中也不难发现，动作界限的选择余地是比较小的。 将鉴幅、鉴相所得到的值分别与常数c ，c ，相乘后再相加，即 c 1 ，二+ c 2c o s = 1( 3 5 ) 选择不同的常数q ，c ：可得到不同的临界动作直线，如图3 5 中直线e ， f 所示。根据电网负荷大小选择不同的常数q ，c ，可得到斜率不同的动 作直线，这样可取得最佳的保护效果，它不但有较宽的动作界限选择余 地，而且有很高的动作灵敏度和可靠性。 i 2 1 0 e 兽0 8 u 0 6 0 2 0 o 0 0 0 20 4 0 60 8i 0 电流倍数( i ) 图3 5 短路电流、起动电流和功率因数的关系曲线 f i g 3 5 g e r n e r a lc h a r a c t e r i s t i c so f s h o r t c i r c u i tc u r r e n t s t a r t i n gc u r r e n ta n dp o w e rf a c t o r 3 2 不对称故障保护 在煤矿井下低压电网中，不对称故障状态有两相短路、断相、单相 山东农业大学硕士学位论文 接地等，相敏保护并不能保护这种不对称故障，因为在线路发生不对称 故障时，故障电流不再对称，线电流间的相位差将偏离1 2 0 。，不再存 在短路电流与大型电动机起动电流间的固有关系。由上述分析可知，在 电网发生不对称故障时，其重要的特征是线路中存在负序电流，而且两 相短路和一相断线时的负序电流的大小可以判断不对称故障状态。对于 单相接地故障，可采用零序电流方向保护。在该保护系统中，设计了负 序电流滤波器，用于检测供电线路的不对称状态，其原理如图3 5 所示。 】 负 序 电 p 匦 傩 压 a 口 1 竖| i ；i 习f i i i 酮u 6成 图3 5 负序电流滤波器 f i g 3 6n e g a t i v es e q u e n c ec u r r e n tf i l t e r 图中1 2 0 。移相电路是差模输入有源移相器，系统电流经电流电压 转换、移相和负序电压合成后便可得到计算机能够检测的信号。 即“。w = 一( u a + d 2 + a u 。) = 一3 行f r ，矿( 2 ) ( 3 6 ) 式中：“。为负序滤波器的输出电压； “。，“6 ，“。分别为a ，b ，c 三相不对称电流所对应的电 压； a 为旋转向量，a = e m ”； 智能型相敏保护在煤矿中的开发及应用 n ，为电流传感器的变换系数； r 为电流传感器的负载电阻； ，矿( 2 ) 为线路a 相的负序电流。 由此可见，滤波器的输出电压仅反映输入电流的负序分量，计算机 根据滤波器输出电压的大小即可来