（电力电子与电力传动专业论文）33kv矿用智能型负荷控制中心的研究.pdf

摘要 系统短路电流，保护经常会发生误动或拒动现象。本文提出了基于硬件合成功率因数 检测的相敏型对称短路保护方案，完全克服了误动和拒动现象。文中设计了硬件电路， 在m u l t i s i m 7 0 环境中进行了仿真，经过实验室、工业样机和矿井现场三个阶段的试 验，结果表明：短路保护反应灵敏、动作可靠。 暂态过电压是造成煤矿井下电动机及电缆绝缘击穿的主要原因之一，本文在分析 暂态过电压形成原因和故障特征的基础上，提出了压敏电阻和阻容吸收相结合的保护 方法，确定了接线方式，计算了保护参数。两者结合实现暂态过电压保护的方式不仅 能降低过电压幅值，而且能改善过电压波形。 提高矿井生产效率，保障矿井生产安全，一直是煤炭行业的两大主题。负荷控制 中心的运行状况直接影响着综采工作面生产的连续性和安全性。本文设计了故障自诊 断系统，确定了自诊断项目，既能及时发现测控系统所存在的问题，又能提高测控系 统的维护效率。 t 本文设计了既满足矿井生产要求，又符合p l c 技术特性的人机通道。提出了b c d 码拨盘输入结合液晶屏显示的交互模式，增加了操作人员的可操作性，缩短了发现故 障和排除故障的时间，提高了生产效率。 全矿井安全监测监控系统是我国煤矿的必备手段，是保障矿井安全生产的必要措 施，本文提出了以p r o f i b u s 总线为基础的负荷控制中心通讯系统方案，进行了相关组 念，编写了通讯程序，为实现监测监控功能提供了技术保障。 关键词3 3 k v 供电系统，智能电器，负荷控制中心，可编程控制器，本质安全， 故障保护 i i 太原理t 大学硕十研究生学 奇论文 i 釜骖蝎。篱t i 国yo nt h em i n i n gf l a m e p r o o fi n t e i l l g e n tl o a dc o n t r o l c e n t e rf o r3 3 k vu n d e r g r o u n dd i s t r i b u t i o ns y s t e m a b s t r a c t t h er e s e a r c hp r o j e c ti nt h i st h e s i si sa l li m p o r t a n tp a r to f “s t u d yo nm e a s u r e m e n ta n d c o n t r o ls y s t e mf o r8s e tv a c u u mc o n t a c t o r ss w i t c h g e a ri n3 3 k vu n d e r g r o u n d d i s t r i b u t i o nn e t w o r kb a s e do np l c ”( ：0 0 31 116 ) w h i c hi ss p o n s o r e db ys c i e n c ea n d t e c h n o l o g yd e p a r t m e n to fs h a n x ip r o v i n c e t h ew o r ki sp r o p o s e di na c c o r d a n t ew i t ht h e p r o b l e m se x i t e di nt h ef u l l ym e c h a n i z e df a c es u c ha sh i g hv o l t a g el e v e l i a r g ep o w e r e q u i p m e n t ，m o r ek i n do fl o a d s ，c o m p l i c a t e dc o n t r o lm o d e s ，d i f f i c u l tt r a n s i n f o r m a t i o na n d s oo n w i t ht h eg r o w t ho fd o m e s t i cc o a li n d u s t r y , i th a sb e e nt h em a i nt r e n dt ob u i l du p s u c ham i n i n gm o d e la so n em i n e o n ep i ta n do n ef a c e 0 nt h eb a s eo ft h em i n i n gm o d e l m e n t i o n e da b o v e i ti so b j e c t i v er e q u i r e m e n tt or a i s et h er u n n i n gv o l t a g el e v e lf r o ml1 4 0 v t o3 3 k vi nu n d e r g r o u n dd i s t r i b u t i o nn e t w o r k h o w e v e r , b e c a u s ei ti sd i f l i c u l tt om a t c ht h e i m p o r t c dm i n i n gs y s t e mw i t ht h ee l e c t r i c a lc o n t r o le q u i p m e n t sm a d ei nc h i n a , a l l3 3 k v e l e c t r i c a ls w i t c h g e a r sh a v et ob ei m p o a e df r o ma b r o a di np a s ty e a r s ，s u c has i t u a t i o nh a s r e s u l t e di nm a n yl i m i t st od e v e l o pd o m e s t i cc o a li n d u s t r yd u et ot h eh i g lp r i c e ，l o n g s u p p l y i n gp e r i o da n ds o m et e c h n i c a li n d e x w i t c hc a nn o tm e e tt h er e q u i r e m e n t sf o r m u l a t e d b yn a t i o n a ls t a n d a r dg b 3 8 3 6 i ti so fv e r yi m p o r t a n ts i g n i f i c a n c et od e v e l o pt h em i n i n g f l a m e p r o o fi n t e l l i g e n tl o a dc o n t r o lc e n t e rf o r3 3 k vu n d e r g r o u n dd i s t r i b u t i o nn e t w o r k t h e r eh a v eb e e nm a n yp r o b l e m ss u c ha ss i m p l ep r o t e c t i v ep r i n c i p l e 1 0 w e rr e l i a b i l i t y a n dw o r s es t a b i l i t ymm o t o rp r o t e c t i o ns y s t e m sa tal o n gt i m e s ot h a tt h ep h e n o m e n o n r e s u l t e di nm o t o r sb u r n e do u ti sh a p p e n e df r e q u e n t l y a c c o r d i n gt ot h es i t u a t i o n , i ti s n e c e s s a r yt ot a k et h em e a s u r e m e n ta n dc o n t r o ls y s t e mo f3 3 k vm i n i n gf l a m e p r o o f i n t e l l i g e n tl o a dc o n t r o lc e n t e r ( l c c ) a st h er e s e a r c hp r o j e c ti nt h i st h e s i s t h es a m p l e s y s t e mf o ri n d u s t r i a la p p l i c a t i o nh a sb e e nm a n u f a c t u r e d t h et e s t i n gw o r k sh a v eb e e n d o n e w i t ht h es a m p l ea n dt h es a t i s f i e dr e s u l t sh a v e b e e na c h i e v e da sf o l l o w i n g ： a c e o r d i n gt ot h ef i e l dr e q u i r e m e n t s ，t h eg e n e r a ls c h e m eo fm e a s u r e m e n ta n dc o n t r o l s y s t e mo fl c c i sp r o p o s e dw h i e hc a l lm e e tt h er e q u i r e m e n t so fm o t o r sw h i c ha r cu s e df o r d r i v i n gt h eo p e r a t i n gp r o p e r t i e si n s t a l l e di nu n d e r g r o u n d t h ep r o t e c t i v ec i r c u i t si nt h e m e a s u r e m e n ta n dc o n t r o ls y s t e ma r ed e s i g n e da n dt h et e c h n i c a ic h a r a c t e r i s t i c sa r e e s t a b l i s h e di nt h es y s t e m i th a sb e e ns h o w nb ye x p e r i m e n tr e s u l t st h a tt h es c h e m ei s r e a s o n a b l es oa st od e v e l o pl c c w h i c hl a y saf o u n d a t i o nt oe s t a b l i s ht h es a m p l es y s t e m f o ri n d u s t r i a la p p l i c a t i o n as e to fi n t r i n s i cs a f e t yc i r c u i t sh a v e b e e ne x p l o r e da n ds o m et e c h n i c a lp a r a m e t e r sa r e p r o p o s e d a ts a m et i m e t h ei n t f i n s i cs a f e t yc h a r a c t e r i s t i c sa r ea n a l y z e da n ds o m ef a u l t c o n d i t i o na r es i m u l a t e d i th a sb e e nv e r i f i e db yt h ee x p e r i m e n t st h a tt h ep i l o tc i r c u i tc a n n o to n l ys a t i s f yt h ei n t r i n s i cs a f e t yr e q u i r i n gb u ta l s ot h es a f e t yc o e m c i e n tko f t h ec i r c u i t s i sg r e a t e rt h a nt h er e q u i r e m e n t so fi bl e v e l 。w h i e hc a ni n c r e a s et h e 鼢f e t yp r o p e r t i e so f l c ca n dp r o m p tt h es a f e t yp r o d u c t i o ni nu n d e r g r o u n d l e a k a g ep r o t e c t i o ni so n eo ft h et h r e em a i np r o t e c t i o i l si i lu n d e r g r o u n dd i s t r i b u t i o n i l l a b s t r a e t i i n e t w o r ka n dan o v e lp r o t e c t i o ns c h e m ec o n s i s t e do fe a r t hl e a k a g el o c k o u t e a r t hl e a k a g e p r o t e c t i o na n dh vi n s p e c t i o nf o rt h ei n s u l a t i o no fu n d e r g r o u n dc a b l ei sp u tf o r w a r dt o p r o t e c tt h ei n s u l a t i o no fu n d e r g r o u n dc a b l ea n dm o t o r sf r o me a r t hl e a k a g ef a u l t w h i c hi s v e r yd i t t e r e n tf r o mt r a d i t i o n a lp r o t e c t i v es y s t e mi nm a g n e t i cs t a r t e r s a l t h o u g ht h et h r e e k i n de a r t hl e a k a g ep r o t e c t i o n sh a v es a n l et a r g e tw h i c hi st h eu n d e r g r o u n dc a b l ea n dm o t o r s t h eo p e r a t i n gt i m ea n dp r o t e c t i o nl i m i ta r ed i f f e r e n t a sar e s u l t ，t h ec o m b i n a t i o no ft h r e e e a r t hl e a k a g ep r o t e c t i o nc a nn o to n l yc a r r yo u tt h ef a u l tf o r e c a s ta n dt r i p p i n gb u ta l s o i n s p e c tt h ei n s u l a t i o nc o n d i t i o no f u n d e r g r o u n dc a b l ea n dm o t o r s d e t e c t i n gt h ea m p l i t u d eo ft h r e ep h a s ec u r r e n tw a sa d o p t e dt op r o t e c tt h em o t o rf r o m s y m m e t r i cs h o r tc i r c u i tf a u l ti nf o r m e rp r o t e c t i o ns y s t e mw h i c hc a l ln o td i s t i n g u i s h b e t w e e nt h es t a r tc u l t e n ta n ds h o r tc i r c u i tf a u l to fm o t o r s ot h a tt h ep r o t e c t i o ns y s t e mi so f v e r yl o wr e l i a b i l i t y an e wk i n do fs h o r tc i r c u i tp r o t e c t i o ns v s t e mb a s e do nd e t e c t i n gt h e p o w e rf a c t o rc o m b i n e dw i t hh a r d w a r eh a sb e e nd e s i g n e d 。w h i c hc a l lg e tr i do ft h ew r o n g a c t i o n i na d d i t i o nt h a tt h eh a r d w a r ep r o t e c t i o nc i r c u i ti st e s t e d ，t h eh a r d w a r ec i r c u i ti s s i m u l a t e di nt h es y s t e mo fm u l t i s i m i th a sb e e np r o v e dt h a tt h es h o r tc i r c u i tp r o t e c t i o ni s o fs e n s i t i v i t ya n dr e l i a b i l i t yb yt h r e es t a g et e s t si nl a b o r a t o r y , i n d u s t r i a ls p e c i m e na n d f i e l d s t r a n s i e n to v e rv o l t a g ef r o mo p e r a t i n gv a c u u mc o n t a c t o ri so u eo fm a i nr e a s o n s r e s u l t e di ni n s u l a t i o nb r e a k d o w no fm o t o ra n dd i s t r i b u t i o nc a b l ei nu n d e r g r o u n d d i s t r i b u t i o n o nt h eb a s i so fa n a l y z i n gt h er e a s o n sg e n e r a t e do v e rv o l t a g ea n dt h ef a u l t c h a r a c t e r i s t i c s t h ep r o t e c t i o nm e t h o dc o m b i n e dt h e 刖甲gw i t hr e s i s t a n c ec a p a c i t a n c e a b s o r b e ri s p r o m o t e d ，t h ec o n n e c t i n gs t 3 7 l e i sd e t e r m i n e da n ds o m ep a r a m e t e r sa r e c a l c u l a t e di nt h i sp a p e r s u c hp r o t e c t i o nm e t h o dc a r ln o to n l yr e d u c et h ea m p l i t u d eo f o v e r v o l t a g ew a v e sb u ta l s od e c r e a s et h eg r a d i e n to f o v e rv o l t a g ew a v e s b o o s t i n gt h ep r o d u c t i v i t ya n di n c r e a s i n gt h es a f e t yi nu n d e r g r o u n dp r o d u c t i o na r et w o k e yr e s e a r c hp r o j e c t si nd o m e s t i cc o a li n d u s t r y t h er u n n i n gc o n d i t i o no fl c c c a l ld i r e c t l y e x e r ta l li n f l u e n c eo nt h ec o n t i n u i t ya n ds a f e t vo ft h ep r o d u c t i o ni nf u l l ym e c h a n i z e df a c e t h ef a u l ts e l fd i a g n o s t i cs y s t c mf o rt h el c ci sd e v e l o p e dw h i c hc a nn o to n l yf i n dt h e f a u l t se x i s t e n c ei nl c cb u ta l s od e c r e a s et h ea m o u n to f m a i n t e n a n c ew o r k s n ei n t e r f a c eb e t w e e nh u m a na n dl c ci sa l s od e v e l o p e dw h i c hi sf i tf o rt h em i n i n g p r o d u c t i o na n dt h et e c h n i c a lc h a r a c t e r i s t i c so fp l c ，t h ep a r a m e t e ri n p u tm o d eo f c o m b i n i n gb c d d i a lp l a t ew i t hl c d p a n e li sp r o p o s e dt oi m p r o v et h eu s a b l eo p e r a t i o no f w o r k e r , d e c r e a s et h et i m et of i n da n dg e tr i do f t h ee x i s t i n gf a u l ta n db o o s tt h ep r o d u c t i v i t y i nu n d e r g r o u n d ni se s s e n t i a lt oe s t a b l i s ht h es a f e t ym o n i t o r i n gs y s t e mi nu n d e r g r o u n db e c a u s ei ti s t h en e c e s s a r ym e a s u r et oe n s u r et h es a f e t yo fu n d e r g r o u n dp r o d u c t i o n t h ec o m m u n i c a t i o n s c h e m eb a s e do nt h ep r o f i b u si sp u tf o r w a r di nl c ca n dt h es o f t w a r ei sp r o g r a m m e dt o t r a n s m i tt h ei n f o r m a t i o nb e t w e e nl c ca n do t h e rc o m p u t e rs 3 ，s t e mw h i c hs u p p l i e sa t e c h n i c a ls u p p o at oc o m m u n i c a t ew i t ht h eu n d e r g r o u n dm o n i t o rs y s t e m k e y w o r d s ：3 3 k vd i s t r i b u t i o nn e t w o r k ，i n t e l l i g e n te l e c t r i c a le q u i p m e n t ，l o a dc o n t r o l c e n t e r ，p l c ，i n t r i n s i cs a f e t y ，f a u l tp r o t e c t i o n i v 太原理工大学硕十研究生学付论文 第一章绪论 1 1 负荷控制中心的发展与现状 负荷控制中心是对综合机械化采煤工作面主要负荷进行集中控制与保护的电气 设备，属于矿用隔爆兼本质安全型智能组合电器，是真空磁力起动器的更新换代产品， 其性能优劣直接关系着被控电动机运行的可靠性和安全性。 1 1 1 国外的发展与现状 随着综合机械化采煤技术的发展，七十年代初期，美国就把真空接触器应用到井 下磁力起动器中【1 】；八十年代初期，德国开发出形式多样的矿用隔爆型组合开关 2 1 ， 如s i e m e n s8 s k 系列和a e g m s l 系列，均可以控制2 9 个支路负荷。俄罗斯生产 的c y b 1 1 4 0 组合开关可以控n 2 - 5 个支路负荷，且支路最大控制功率可达4 0 0 k w 1 7 1 。 尽管这些组合开关具有过电压、短路、过载和漏电闭锁等保护功能，但其保护电路均 采用分立元件和模拟式保护方法，元件分散性大、保护灵敏度低、稳定性差，且人机 界面采用指针式电流表、电压表和发光二极管作为状态显示，人机交互性差。随着计 算机技术的发展，英国、法国和澳大利亚等国先后研制开发了以单片机为控制核心的 组合磁力控制站【3 “，它较原来的模拟式组合磁力控制站在保护性能、动作指标、人 机界面、数据通讯、监测监控和可靠性方面均有较大提高。 1 1 2 国内的发展与现状 虽然我国是产煤大国，但国内组合磁力控制站的研发起步较晚，主要经历了以下 几个阶段： ( 1 ) 八十年代以前，磁力起动器主控元件一直采用空气接触器，所配的保护只 有熔断器和热继电器两种，原理简单、可靠性差。电动机烧损现象十分严彭”。 ( 2 ) 八十年代，j d b 系列电动机综合保护器i 】的出现，使得煤矿井下的生产和 安全有了很大改观，但由于分立元件的分散性和保护原理的简单化，电动机烧损现象 仍然居高不下。 ( 3 ) 进入九十年代后，为了满足日益增长的煤炭需求量，客观上要求提高煤矿 井下生产效率，实现采煤、运煤一条龙的流水线综合机械化作业，我国相继开发出多 绪论 个系列的真空磁力控制站，但均存在不同程度的缺陷。d q z b h 系列单体真空磁力起 动器【1 0 l 较j d b 系列在保护性能上有很大提高，但在检测技术、控制方法、保护原理 和结构形式等方面并没有根本性变化，严重制约着我国煤矿井下供电的可靠性和安全 性。q j z 型两组合矿用电磁起动器 1 1 1 2 1 和z k 8 0 八回路矿用隔爆型组合磁力控制站【l 川 的出现，在国内第一次实现了采煤工作面主要负荷的集中控制，为我国矿用电控产品 向集成化发展迈出了重要一步，但仍采用电子插件式保护，功能单一、可靠性差，不 能完全适应我国煤矿井下向现代化、智能化发展的形势【j 4 1 。随着微机技术的发展， 单片机技术也被应用于真空磁力起动器【l5 j 中，但也仅限于单体或双速磁力起动器1 1 6 l ， 无法满足综采工作面集中控制的要求。 ( 4 ) 2 0 0 2 年，太原理工大学和潞安海通工贸有限公司合作，研制丌发了以p l c 为中央控制单元的矿用隔爆兼本质安全型智能组合真空磁力控制站 r l ，该控制站操作 方便、保护功能齐全、动作指标先进，特别是采用大屏幕液晶屏显示的人机界面，可 记录并显示磁力控制站的工作状态和故障参数。该控制站的成功开发代表我国已经具 备了实现煤矿井下电控产品智能化、集成化控制的实力，具有重要的里程碑意义。 ( 5 ) 随着我国煤矿井下高产高效工作面的不断建设，综采工作面供电电压升高 至3 3 k v ，客观上要求有与此电压等级相适应的国产化电气设备【l ”，我国也研制出了 一些3 3 k v 电气设备，并进行了试运行，但运行效果不理想。除长沙变压器厂生产的 3 3 k v 移动变电站运行较稳定外，徐州煤矿机械厂生产的q j z3 1 5 a 3 3 k v 系列磁力 起动器1 1 s l 仅是双回路结构，且抗干扰性能差，经常出现保护误动作现象，严重影响 煤矿生产效率，在保护性能和控制方式上均达不到高产高效工作面的要求【1 9 1 。与此 同时，国内也有其它研究单位和制造厂商致力于3 3 k v 矿用智能组合电器产品的研究 和开发，但都采用与国外厂商合作的方式，例如，长治防爆电动机厂，上海a l l e n w e s t 公司，天津b e c k e r 公司等国内厂商均采用这种主控系统购买国外产品，仅在国内组 装、调试的合作模式，完全没有自主知识产权。 1 2 我国煤矿井下供电系统特点 随着世界能源工业的发展，煤炭行业不断受到各种挑战，必须不断提高生产效率 以适应市场需求，但提高生产效率必须以提高工作面设备功率和工作面长度为基础， 造成工作面的原供电电压等级经常不能满足功率及供电距离的要求。所以，伴随着煤 矿井下采掘功率的几次大幅度提高，我国煤矿井下工作面供电电压等级也逐步升高， 形成了目前几种供电电压等级并存的矿井供电系统。 1 ) 六十年代以前，普遍采用3 8 0 v 固定式采区变电所形式的供电方式。 2 l ， 太原理r 大学硕+ 研究生学付论文 2 ) 七十年代中期，以6 6 0 v 移动变电站供电方式为主，部分矿井已将采区电压 升高至1 1 4 0 v ，国有大型煤矿已很少采用3 8 0 v 电压等级供电。 3 ) 九十年代初期，1 1 4 0 v 移动变电站供电方式成为综采工作面主要供电方式， 但6 6 0 v 电压等级也占相当大比重，1 1 4 0 v 电压等级供电系统主要应用在年产9 0 | 丁 吨以上的矿井，而6 6 0 v 电压等级的供电系统主要应用在年产4 5 力吨以下的矿井。 4 ) 自九十年代末期以来，虽然1 1 4 0 v 仍然是主要供电电压等级，但已经突显出 其供电局限性，因此，国内大部分高产高效综合机械化采煤工作面均采用了3 3 k v 电 压等级供电，并成为主要发展趋势1 2 ，原因在于： ( 1 ) 1 1 4 0 v 电压等级供电的局限性 当a f c 驱动装置功率大于2 x 3 0 0 k w 时，电动机的起动转矩不能满足起动要求。 在1 1 4 0 v 供电电压等级下，采煤设备的功率要求已使某些供电设施的允许电 流达到了极限，如顺槽配电箱、拖曳电缆和电缆接头等。 由于千伏级移动变电站容量所限，致使a f c 驱动装置和采煤机牵引、切割功 率受到限制，从而限制了工作面的生产能力，降低了生产效率。 ， 理论上分析，增大1 1 4 0 v 供电设备的额定电流，就可以满足功率供给的要求， 但在长距离供电情况下，电流增大会使线路损耗增加，供电质量下降，不能满足电气 设备的技术要求。此外，增大铠装拖曳电缆截面会使电缆重量增加、弯曲半径加大， 移动起来极不方便，而且也增加了供电成本，甚至于这样的电缆根本无法选择。例如， 晋城煤业集团寺河矿综采工作面采煤机的单机容量可达1 8 1 5 k w ，若按照巩= 1 1 4 0 v ， q = 0 9 ，e o s t p = 0 7 考虑，则i n = 1 5 5 0 a ，要满足1 5 5 0 a 电流传输要求的铠装拖曳电缆是 不存在的。同理，如此大额定电流的真空接触器也是不存在的。 ( 2 ) 选择3 3 k v 电压等级供电的理由【2 2 l ： 国外煤矿已有使用3 3 k v 供电系统的经验及相应的电气设备。 3 3 k v 是我国承认的电压等级。 。 具有在地面使用3 3 k v 以上电压等级电气设备的经验。 ( 3 ) 当工作面供电电压等级提高到3 3 k v 后，有如下优点： 在工作面的设计中，可采用大功率的驱动装置，以满足高产高效工作面生产效 率的要求。 工作面电压的稳定性将大大提高。 在功率相同的情况下，电压等级的提高，会使电网的损耗减小，提高供电质量 和供电效率；减小电缆截面，节约铜材，降低成本。 3 绪论 1 3 研究负荷控制中心的意义 国家科学技术委员会颁布的中国科学技术白皮书( 第五号) 一中国科学技术政 策指南将能源列为重点研究领域，明确指出发展战略目标是电力系统的供电可靠性、 供电质量和供电经济性，建立运行设备和电网故障诊断及监测系统。根据这一指导思 想，煤炭科学研究总院也将煤矿井下电网升压改造作为重点工程引进和消化。本项目 正是为了实现这一战略目标而提出的。 随着煤炭工业的发展，采煤方法正在由粗放型向集约型过渡，一矿一井一面的建 矿模式已成为我国大型矿井的发展方向，客观上要求采煤工作面电压由1 1 4 0 v 提升 至3 3 k v 。九十年代，首个3 3 k v 采煤工作面在晋城矿务局古书院矿【2 4 l 试运行成功后， 到目前为止，我国已有数十个高产高效采煤工作面采用3 3 k v 电压等级供电，还有一 批大中型矿井按照3 3 k v 供电电压等级来设计。但是，除部分矿井采用长沙顺特变压 器厂生产的3 3 k v 移动变电站外，3 3 k v 负荷控制中心无一例外地引进国外产品【2 3 瑚】。 进口设备供货周期长、配件不易购买，且价格昂贵，一台b & f 公司生产的六组 合3 3 k v 组合磁力控制站( c h p 3 3 - 6 ) 售价在1 8 5 万元左右，这种局面大大制约着我 国高产高效综合机械化采煤工作面的普及，限制了煤炭工业的发展。而负荷控制中心 研发成功后，其售价仅为进口同类型产品的4 0 左右，价格适中、供货周期短、配件 齐全、维护方便，可大大促进具有自主知识产权的智能化电器技术的发展。因此，研 究3 3 k v 矿用智能型负荷控制中心对于实现矿用3 3 k v 电控设备国产化，提高我国电 气行业的技术水平具有非常重要的现实意义和较高的经济价值。 3 3 k v 综合机械化采煤工作面通过使用采煤机、刮板输送机、破碎机、转载机及 胶带运输机等设备，集工作面采煤、运煤于一体，大大提高了矿井生产效率，与此配 套的驱动电动机功率大、数量多，一旦其中某台电动机发生故障，将切断整个生产线， 造成巨大经济损失。所以，必须配备技术先进、性能完善、动作可靠的控制系统实现 对驱动电动机的集中控制与保护，最大限度地保障煤矿生产连续性。因此，研究以 p l c 技术为核心的3 3 k v 矿用智能型负荷控制中心对于实现采煤工作面电动机控制 集中化、保护智能化具有重要的实际意义。 虽然国外3 3 k v 组合磁力控制站具有良好的动作指标，但其漏电保护动作电流比 较大，超过了我国煤矿井下人身触电时的安全电流指标。特别是美国，其煤矿井下供 电系统采用中性点直接接地方式，所以美国所开发的磁力控制站漏电保护系统是基于 中性点直接接地方式设计的，虽然保护装置灵敏度高，但若发生漏电故障，大接地电 流会加大引爆瓦斯煤尘爆炸的概率，若发生人身触电，将会给人身安全造成极大的威 4 太原理工大学硕十研究生学何论文 胁【5 7 1 。由此说明，国内已经使用的国外3 3 k v 组合磁力控制站在电气性能上不能满足 我国对漏电保护的要求。因此，研究适用于我国矿井供电系统的负荷控制中心对于实 现煤矿井下安全生产具有重要的社会意义。 负荷控制中心位于煤矿井下综合机械化采煤工作面的运输顺槽内，其供电系统如 图1 1 所示。 h v s 。6 0 0 a 。 - “ i s c s 船 q m t u u 囤 卜0 睁l c c u 判 9 4 9 9 9 94i9 i 葩一s h e a r e rs p 图1 i 负荷控制中心供电系统图 f i g 1 1d i s t r i b u t i o ns y s t e mo f p o w e rs u p p l yf o rl o a dc o n t r o lc e n t e r 图1 1 中，h v s ( h i 曲v o l t a g es u b s t a t i o n ) 是采区变电所；m t s ( m o v a b l e t r a n s f o l m e t s u b s t a t i o n ) 是移动变电站：i s c s ( i n t r i n s i cs a f e t yc o n t r o ls y s t e m ) 是本质安全型控制 系统；m t u ( m o v a b l e t r a n s f o r m c r u n i t ) 是负荷中心变压器单元；l c c u ( 1 0 a dc o n t r o l c e n t e ru n i t ) 是负荷控制中心。可以看出，负荷控制中心研制成功后，基本上可以满 足现代化矿井一个采煤工作面主要负荷的集中控制与保护。 综上所述，无论是科学技术进步的客观需求，煤矿高产高效安全生产的需要，智 能组合电器国产化的战略目标，还是迎接国际同行业的挑战，研制具有自主知识产权 的3 3 k v 矿用智能型负荷控制中心，对于实现煤矿井下电控设备集中化、智能化、国 产化具有重要的现实意义，对于提高煤矿生产的安全性、可靠性和生产效率具有重大 的社会意义和较高的经济价值。 1 4 本文的研究目标及主要内容 本文研究的内容是山西省重大科技攻关项目“基于p l c 控制的3 3 k v 八组合磁 5 绪论 力控制站测控系统的研究”( 2 0 0 3 1 1 1 6 ) 中的主要内容，是针对我国煤矿井下高产高 效采煤工作面电压等级提高、设备容量增大、负荷种类增多、控制方式复杂、信息交 换困难等问题提出的。 通过以上对负荷控制中心发展状况的回顾和对煤矿井下电网电压等级升高的必 要性分析，本文的研究目标是研制开发出技术先进、控制灵活、性能完善、保护可靠、 符合国情且具有自主知识产权的3 3 k v 矿用智能型负荷控制中心。 通过查阅大量国内外文献，围绕以上提出的研究目标，本文研究的主要内容如下： ( 1 ) 通过分析采煤工作面负荷的分布和控制要求，选择负荷控制中心的中央控 制单元，确定系统整体方案，制订各项技术指标。 ( 2 ) 针对煤矿井下特殊环境的要求，依据g b 3 8 3 6 1 ，设计能够满足煤矿井下远 控功能要求的本质安全型先导电路。 ( 3 ) 通过对煤矿井下各种电网故障的状态分析，有针对性地提出不同故障的保 护措施，设计硬件保护电路，编写软件程序，确定动作指标。 ( 4 ) 开发可靠实用的负荷控制中心自诊断系统，确保设备发挥最大生产效能， 实现高效维修目标。 ( 5 ) 设计既满足矿井生产要求，又符合p l c 技术特性的人机通道。增加操作人 员对设备的可操作性，缩短排除故障时间，提高生产效率。 ( 6 ) 确定负荷控制中心通讯系统方案，进行相关组态，编写通讯程序，为实现 全矿井监测监控提供技术保障。 6 太原理工大学硕十研究生学付论文 第二章负荷控制中心方案设计 随着煤矿井下综合机械化采煤技术的发展，电气控制设备趋向于组合化、智能化 方向发展。秉着强稳定性、易操作性和高灵活性的原则，在调研、分析现场控制要求 的基础上，借鉴国外先进经验1 2 ”3 2 】，本章设计了负荷控制中心技术方案，提出了适 应现场需求的控制方式，制定了合理的保护功能，确定了动作指标，并根掘技术要求， 选择了c p u 控制系统，绘制了系统框图。试验结果表明：本章所提出的总体设计方 案合理，实现方式有效可行。 2 1 控制方式的确定 根据综合机械化采煤工作面转载机，刮板输送机及其它负荷的控制要求，负荷控 制中心设有六组控制回路，通过整定，可以组合成不同的工作方式以适应负荷改变时 的控制要求。根据被控对象的实际情况，负荷控制中心设计如下几种控制方式： ( 1 ) 单机手动方式 单机手动方式下，负荷控制中心六组控制回路相互独立，可以单独控制六路负荷。 采用耦合器进行远方起停控制，耦合器与负荷控制中心之间采用本质安全型先导电路 连接。该方式可用于采煤机、破碎机、转载机以及乳化液泵等负荷的单独控制。 ( 2 ) 单机程控方式 单机程控方式下，程控回路相互依存，协调工作，非程控回路仍然独立工作。将 需要进行程序控制的电动机按顺序联接，控制时以逆煤流方向延时依次起动，顺煤流 方向延时依次停止。若在运行过程中，某台电动机发生故障时，其逆煤流方向侧的所 有电动机立即跳闸，顺煤流方向侧的所有电动机间隔7 s 依次自动停机。该方式用于 胶带运输机、转载机、破碎机的程序控制，可以控制起停顺序，保障了采煤工作面生 产的可靠性和连续性。 ( 3 ) 单机双速方式 为了提高电动机起动性能，煤矿井下破碎机和转载机已经采用了双速电动机，单 机双速方式就是为了实现变极调速而设计的。 ( 4 ) 双机自动方式 双机是指驱动刮板运输机的双速双回路电动机，所有双机工作方式均是为了满足 7 负荷控制中心本质安全型电路的研究 该电动机控制功能而设计的。 “电流为主、时间为辅”是双机自动方式的控制原则