（电力电子与电力传动专业论文）基于plc控制的33kv移动变电站测控系统的研究.pdf

太原理工大学硕士学位论文 过热，以及差动等故障。 4 ，采用结构化程序的设计方法，设计了移动变电站测控系 统监控程序及各种功能模块程序。其中重点阐述了测控系统的 设计思想及软件框图。 5 ，根据煤矿井下的特殊环境，分析了存在的干扰源及产生 干扰信号的特征，并针对不同特征的干扰信号，制定了相应的 软件和硬件防治措施。 经实验室样机试验表明：该测控系统性能稳定，动作可靠， 且易于操作，具有较高的应用价值。 关键词：p l c ，移动变电站，测控系统，差动保护，漏电保护 太原理工大学硕士学位论文 s t u d y0 nt h em 匝a s u r e m e n ta n dc o n t r o l s y s t 巨mo f3 3 k vm o v a b l et r a n s f o r m e r s u b s t a t i o nb a s e do np r o g r a m l b l el o g i c c o n t r o l l e r a b s t r a c t t h em o v a b l et r a n s f o r m e rs u b s t a t i o n ( m t s ) p l a y sh i n g er o l ei ns u p p l y i n g c o n t i n u a b l ee l e c t r i c a lp o w e re n e r g yf o rc o a lm i n i n gf a c ei nt h eu n d e r g r o u n d 3 3 k vd i s t r i b u t i o nn e t w o r k s t h ep r o t e c t i v es y s t e mo f t r a d i t i o n a lm t si sm a d e u po fs c h i s mo r g a n s ，b u tf r a m e w o r ki sc o m p l e xa n dr e l i a b i l i t yi s r a t h e rb a d ， w h i c hb a d l yi m p a c t st h er u n n i n gs t a b i l i t yo fc o a lm i n i n gf a c e h o w e v e r ， b e c a u s eo fs l o wd e v e l o p m e n to fr e l a t e di n d u s t r ya th o m e ，t h ee l e c t r i c a l s w i t c h g e a r si nu n d e r g r o u n d3 3 k vd i s t r i b u t i o nn e t w o r k sa r em a i n l yi m p o r t e d f r o mf o r e i g nc o u n t r i e s 。t h ed e v e l o p m e n ta n dp o p u l a r i z a t i o no f3 3 k vp o w e r s u p p l yt e c h n i q u ei 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 sa r eb a d l yh i n d e r e db y t h el o n gs u p p l yp e r i o do ft h ef i t t i n g si ns w i t c h g e a r sa n dt h e i rh i g hp r i c e s oi ti s h e n c ei m p o r t a n tt od e v e l o pan e wm 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 v m t s t h er e s e a r c ho f t h em e a s u r e m e n ta n dc o n t r o ls y s t e mf o r3 3 k vm t sb a s e d o np l ci sd e e p l yc a r r i e do u ti nt h i sp a p e ra sf o l l o w i n g ： 1 ，a i m i n g a tt h ep r e s e n to p e r a t i o nc o n d i t i o no ft h em t si nu n d e r g r o u n da t h o m e ，m u l t i f a r i o u sf a u l tc a u s e sf o ri t a r ea n a l y z e ds y s t e m a t i c a l l ya n dd e e p l y t h et r a d i t i o n a ld i f f e r e n t i a lp r o t e c t i v ep r i n c i p l e so ft h et r a n s f o r m e ra r eu s e di n t h i st h e s i s f i l t e rc i r c u i to fh i g hp r e c i s i o na n dn a r r o 、b a n d p a s si sd e s i g n e da n d t h ed i f f e r e n t i a lp r o t e c t i o no ft h et r a n s f o r m e ri si m p r o v e dc o n s e q u e n t l y t h e s e c o n dh a r m o n i ci sd o d g e de f f e c t i v e l yd u r i n gt h en o r m a ls t a r t i n g ，a sar e s u h 太原理工大学硕士学位论文 t h eu n e x p e c t e dt r i pi sr e d u c e da n dt h er e l i a b i l i t yi si n c r e a s e d 2 ，b a s e do nt h ea n a l y s i so f t h ev a r i o u sp r i n c i p l e so f t h el e a k a g ep r o t e c t i o n ， t h ep r o t e c t i v ep r i n c i p l ew i t ha d d i t i o n a ld i r e c tc u r r e n tp o w e ri sa d o p t e da n dt h e s c h e m eo fl e a k a g ep r o t e c t i o ni sd e s i g n e di nt h i st h e s i s t h et r i pr e s i s t a n c ev a l u e a n dc l o s e dr e s i s t a n c ev a l u eo f3 3 k vu n d e r g r o u n dp o w e rs u p p l ys y s t e mi s c o n f i r m e db yc a l c u l a t i n g i th a sb e e np r o v e db yt e s tr e s u l t st h a tt h es y m m e t r i c a n da s y m m e t r i ci n s u l m i o nf a u l t si nt h eu n d e r g m a n dd i s t r i b u t i o nn e t w o r k sc a n b ee x a m i n e dc o r r e c t l yb yt h es c h e m eo fl e a k a g ep r o t e c t i o n ，t h es t a b i l i t yo ft r i p r e s i s t a n c ev a l u eo f t h ee a r t hl e a k a g ef h u l ti sg u a r a n t e e d 3 ，an o v e lm e a s u r e m e n ta n dc o n t r o ls y s t e m ( m c s ) u s e di n3 + 3 k vm t s h a sb e e ne s t a b l i s h e db a s e do np l c ，b yw h i c he l e c t r i c a l f a u l t ss u c ha se a r t h l e a k a g e ，o v e r l o a d ，s h o r tc i r c u i t ，o v e r - v o l t a g e ，o v e r h e a t ，d i f f e r e n t i a lp r o t e c t i o n a n ds oo nc a l lb ea u t o m a t i c a l l yd i s t i n g u i s h e da n d p r o c e s s e d 4 ，t h ed e s i g nm e t h o do f m o d u l ep r o g r a mi si n t r o d u c e da n dt h em o n i t o r i n g p r o g r a ma n df u n c t i o ns u b p r o g r a m sa r ec o m p i l e di nt h i st h e s i s e s p e c i a l l y , m o r e a t t e n t i o ni sp a i dt od e s i g np h i l o s o p h ya n ds o f t w a r ef l o wc h a r t s 5 ，a c c o r d i n gt ot h es p e c i a le n v i r o n m e n ti nu n d e r g r o u n d ，t h es o u r c e sa n d t h ef e a t u r e so f i n t e r f e r e n c es i g n a l sa r ed i s c u s s e d ，a n dv d t ht h ee x c e p t i o no f t h i s ， a n t i i n t e r f e r e n c em e a s u r e sa r et a k e nt oe l i m i n a t ei n t e r f e r e n c es i g n a l sf r o mm t s i nt h i sp a p e rb yu s eo f h a r d w a r ea n ds o f t w a r e i th a sb e e ns h o w nb yt e s t si no u rl a b o r a t o r y , t h a ta l lp e r f o r m a n c ea n d f e a t u r ep a r a m e t e r sa r ea l ls a t i s f i e dt h et e c h n i c a lr e q u i r e m e n t s ，p r o p o s e db y r e s e a r c ha p p l i c a t i o n ，a n dt h em e a s u r e m e n ta n dc o n t r o ls y s t e mi sr e l i a b l e ，w h i c h i sp r o v i d e dw i t hh i g h e ra p p l i e dv a l u e k e yw o r d s ：p r o g r a m m a b l el o g i cc o n t r o l l e r ，m o b i l et r a n s f o r m e rs u b s t a t i o n ， m e a s u r e m e n ta n dc o n t r 0 1s y s t e m ，d i f f e r e n t i a lp r o t e c t i o n ，e a c h l e a k a g ep r o t e c t i o n 太原理工大学硕士研究生学位论文 1 1 国内外研究情况 第一章绪论 1 1 1 移动变电站的组成 我国煤矿供电系统一般由三级变电所组成：即地面变电所、井下中央 变电所和采区变电所b 】。矿井地面变电所是矿山供电系统的棍纽，它担负 着向并上、井下变配电的任务，它将3 5 k v 电能变为6 1 0 k v 电能，向额定 电压为6 1 0 k v 及以下的用电设备供电。井下中央变电所一般设在靠副井 的井底车场范围内，负责向下一级变电所分配电能。采区变电所是采区的 供电枢纽，它接受井下中央变( 配) 电所送来的高压电能，变成低压电能 后，直接配送给采掘工作面配电点或用电设备。移动变电站是哥中可移动 的供电成套设备，用于把煤矿井下来自中央变电所的高压电能转变为低压 电能，并向采区工作面生产机械驱动设备提供电能的移动式变配电装置， 由商压侧开关、干式变压器和低压侧开关组合而成1 2 j 。 1 1 2 国外的研究情况 2 0 世纪6 0 年代初期，英国、西德、苏联等产煤大国，已经开发并推 广采用了移动变电站。1 9 6 5 年我国从英国引进却盘纳采煤机组时，曾随同 引进了移动变电站，其容量为1 8 0 k v a ，电压为6 6 0 v ，高压侧丌关为高压 负荷开关，低压侧开关为空气断路器。随着世界采煤机械设备的发展，移 动变电站在容量、电压等级和高低压侧开关的性能上，都有了很大的发展 和提高。2 0 世纪7 0 8 0 年代，我国从西德、英国、同本、苏联、波兰等园， 引进了大批采煤机械设备，其中包括移动变电站，其容量高达7 5 0 k v a ， 二次电压高达1 ，2 k v ，高压侧丌关采用s f 6 断路器，高压侧保护性能较完 善，低压侧开关采用真空断路器，分断能力和寿命也有了很大的提高。 2 0 世纪9 0 年代咀来，世界采煤大国都采用高产高效综合机械化采煤， 实施一矿一面作业，日产1 3 万吨，美国在1 9 9 4 年一个工作面f 1 产景就 太原理工大学硕。 ：研究生学位论文 可以达到4 5 万吨，总装机容量剧增，各国的移动变电站发展到了一个新 阶段。 综台世界产煤大国的移动变电站，其主要特征有： 1 、大容量。到目前为止，世界上最大容量的移动变电站是由澳大利 亚安控( a m p c o n t r o l ) 公司生产的，其容量为6 5 0 0 k v a 。 2 、高电压。一次侧电压高达5 1 2 5 k v ，二次侧电压高达5 k v 、4 1 6 k v 、 3 3 k v 、2 3 k v 等。 3 、变压器多绕组。多绕组变压器可以同时提供多种电压等级，大大 减少了工作面移动变电站的数量，降低了生产成本。 4 、低压侧_ 丌关向多样化、多路化方向发展。低压侧开关多种多样， 有s f 6 馈电开关、真空馈电开关、低压保护箱、负荷中心等型式。馈电开 关只有一路输出；而低压保护箱一般有两路输出，其容量比馈电开关的容 量要大：负荷中心的输出有2 - 1 0 路，常见的有4 8 路。 5 、微机监控。移动变电站的高压和低压侧开关，均采用微机进行监 测、控制、保护和通讯。 1 1 3 国内的研究情况 在我国，移动变电站的发展过程可以分三个阶段 ”1 ： 1 、第一代产品。1 9 6 7 年由煤炭部和一机部组织，煤科院上海研究所、 太原研究所、抚顺电机厂和上海变压器厂、上海开关厂、上海电器厂联合 设计了我国第一代移动变电站，1 9 6 9 年6 月出厂，在平顶山一矿进行了工 业性试验，1 9 6 9 年1 0 月通过了由煤炭部和一机部联合鉴定。当时我国果 煤机械还比较落后，单机容量较小，所以移动变电站的容量也较小，设计 有1 0 0 k v a 、2 0 0 k v a 、3 1 5 k v a 和5 0 0 k v a 四种，电压等级较低，为4 0 0 v 和6 9 0 v 两种；高压侧开关为负荷开关，额定电压为6 k v ，额定电流为6 3 a ， 其灭弧原理采用狭缝熄弧：变压器为h 级绝缘干式变压器；低压侧开关为 空气断路器，具有过载、短路、漏电等保护。 2 、第二代产品。2 0 世纪7 0 年代初期，我国从英国、西德、波兰等国 引进了上百套采煤设备和电器设备，也包括移动变电站。同时，在引进消 化的基础上，开发了较大功率的采煤机械。在这种形势下，1 9 7 4 年开始， 2 太原理工火学硕士研究生学位论文 由沈阳变压器厂、煤科院上海研究所、长沙变压器厂、太原变压器厂、通 化变压器厂连同其它开关厂，统一设计了千伏级移动变电站，我们称之为 第二代移动变电站，其额定电压为6 k v 1 2 0 0 v 或6 k v 6 9 0 v ，容量为 3 1 5 k v a 、5 0 0 k v a 、6 3 0 k v a 。离压侧开关仍为负荷开关，低压侧歼关为真 空馈电开关。第二代移动变电站于1 9 8 1 年通过鉴定，随后大量推广应用， 并继续开发了容量为8 0 0 k v a 、1 0 0 0 k v a 、1 2 5 0 k v a 的移动变电站。1 9 9 1 年，1 0 k v 的移动变电站通过了能源部鉴定，并推广应用。 3 、第三代产品。2 0 世纪9 0 年代初，我国创建高产高效综采工作而， 需要更大容量、更高电压、保护性能更完善的移动变电站。1 9 9 3 年开始研 制6 k v 3 3 k v 的1 6 0 0 k v a 移动变电站，现在已能生产2 5 0 0 k v a 的移动变 电站了。综合近1 0 年第三代产品的特征是：低压侧供电电压等级为3 3 k v ， 容量高达2 5 0 0 k v a ；高压侧开关采用高压真空断路器：低压侧开关采用 3 3 k v 、8 0 0 a 、1 0 0 a 的低压保护箱。 目前，我国已有近2 0 个企业生产移动变电站，其高低压侧丌关生产 企业达数十个，移动变电站的容量为高达2 5 0 k v a ，其电压等级高压侧为 l o k v 、6 k v ，低压侧为3 8 0 v 、6 6 0 v 、1 1 4 0 v 、3 3 0 0 v 。 1 2 研究3 3 k v 移动变电站测控系统的意义 1 2 1 传统移动变电站测控系统的固有缺陷 传统的移动变电站测控系统大都是采用低压侧保护装爱动作跳闭。低 压侧保护的优点是电压低，保护方式容易实现。但也存在着诸多的缺点【】： 1 、随着移动变电站电力变压器容量的增加，低压倒电流显著增大。 这是因为目前低压馈电开关的工作电压一般不超过1 1 4 0 v ，变压器容量增 大时低压侧电流会明显增大。例如变压器容量增大到3 0 0 0 k v a 时，低压 侧电流已超过1 0 0 0 a 。如果发生短路，此时的故障电流将成倍增加。 2 、变压器内部发生短路时，流过馈电开关的电流小，低压侧无法检 测，如果高压侧没有设置保护系统，将不能有效地保护变压器，增大了变 压器烧毁的可能性。 3 、保护配套不合理。大容量变压器配套的低压馈电丌关不能适应电 3 太原理一e 大学硕士研究生学位论文 网最大短路电流分断能力的要求和额定电流范围内正常运行的要求，从而 造成断路器分断故障电流时，经常被烧毁的现象。另外一种较为严重的情 况是，传统移动变电站低压馈电开关若长期工作在大电流状态。会致使触 点发热烧结，在负荷端发生故障时( 例如过流、漏电故障等) 不能有效地 切断故障电流，保护失灵，造成重大事故。 4 、低压馈电装置内部结构复杂。由于低压侧电流较大，馈电装置内 部工艺不过关，事故率高，给维护和使用带来诸多不便，直接影响正常生 产。而且体积较大，更换不便，也给正常生产带来了许多不利因素。 5 、高压侧配电装置为负荷开关，尽管能带负荷拉闸，但是当低压馈 电开关不能有效地分断故障时，工作人员往往会直接分断高压侧负荷开关， 以至造成高压负荷开关烧毁。 6 、高压侧进线装置为专用高压连接器。经多年使用因其绝缘材料和 实际安装工艺达不到要求，往往造成内部短路放炮。因此，在实际使用中 大都采用取掉中间插销部分直接进行线压连接。这样，虽然解决了放炮短 路问题，但是随之而来的进线装置放炮问题仍然未能得到有效解决。 综上所述，采用变压器高压侧保护跳阐，对其进行微型计算机控制 可以充分发挥计算机灵活、快速、准确的特点，使继电保护技术得以完善 和发展，在功能和性能上都显著优于传统的模拟式保护。其优点主要在0 ： 4 1 ： ( 1 ) 继电保护功能由硬件和软件联合确定； ( 2 ) 微机具有较强的逻辑判断和计算功能： ( 3 ) 具有较强的记忆能力和快速反应能力； ( 4 ) 具有强大的通讯功能，可实现网络化管理。 1 2 2 研究3 3 k v 移动变电站测控系统的意义 近年来，英国、德国等西方主要产煤大国在矿井继电保护方面均采用 了微型计算机控制方式，使得继电保护具有了功能多、智能化的优点。例 如，英国b r u s h 变压器公司生产的移动变电站就是这领域的典型代表。 它以单片机作为中央处理单元，采用模块化功能设计方法，实现了漏电、 短路、过载、过压等多项保护功能，是一种比较完善的保护系统，并能非 4 太原理工大学硕士研究生学位论文 常方便地实现就地控制以及远方控制功能。再如英国a l l e n w e s t w a l l a c e t o w n 公司的双速开关保护系统，由8 0 c 1 9 6 c p u 实现了微机保护， 保护系统采用模块插件式结构，由输入板、主控板、输出板、显示板和电 源扳组成，能同时实现多种保护功能。此外，德国s i e m e n s 公司生产的 s i p r o t e c4 系列多功能保护继电器，不仅具有完善的保护功能，而且具有良 好的人机界面。既能用于地面的供电系统，又能运用于矿井供电系统，是 新型智能化保护设备的典型代表。 在我国，随着科学技术的快速发展，煤炭工业在生产能力和技术水平 方面都有了长足的进步。到目前为止，已有部分矿业集团将采煤工作面的 工作电压由1 1 4 0 v 提高到3 3 k v ，熏裤华煤业集团、晋城煤业集团等。然 而由于我国配套设备的发展相对滞后，致使所有电控设备全部依靠进口， 这种设备尽管整体质量高，但配件贵，供货周期长，这种局面大大制约了 煤炭工业的快速发展。煤矿企业为了降低成本，提高竞争能力，必须加强 产品的高科技含量。因此，利用微机技术研究具有自主知识产权的智能型 移动变电站测控系统以提高它的功能、稳定性、可操作性、维护性和智 能性，实现变电站综合自动化具有非常重要的现实意义。 1 2 3 移动变电站测控系统的基本要求 根据移动变电站在煤矿井下供电系统中的枢纽作用，参考煤矿安全 规程，对移动变电站测控系统提出以下几点要求f 1 1 【2 l 【5 i ： 1 、可靠性。测控系统能准确地判断故障类型，可靠地执行相应的操 作。 2 、犬容量。移动变电站主要是把高压电能转换成低压电能，向用电 量较大的采煤工作面机械设备供电，因此其配套低压馈电开关应有较大的 容量。 3 、快速性。在保护范围内发生故障后，测控系统应快速反应，防【e 故障范围扩大，降低电气设备的损坏程度。 4 、灵敏度。测控系统应具有较强的反应故障的能力。即不论在保护 范围的始端还是在保护范围的末端发生故障，测控系统均应准确反应，甚 至在后备保护范围发生故障时，也应具有一定的反应能力。 太原理工大学硕士研究生学位论文 5 、选择性。保护动作应具有选择性。即有选择地切除电网中发生故 障的支路，保证非故障支路供电的连续性，尽量缩小中断供电的范围。 1 3 本文研究的主要内容 针对上述传统移动变电站存在的缺陷和测控系统的基本要求，通过查 阅大量国内外文献，结合现场实际情况，确定了本文研究的主要内容如下： 1 、分析煤矿井下供电系统的工作方式及低压电网发生故障时的电气 特征，提出有针对性的保护原理，通过实验研究测控系统各种特征参量的 检测方法和检测技术。 2 、通过对保护原理的分析，设计各种故障参数采集电路，并通过实 验验证采样电路的准确性。 3 、开发以可编程控制器( p l c ) 为核心的测控系统，建立大屏幕显示 系统和通讯系统。 4 、针对煤矿井下恶劣环境下的各种干扰源，提出有针对性的抗干扰 措施，以提高测控系统工作的可靠性。 5 、最后进行硬件和软件的总体调试，使其达到指标要求。 6 太原理工大学硕士研究生学位论文 第二章移动变电站常见故障及保护原理分析 移动变电站是一种可移动的供电成套设备，用于把煤矿井下来自中央 变电所的高压电能转交为低压电能，并向采区工作面生产机械驱动设备提 供电能的移动式变配电装置 ”1 。它的安全运行是整个采区工作丽工作可靠 性的必要条件。一旦发生故障，将造成严重后果。不仅影响生产，还可能 造成人身事故。因此，实现对移动变电站的保护显得十分重要。 2 。1 概述 本文是针对煤矿井下3 3 k v 移动变电站测控系统迸行的研究。该系统 主要由电力变压器、高压馈电开关以及低压侧测控系统组成 ”1 。其结构如 图2 】所示。当移动变电站负荷侧发生漏电、断相、过压、欠压、过流等 故障或变压器发生内部短路故障时，都可通过高压侧的断路器跳闸，实现 相应的故障保护。 藤“ nk 夕y 入i j 洲占 心天 p r o t e c t l o n r i 一 abc 图2 - 13 3 k v 移动变电站结构图 f i g 2 1s t r u c t u r eo f t h e33 k vm o v a b l et r a n s f o r m e rs u b s t a t i o n a 为高压真空断路器，主要功能是分合正常工作电流和切断故障电流。 b 为干式隔爆型三相电力变压器，空气绝缘，维护量很小。主要功能 是将井下中央变电所送来的高压电能变换为3 3 k v 低压电能向采煤工作砸 用电设备供电。 c 为移动变电站低压侧保护装置。该单元主要由漏电保护模块、短路 保护模块、过载保护模块、电压保护模块以及变压器差动保护模块和温度 7 太原理工大学硕士研究生学位论文 超限保护模块等组成。 保护应该能够快速地反映系统故障或不正常运行状态，并自动地将故 障部分从系统中切除，以保证系统无故障部分继续运行。当电气设备出现 不正常运行状态时，它应及时地发出信号或警报。针对煤矿现场生产环境， 借鉴国外先进经验，根据立项任务书的要求，本文设计了漏电保护、过载 保护、相敏保护、负序保护、系统电压保护、变压器差动保护和过热保护。 2 2 漏电保护 在供电系统中，当带电体对大地的绝缘阻抗降低到一定程度，使得经 该阻抗流入大地的电流增大到一定值时，就认为该供电系统发生了漏电故 障6 l 【2 4 】。漏电的后果，可能导致人身触电、瓦斯煤尘爆炸和电气雷管的 先期爆炸。此外，漏电电流如果长期存在，还有可能使电气设备的绝缘进 一步恶化，以致损坏，从而造成相间短路、电气火灾及其它危及矿井安全 的严重事故。因此，研究漏电的特征，掌握人身触电电流的计算方法，确 定漏电动作电阻值和漏电闭锁电阻值，采取切实可行的漏电保护措施，对 井下安全供电具有非常重要的意义。此外，从某种意义上讲，漏电保护又 起着短路保护的后备保护作用【5 】【6 胪】。 2 2 1 漏电故障的电气特征 我国煤矿井下低压电网全部采用电源变压器中性点绝缘的运行方式 p i ，且全部采用电缆供电。在电缆总长度比较短的情况下，低压电网对 地电容值不大，电容电流很小( 可以忽略) ，因此可以只考虑电网对地绝缘 电阻的影响，对人身触电电流和单相接地电流进行计算，其供电系统如图 2 2 所示。图中用集中电阻“、，日和r c 分别表示各相对地的分布绝缘电阻。 ( 1 ) 在正常运行状态下，电源的相电压u 。、0 。、d 。是对称的，即 u 。= u 。= u c = u u + u b + u c = 0 式( 2 - 1 ) 中，u 。电源的相电压值。 8 ( 2 1 ) 太原理工大学硕士研究生学位论文 此外，各相对地绝缘电阻一般也是相等的，即 r a tr s=rc=， ( 2 2 ) 三相对地绝缘电阻_ 、r s 和厂c 可看成是一个对称的星形负载，中性 点为地。因此，在发生人身触电或单相接地故障以前，每相绝缘电阻中 流过的电流，。、j 。和j 。也是对称的，即 l = b = 1 c i + i8 + ic = 0 同时，存在下列关系 u = j j u e 。l e b u c ；i c 七 ( 2 3 ) ( 2 4 ) 圈2 - 2 矿井供电系统等效电路图 f i g2 - 2e q u i v a l e n tc i r c u i to fu n d e r g r o u n dp o w e rs u p p l ys y s t e m 由此可见，在正常状态下，各相对地电压与电源的相电压相等，也是 对称的。因此，假想负载中性点与变压器中性点之间没有电位差，也就是 说，变压器中性点对地电压u 。为零。 ( 2 ) 当发生人身触电事故时，如图2 - 2 所示( 人身触及一相) ，此时， 通过人身的电流将经过b 、c 两相的绝缘电阻怡和r c 构成通路，a 相的绝 缘电阻r a 与人身电阻r 。并联，该相的对地电阻为 9 茎星墨三盔堂堡主堡室兰兰垒笙苎 r ：盟 ( 2 。5 ) r r + 由式( 2 5 ) 可见，a 相对地电阻与b 、c 相对地电阻不相等，破坏了 假想负载的对称性，于是，电网的对地电压和电流值将发生变化，并使享 压器中性点对地出现电位差不为零( 即。o ) ，向量图如图2 - 3 所示。此 时，每一相的相电压关系式可以表示为 d j 军口。+ 口。 d ：= 矿。+ d 。 ( 2 - 6 ) d ：= d 。+ d 。 显然，各相的对地电压不再平衡，各相绝缘电阻中流过的电流也不相 同，变为 弘誓；半弘等z 半皓警一半 4 r r r b r b tc 。c ( 2 7 ) 这时，人身触电电流j 。可以表示为 j ：堕；竺! 坠 ( 2 8 ) 8 昧 r r 根据基尔霍夫电流定律得 j ：+ j ：+ j ：+ j 8 = o ( 2 9 ) 当r a = r b = r c ：r 时，得 w o - 卷 2 - 1 所以，人身触电电流为 ，：些坠；旦 ( 2 1 1 ) 48 r 月3 r r + r 这就是当发生人身单相触电事故时，通过人身电流的计算公式。我国 煤矿安全规程规定，3 0 m a 为人身触电电流的安全极限值，当漏电故 障电流值超过此值时，人身安全将得不到保证。 1 0 太原理工大学硕士研究生学位论文 c 图2 - 3 人身触电时电压相量图 f i g 2 3v o l t a g ev e c t o rd i a g r a mu n d e rt h ec o n d i t i o no fl e a k a g ef a u l t ( 3 ) 在图2 2 所示的供电系统中，当发生单相接地故障时( 如爿相 接地) ，通过接地点的电流就是单相接地电流它经过其余两相的绝缘电阻 、r r 构成电流回路。这时，4 相对地电压为零，b 、c 相对地电压升高 了3 倍，变成了线电压，因此，电气设备的绝缘要承受较高的电压。由 于各相对地电压之和不为零，所以会出现零序电压和零序电流，其中零序 电- e , 0 。= 一口。，单相接地电流可以表示为 ；一3 u o 鲥： “2 2 。 r， ( 4 ) 如果按电网绝缘电阻不对称状态进行计算 不相等，所以，得出人身触电电流的计算公式如下。 ( 2 ，1 2 ) 由于抽和r c 互 当一相( 口相) 绝缘电阻降低为r ，其余两相仍为无限大时 ，。：旦生( 2 ，1 3 ) k r + 7 当两相( 口、c 相) 绝缘电阻降低为r ，a 相仍为无限大时 和羔 泣 2 2 2 漏电保护原理 国内外漏电保护装置种类很多，但是从保护原理看，却只有下列五种： 附加直流电源检测的保护原理、零序电流方向的保护原理、零序电流榆测 的保护原理、零序电压检测的保护原理和利用三个整流管的保护原理。 目前国内外漏电保护装置较为普遍应用的主要是前两种保护原理。 太原理工大学硕士研究生学位论文 ( 1 ) 零序电流方向保护原理 在三相供电系统中，当一相漏电或接地时，各个分支线路中的零序电 流不仅大小不同，而且方向也不一样。对于故障线路，零序电流是由线路 流向母线，而非故障线路，则是由母线流向线路。如果设定由母线流向线 路的零序电流方向为正，那么由线路流向母线的零序电流就为负。我们可 以利用这种零序电流的不同方向来区分故障线路和非故障线路，从而达到 漏电选择性保护的目的，这种保护原理称为零序电流方向保护原理i “。一 般将零序电流互感器二次侧输出的电流信号和零序电压互感器二次侧输出 的电压信号，同时送给零序电流方向保护装置，并以零序电压信号为基准 进行相位比较。 ( 2 ) 附加直流电源保护原理 附加直流电源保护是利用附加在电网与地之间的直流电源来检测电 网是否发生漏电故障【6 j 。电网正常运行时绝缘水平很高，附加直流检测回 路的电流很小，不足以使保护装置动作，当绝缘水平下降或发生漏电时， 直流电流增大，漏电保护动作【2 4 j 。该保护原理可以可靠检测单相及三相漏 电故障，是实现矿井电网漏电保护的有效方案之一。其原理如图2 4 所示。 直流电流，由直流电源【，的正极流出，入“地”后经绝缘电阻，。、h 和b 进入三相电网，再由三相电抗器s k 、零序电抗器l k 、千欧表k q 和 直流继电器j ，返回电源负极。对于稳定的直流电流，电容器c 和电网对 地电容c 。、c 。和c 。相当于开路，不会有电流流过。此时直流电流，可由 式( 2 1 5 ) 计算 ，；望(2-15) 尺z + r z 式中，月。为检漏继电器内阻；h 相当于三相电网每相对地的绝缘电阻并 联，若其中一相( 如a 相) 绝缘电阻降低，另外两相无限大，则h = r a ；若 月、b 两相的绝缘电阻同时降低，且r a = h = r ，而另一相为无限大，则 h = r 2 ；若三相绝缘电阻同时下降，且r a = r b ；r c = r ，则，。r 3 。 绝缘动作电阻值的大小，可根据安全要求来确定，这样就可以确定继 电器的动作电流，。当绝缘电阻下降到一定程度或电网发生漏电故障时， 电流，将大于或等于继电器的动作电流，。继电器便动作。 1 2 太原理工火学硕士研究生学位论文 图2 - 4 附加直流电源检测原理图 f i g 2 4s c h e m a t i cd i a g r a mo fe a n h f a u l t d e t e c t i o nw i t ha d d i t i o n a ld c m e a s u r e m e n t 2 2 3 漏电保护及漏电闭锁值的计算 3 2 , k v 图2 + 5 人身触电电流等效电路图 h g 2 5e q u i v a l e n tc i r c u i tu n d e rt h ec o n d i t i o no fl e a k a g ef a u l t 漏电闭锁电阻值是根据漏电动作电阻值确定的，而漏电动作电阻值是 在保证触电时人身安全的前提下确定的。根据煤矿安全规程规定，煤 矿井下人身触电安全电流允许值为3 0 m a i “。当人身触电时，等效电路如 图2 5 所示。 图中r a = h = r c = r ，在忽略电网对地分布电容的情况下，流过人体的电 流为 ，。：! l ( 2 1 6 ) j ? j 3 r r + r 式中，厶为流过人体电流，a u 。为电网相电压，v 太原理工大学硕士研究生学位论文 r 为电网每相对地电阻，k q 确为人体电阻，取l k q 在电网额定电压为3 3 0 0 v a c ，通过人体电流按3 0 m a 计算，很容易得 到电网允许最低漏电电阻值 3 r 。= _ 上一3 r 月一1 8 7 5 2k q ( 2 - 1 7 ) 1r 考虑到三相电网的漏电电阻对直流而言为并联支路，则漏电动作值为 p 见= = ! ；6 2 5 1 k q ( 2 1 8 ) 3 一般取1 8 8 k q 为漏电保护的动作值。 为了寻求人身触电的安全条件及维护低压电网多支路正常运行，一般 取漏电闭锁电阻值为漏电电阻值的2 倍。因此，3 3 0 0 v 电网的漏电闭锁电 阻值应为1 2 6 k q 。 2 3 过载保护 过载是煤矿并下供电系统的不正常运行状态之一。过载后电网的电流 相位对称，幅值大于整定电流，将会使得电机温度升高，绝缘虽不会立即 遭到损坏，但长期运行在此状态下，会加速绝缘老化，直至击穿，造成供 电系统接地等故障。因此必须对过载状态下的供电线路进行保护，即所谓 过载保护【2 8 】【3 3 】【3 8 】。 2 3 1 过载保护原理 先介绍两个概念：电动机过载运行时，达到电动机允许的最终温升需 要一段时间，这段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为电动机的允许过载特性。 过载保护主要是针对电动机进行的保护，当电动机的工作电流超过其 额定电流，或者设备规格选用不当，都有可能使设备产生过载，过载电流 会使电动机绕组的温升超过允许温升，长时1 日j 过载会降低定子绕组的绝缘 水平，缩短电动机的寿命。一般采用反时限动作保护原理来实现对电动机 的过载保护。反时限动作保护原理，即是电网过载倍数口( 电网实际工作 1 4 太原理上大学硕十研究生学位论文 电流额定电流) 越大，要求过载动作时间越短；电网过载倍数p 越小，要 求过载动作时间越长。过载特性曲线如图2 - 6 所示。 图2 - 6 过载特性曲线 f i g 2 - 6c h a r a c t e r i s t i co fo v e r l o a d 袁2 - 1 过载保护动作时间特性 t a b 2 1a c t i o nh o u r so fo v e r l o a dp r o t e c t i o n 过载电流 动作时间状态 倍数 】0 5 2 h 不动作 冷态 1 2 0 2 1 h热态 1 59 0 - 1 8 0 s热态 2 0 4 5 - 9 0 s热态 4 01 5 - 4 5 s热态 6 o8 - 1 4 s 冷态 2 3 2 过载时限的确定 通常情况下，在煤矿井下电机容量是不同的，所以没法确定一个统一 标准的过载特性，鉴于此，根据反时限保护特性曲线图2 - 6 和g b 5 5 9 0 8 5 给出了过载保护动作时间表( 如表2 - 1 所示) 。在实际应用中可以通过设定 时问常数来改变程序，满足客户的需求。 2 4 相敏保护 1 5 太原理e 大学硕士研究生学位论文 2 4 1 相敏保护原理 煤矿井下使用的鼠笼型异步电动机的起动电流特别大，可达到额定电 流的4 7 倍。随着井下高压供电深入工作面，线路上的正常起动电流与线 路末端短路电流十分接近。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，满足不了煤矿安全规程规定的保护最小灵敏度要求。 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 秒可返回的方法。即在起动时如电 流能在8 秒之内降下来，则认为是正常的起动过程；如8 秒之内没有降下 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。随着近年来的研究发现【27 1 ，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0 3 5 0 4 5 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) ，就可以有效地 将起动电流与短路电流区分开来，使短路保护可靠性得到提高，这就是相 敏保护的基本原理。 本文采用幅值与相位检测相结合的保护方式，当电流超过8 倍时，不 检测相位瞬时动作。当电流超过4 倍时，检测功率因数角，若小于2 5 8 。， 即c o s ( p o 9 ，则认为是短路，瞬时跳闸。若大于2 5 8 0 ，即c o s t p c o ，c o 可以忽略不计，这样振荡电路就变成由r ，、o 和上口组 成的回路了，等效电路如图2 1 3 ( b ) 所示。由等效电路图可知，回路中 的振荡频率，= 尝，其角频率可由( 2 - 2 9 ) 式计算 m 2 = ：一6 2 ( 2 - 2 9 ) 热”压一上2 l o 由式( 2 - 2 9 ) 可以拙当一厝时为无振荡衰