（电机与电器专业论文）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 控系统。该系统具有短路、过载、断相、过流，过压、以及过 簟 热等保护功能。通过大屏幕液晶显示器的设置，不仅能显示系 统正常运行参数，而且可以显示故障原因及故障参数，缩短了 判断和排除故障时间，提高了生产效率。 针对煤矿井下的特殊环境分析了所存在的干扰源及所产生 干扰信号的电气特征，针对不同特征的干扰信号，制定了相应 的硬件、软件防治措施，实验证明，这些抗干扰措施是有效的。 本文所研究的3 3 k v 移动变电站测控系统样机在实验室进 行了模拟试验，测试其动作参数，检验了各种保护特性。结果 表明：该测控系统性能稳定，动作可靠，显示准确，具有广阔 的应用前景。 关键词：移动变电站，p l c ，测控系统，抗干扰，故障保护 太原理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h e3 3 k vm 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 t s ) i so n eo ft h ek e y e l e c t r i c a l a p p a r a t u s i nt h e3 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 s ，w h i c h p l a y si m p o r t a n tr o l e i n s u p p l y i n ga n dt r a n s f o r m i n ge l e c t r i c a lp o w e re n e r g y t r a d i t i o n a lm t sc a n n o tm e e tt h en e e d sf o rh i g hp r o d u c t i o na n dh i 【g he f f i c i e n c y o ff u l l ym e c h a n i z e dc o a lm i n i n gf a c ed u et oi t si n h e r e n td e f e c t s i ti sh e n c e i m p o r t a n t t o d e v e l o p an e wm e a s u r e m e n ta n dc o n t r o l s y s t e m w i t h h i 曲 s i g n i f i c a n tf o rm t s t h er e s e a r c ho ft 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 3k vm t s b a s e do 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 ： a i m i n g a tt h e p r e s e n to p e r a t i o n c o n d i t i o no ft h ep o w e rt r a n s f o r m e r a p p l i e di nt h em t s i nu n d e r g r o u n di no u rc o u n t r y ，f a u l tc a u s e sf o rt h ep o w e r t r a n s f o r m e ru r ea n a l y z e ds y s t e m a t i c a l l ya n dt h et r a d i t i o n a lp r o t e c t i v em e t h o d s o ft h et r a n s f o r m e ra r ei m p r o v e di nt h i st h e s i s a tt h es a m et i m et h es e c o n d h a r m o n i ci s d 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 s ar e s u l tt h e u n e x p e c t e dt r i pi sr e d u c e da n d t h er e l i a b i l i t yi si n c r e a s e d ， b a s e do nt h ea n a l y s i so ft h ea d v a n t a g ea n dd i s a d v a n t a g eo ft h el e a k a g e p r o t e c t i o ni nt h e11 4 0 vu n d e r g r o u n dp o w e rs u p p l ys y s t e ma n di na c c o r d a n c e w i t ht h es p e c i a ln e e d so f3 3 k vu n d e r g r o u n d p o w e rs u p p l ys y s t e m ，t h es c h e m e o fe a r t hl e a k a g e p r o t e c t i o n o nt h eb a s i so fp r i n c i p l ew i t ha d d i t i o n a ld i r e c t c u r r e n td e t e c t i o ni s d e s i g n e db y w h i c ht h e s y m m e t r i c a n d a s y m m e t r i c i n s u l a t i o nf a u l t si nt h eu 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 sc a nb ee x a m i n e d c o r r e c t l y i na d d i t i o n ，t h et r i p p i n g i n s u l a t i o nr e s i s t a n c ev a l u ea n dl o c k o u t i n s u l a t i o nr e s i s t a n c ev a l u ea r ed e t e r m i n e da n dt h es t a b i l i t yo f t r i p r e s i s t a n c e v a l u eo f t h ee a r t hl e a k a g ef a u l ti sg u a r a n t e e d 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 sh a s b 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 ht h e s ee l e c t r i c a lf a u l t s ，s u c ha ss h o r t c i r c u i t ，o v e r - l o a d ，o v e r - v o l t a g e ，p h a s eo p e n ，e a r t hl e a k a g ea n ds oo n ，c a nb e a 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 dp r o c e s s e d b o t ht h ee l e c t r i c a lp a r a m e t e r sa n d 太原理工大学硕士学位论文 t h ef a u l tr c a s o nc a nb ed i s p l a y e do nt h eb i gl i q u i dc r y s t a ls c r e e n ，w h i c hc a l l s a v et h et i m ei ng e t t i n gr i do f t h ef a u l ta n di m p r o v et h ep r o d u c t i o ne f f i c i e n c y f i n a l l y ，a c c o r d i n g t 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 s a n dt h ef e a t u r e so fi n t e r f e r e n c es i g n a l si nu n d e r g r o u n de n v i r o n m e n t a r e d i s c u s s e d ；w i t ht h ee x c e p t i o no ft 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 sb yu s e o f h a r d w a r ea n ds o l t w a r ea 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 si n t h i sp a p e r 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 rt h e3 3 k vm t sh a sb e e nt e s t e d i nt h el a b o r a t o r y , e l e c t r i c a lp a r a m e t e r sh a sb e e nm e a s u r e da n dt h ep r o t e c t i o n p e r i b r m a n c ei sp r o v e d ，i th a sb e e ns h o w n t h a tt h i sp r o t e c t i v es y s t e mi ss t a b l e ， r e l i a b l ea n di so f g r e a t - a p p l i e d v a l u ei nm i n i n gi n d u s t r y k e yw o r d s ：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 ，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 e a s u r e m e n ta n dc o n t r o ls y s t e m ，a n t i - i n t e r f e r e ，f a u l tp r o t e c t i o n 太原理工大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 研究3 3 k v 移动变电站的意义 移动变电站是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 【l l 。采煤技术发达的英国、德国早在8 0 年代就将工作面工作电压提升为 3 3 k v ，不仅提高了工作面的生产能力、而且降低了能耗。随着科学技术的 快速发展，我国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，我国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 。如神华煤业集团、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，这种局面大大制约着 我国煤炭工业的快速发展，因此研究矿井33 k v 移动变电站具有重要的现 实意义。 移动变电站作为煤矿井下综采、综掘工作面用电设备的电源，其供电 可靠性与安全性直接关系到原煤生产和人身安全。因此，对煤矿井下供电 系统的可靠性、安全性和连续性要求也越来越高。然而，由于煤矿井下工 作环境恶劣，负荷波动大，工况很不稳定，瓦斯煤尘积聚，滴水冒顶等事 故都会使电气设备绝缘强度逐渐降低，加上操作人员维护不当或错误操作 、致使输电线路断裂现象时有发生，经常出现漏电及单相接地故障。假使 接地故障没有及时排除，电网各相线会运行在线电压下，很容易导致绝缘 击穿，甚至发生两相或三相短路事故。同时由于单相接地、相间短路故障 发生时将会产生电弧，还有可能引起瓦斯、煤尘爆炸，直接危及人身安全 和矿井正常生产。因此，研究性能优良、操作简便、功能齐全的移动变电 综合保护系统具有重大的经济价值。 太原理工大学硕士学位论文 1 2 移动变电站综合保护系统的现状与发展趋势 1 2 1 国内外移动变电站综合保护系统的发展历史与现状 在8 0 年代之前，我国煤矿井下采用传统的三级变电所供电方式，即 地面变电所将高压电能经井下中央变电所转馈给采区变电所，然后由采区 变电所将低压电能送给工作面负荷，其中变电环节均为油浸式变压器。这 种供电方式电能损耗大，供电质量低，安全系数小。随着科学技术的进步， 从8 0 年代后期，我国煤矿井下供电电源要求无油化、真空化。因此诞生了 移动变电站供电方式。 国产移动变电站以k s g z y 为典型代表口】，低压侧额定电压为 6 6 0 1 1 4 0 v 两个等级，它是由一台f b 一6 型隔爆负荷开关、一台k s g b 型隔 爆干式变压器和一台d z k d 型隔爆低压馈电开关组成。故障信号的采集仅 由电流互感器和电压互感器实现，保护功能单一，动作元件为直流继电器， 动作电阻值分散性大，准确性较差，很难满足保护盼陕速性和灵敏性要求。 如山西阳泉煤业( 集团) 有限责任公司采用的k s g z y 型移动变电站保护 系统还是由分立元件实现保护功能，很有必要进行智能化改造，以适应现 代化煤炭工业发展要求。 随着科学技术的发展，计算机控制技术已渗透到各工业领域，并且以 其独特的优势占据着工业控制领域的主导地位。例如，以单片机、可编程 逻辑控制器作为中央控制单元，配合必要的外围信号检测与处理电路，可 完成矿井低压电网的两级选择性漏电、对称短路、不对称短路、断相、过 载和过欠电压等保护功能，而且动作指标完全符合设计要求。可见，由于 微机控制技术的引入，它使矿井电网综合保护技术产生了质的飞跃，为矿 井综合保护的进一步发展奠定了坚实的基础。 本世纪二三十年代，采煤技术发达的英国、德国、前苏联等国家先后 开展了矿井电气安全的研究工作。八十多年以来，这个领域的研究不断取 得新的进步，隔爆型、本质安全型电气设备在煤矿井下逐步得到了广泛的 应用。 近年来，英国、德国等西方主要产煤国在矿井继电保护方面均采用微 太原理工大学硕士学位论文 型计算机控制方式，因此它使继电保护具有功能多、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一领域的典型代表。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，并能非常方便 地实现就地控制以及远方控制功能。再如英国华莱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、显示板和电源板组成，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 e 4 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 4 】，是新型智能化保护设备的典型代表。 1 2 2 移动变电站综合保护的发展趋势 随着继电保护技术的不断发展和对安全运行要求的逐步提高，常规的 继电保护和故障诊断技术不能完全适应复杂变化的电网运行工况，于是研 究人员提出了自适应继电保护和自动故障诊断的人工智能【5 技术。为供电 系统综合保护的研究，尤其是智能电器的进一步发展，提供了基本条件。 人工智能是2 0 世纪中期产生的并正在迅速发展的新兴边缘学科，它是探索 和模拟人类智能和思维过程的规律，并进而设计出类似人的某些智能化的 学科。或者说人工智能是研究如何用人工的方法和技术，即采用各种自动 机器或智能机器模拟、延伸和扩展人的智能，使其具有自适应和自诊断能 力n 有关专家预测：人工智能( a r t i f i c i a l1 1 1 t e i l i g e n c e ) 将成为2 l 世纪薪型 电器研究的主要发展方向。 1 3 移动变电站综合保护系统的基本要求 煤矿安全规程规定：井下供电系统的综合保护功能应满足以下四 项基本要求【6 】： ( 1 ) 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。 ( 2 ) 可靠性保护系统能准确判断故障，可靠执行命令。但是当其它 支路发生故障时，本支路保护不应发出跳闸命令，即不产生误动现象。 太原理工大学硕士学位论文 ( 3 ) 快速性本支路发生故障后，保护系统应快速动作，防止故障范围 扩大降低电气设备的损坏程度。 ( 4 ) 灵敏度保护系统应具有较强反应故障的能力。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，保护系统均应准确反应，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。 鉴于综合保护系统在矿井供电系统中的重要作用，多年来，广大科技 工作人员都非常重视这一领域的研究，移动变电站综合保护是矿井供电系 统保护中的一种，多年来经过了数次更新换代，但从现场运行的情况看， 这些保护系统误动和拒动现象仍然存在，不能完全满足供电系统保护的四 项基本要求，所以该保护性能仍然有待进一步完善和提高。 1 4 研究综合保护系统的必要性 1 4 1 研究3 3 k v 移动变电站综合保护系统的意义 我国煤矿供电系统一般由三级变电所组成：地面变电所、井下中央变 电所和采区变电所。矿井地面变电所是矿山供电系统的枢纽，它担负着向 井上、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 - 一l o 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。 移动变电站是连接高压电能和低压电能的“枢纽”，它可根据需要在 轨道上移动或固定，不需要建造变电所硐室，但在这种供电方式中，由于 6 k v 1 0 k v 高压直接深入到了采区工作面附近巷道，并且低压侧电压等级也 提高到了3 3 k v ，故对设备和人身安全形成较大的威胁。早在6 0 年代，我 国就开始对矿井电网保护进行过系统的研究，先后开发研制出几代产品。 这些产品都不同程度地在矿井电网的安全供电中发挥过积极作用。但是， 由于受电力电子技术、微电子技术等相关领域科技水平的限制，加之传统 的保护装置采用分立元件，很难实现复杂的过程控制。因此，应用到实际 太原理工大学硕士学位论文 当中的保护系统动作可靠性较差，误判率较高，动作时限很难达到煤矿 安全规程要求。例如，根据6 0 年代对数十对矿井电网单相接地电流实测 表明 ，仅有极个别矿井电网的单相接地电流超过2 0 a 的极限值：1 9 8 8 年 由煤炭部组成的专家组又对全国运营的煤矿供电系统进行了抽样调查，调 查结果表明：单相接地电流超过2 0 a 的矿井已占总抽查数的5 1 6 ：1 9 9 2 年又上升为6 3 。目前，单相接地电流超限的矿井已高达7 0 以上，其中 半数以上大于3 0 a ，最高可达7 0 a ，如此大的接地电流使得间歇性电弧不 能自动熄灭，很可能造成单相接地故障甚至扩大为两相接地短路故障。而 且，由于电弧的存在还增加了瓦斯、煤尘爆炸的危险性。很有必要采取措 施对单相接地电流加以限制，同时对其它故障形式的保护系统目前也急待 开发研制。因此研究设计性能优良、动作可靠的移动变电站综合保护系统 对于提高煤矿并下供电的安全性、可靠性和连续性具有非常重要的意义。 1 4 2 传统移动变电站保护系统的固有缺陷 传统移动变电站保护系统大多都是依靠低压侧保护装置动作跳闸，低 压侧保护的优点是电压低，保护方式容易实现。但存在以下缺点 m 】： 随着移动变电站电力变压器容量的增加，低压侧电流显著增大。这 是因为目前低压馈电开关的工作电压不超过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，实现保护难 度更大。 变压器内部短路时，由于流过馈电开关电流小，低压侧无法检测， 如果高压侧没有设置保护系统，它将不能有效保护变压器，造成变压器烧 毁现象比较严重。 保护配套不合理。给大容量变压器配套的低压馈电开关不能适应电 网最大短路电流分断能力要求和额定电流范围内正常运行要求。从而造成 故障分断时，经常发生断路器烧毁。另外还存在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，致使触点发热烧 结，当负荷端发生故障时( 过流、漏电等) 很可能不会有效切断故障电流。 太原理工大学硕士学位论文 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、使用带来许多不便，直接影响正常生产， 而且体积较大更换不便，井下实际配置时经常需要使用一台，备用一台， 这样给正常生产带来不利因素。 由于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 馈电开关不能有效的分断故障时，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。 高压侧进线装置为专用高压连接器。实际上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，大都采用 取掉中间插销部分直接进行线压连接，这样，放炮短路问题虽不存在，但 是随之而来的进线装置放炮问题仍未能解决。 综上所述，采用变压器高压侧保护跳闸可使故障电流大大减小，并从 目前移动变电站实际情况考虑，在产品的研发过程中，充分发挥了计算机 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。其主要原因在于： 继电保护功能由硬件和软件联合确定； 微机具有较强的逻辑判断和计算功能； 具有较强的记忆能力和快速反应能力； 具有强大的通讯功能，可实现网络化管理。 1 5 本课题主要研究内容 1 5 1 课题研究的内容 通过实验研究3 3 k v 移动变电站在各种运行方式下的漏电故障特征， 在分析各漏电保护原理的基础上确定附加直流电源检测的漏电保护方案， 实现矿井的漏电保护，以适应我国煤矿井下中性点不接地方式的供电要求。 研究能满足这一功能要求的硬件电路。 研究矿井3 3 k v 供电系统大容量变压器保护以及电网的短路保护、过 载保护、过电压等保护原理，在此基础上，对供电系统中的故障状态进行 仿真实验。 太原理工大学硕士学位论文 研究测控系统各种特征参量的检测方法和检测技术，提出综合保护系 统的总体设计方案，确定系统的采样方式及相应故障处理方法。 开发以可编程逻辑控制器 0( 3 3 ) 使差动保护装置动作，实现变压器保护功能。 3 1 3 差动保护整定计算 理论上，只要合理选择电流互感器以及正确接线，就可以将差动保护 l 卜r 十h 忆 太原理工大学硕士学位论文 系统中的不平衡电流减小为零。但现场实际当中，由于变压器、电流互感 器自身的误差，并不能使不平衡电流减小为零。为了解决不平衡电流对保 护系统造成的误动问题，特别地在电流差动保护原理的基础上引入了制动 量，即采用三段比率制动式差动保护方法，用以弥补差动保护原理的不足， 从而提高了保护动作的可靠性。 以图3 1 为倒，对于基波相量比率制动式差动保护的动作判据中，差 动量i d 和制动量i ，分别为 l = m = 卧i ： ，= = 卜；：l ( 3 - 4 ) ( 3 5 ) 式中：，。为差动电流幅值：( a ) ，为制动电流幅值；( a ) i 为变压器原边电流互感器二次侧电流相量；( a ) 己为变压器副边电流互感器二次侧电流相量。( a ) 动作电流应根据制动电流，的计算值按图3 2 的折线特性计 算。 ， ( i ， i j ( i k ，； ，：分别为第一折点和第二折点对应的制动电流，且，。 i “ 制动电流的选择直接影响纵差保护的选择性和灵敏度。制动量大，纵 差保护的选择性功能增强，抵御因外部故障所引起的保护误动作能力大大 提高，但对内部故障的灵敏度则降低。因此，应结合变压器实际工作情况 合理选择确定制动电流，就可以兼顾变压器动作的选择性和灵敏度要求。 m0 + uk 墨 r + u 一 一 m 以皈 0 k 砭 太原理工大学硕士学位论文 1 0 p m l n o 图3 - 2 比率制动式差动保护动作值图 f i g 3 - 2t r i pv a l u eo f t h ed i f f e r e n t i a lp r o t e c t i o no f r a t i ob r a k i n gs t y l e 3 1 4 差动保护特殊性 f 1 ) 变压器两侧电流互感器的接线方式 由于变压器两侧的接线方式不同以及变压器原副边电压等级不同，因 而装设在变压器两侧的电流互感器接线方式也不同。同样电流互感器的变 比也不同，这样就能最大限度地消除差动回路中的不平衡电流，以保证动 作的可靠性。 ( 2 ) 励磁涌流的特征【7 1 励磁涌流是变压器运行中的一个特殊现象。变压器的励磁涌流i l c 仅 在变压器的原边产生，因此，两互感器二次侧的电流大小将不再对称，从 而产生不平衡电流。在正常工作情况下，此电流很小，一般不超过额定电 流的3 。5 1 4 】。对于变压器外部故障时，由于电压降低，励磁电流随之 减小，它对差动保护的影响就更弱，在整定计算时可以忽略。但是，当变 压器空载投入或外部故障切除后电压恢复时，则可能出现幅值较大的励磁 电流，最大可达到额定电流幅值的曲8 倍【1 8 1 1 9 1 。这是因为在正常工作情况 下，铁芯中的磁通应滞后于外加电压9 0 度。如果空载合闸时，若正好在电 压瞬时值u = o 时接通电路，则铁芯中应该具有磁通o 。但由于变压器铁 芯中的磁通不能突变，因此，将出现一个非周期分量的磁通，其幅值为+ 中。 太原理工大学硕士学位论文 这样经过半个周期以后，铁芯中的磁通将达到2 0 。如图3 3 所示。此时， 变压器的铁芯会严重饱和，励磁电流i l c 将急剧增大，如图3 4 所示。此励 磁电流就成为变压器励磁涌流。该电流成分中含有大量的非周期分量和高 次谐波分量，如果采用传统的变压器继电保护方式，有可能造成动作继电 器线圈的严重过饱和。设想此时变压器发生内部短路故障，它将导致差动 保护装置延时跳闸以致于使故障范围扩大，引起重大经济损失。 p 麟。? 。 0 7 蜒协 l 图3 - 3 变压器铁芯中的磁通变化图 f i g 3 3c h a r a c t e r i s t i c so ff l u xi nt r a n s f o r m e rc o r e 0 l 印r _ = z 2 ，7 导为无振荡衰减波，当r = r 。= 2 ，詈 vl 1vl - 1 为临界状态。r c 保护器的工作原理就是用来改变电路的工作状态，让振 荡电路变成无振荡电路，以此来抑制电路的操作过电压。为了消除电路的 振荡现象，保护器c 必须足够大，应使得振荡频率至少接近于工频，但也 不能太大，否则造成浪费，保护器的冠选择应适当，基本接近于振荡临界 电阻ro ，由于实际运行的负载电路都有自身的0 、c o ，且各不相同，在 选择r c 保护器时也有一定的最佳电阻、电容值。 多年来，人们发现与真空断路器配套使用的电感负载的三o 、co 大致 有一范围，可以用一种或少数几种r c 保护器就能使绝大多数断路器操作 过电压振荡的频率接近于5 0 h z ，将其幅值降低至系统电压峰值的2 倍以 下，从而保障电路的安全运行。 4 5 3 参数设计 图4 - 10 阻容吸收装置原理图 f i g 4 - 1 0c i r c u i t r yf o ra b s o r b e r r c 阻容吸收装置中电阻决定衰减速度，一般为5 0 4 0 0q 。电容c 为 吸收电容。对于感应电动机负载c 为0 0 1 - 0 1 f ：对于变压器负载c 为 o 0 5 0 1 f ；对于电容器组负载，c 为0 0 5 掣f 比较理想。原理是：当真 太原理工大学硕士学位论文 空开关操作产生过电压的高频波时( 一般操作过电压为l 1 0 k h z 的高频 波) ，阻容吸收器中电容器阻抗相对工频电压而言下降很多。这样过电压高 频波就会被电容器吸收，最终将产生的热能在电阻上消耗掉。 总之，阻容吸收装置显著优点是：它能缓和过电压波头陡度、可以降 低过电压振荡幅值及频率。该保护装置原理如图4 - 1 0 所示。 4 6 漏电保护 4 6 1 概述 漏电保护是保证煤矿井下安全供电的三大保护之一，是防止人身触 电、确保系统可靠运行的重要措施【7 。由于煤矿井下的工作条件特殊，环 境比较潮湿，相对湿度往往高达9 5 以上。因此，对于矿井供电系统中使 用的电气设备和电缆的绝缘，提出了相对较高的要求。尽管如此，运行中 的电气设备及其供电电缆，仍有发生漏电的危险。特别是工作面的电缆， 被砸或挤压的机会较多，绝缘更容易损坏，漏电的可能性更大。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发。此外，大 量的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 致发生击穿现象，进而造成相间短路等严重安全事故。因此，必须采取切 实可靠的漏电保护措施，及时发现漏电故障并予以排除，保证供电安全， 这也是漏电保护的基本要求。总之，漏电保护对于煤矿井下供电的安全性 至关重要，所以煤矿安全规程明确规定：必须装设有自动切断漏电 馈电线路的检漏装置，其意义也在于此。 本章在研究漏电保护原理的基础上还设计了漏电闭锁保护，也就是说 在保护系统发出启动指令之前，必须对电网的绝缘状况进行诊断。当绝缘 电阻下降到规定值时，漏电闭锁保护装置动作，将断路器控制回路闭锁， 使之不能送电。漏电闭锁只监视在断电状态下供电线路的绝缘状况，当主 回路工作时，它便退出检测状态。由于漏电闭锁保护能使有故障的供电系 统不投入工作，从而减少外露火花的机会。从寻找漏电故障角度来看，采 用漏电闭锁保护以后，有利于判断故障范围，缩短了查找和排除故障的时 间。 太原理工大学硕士学位论文 4 6 2 漏电保护原理 矿井电网漏电保护按原理分主要有零序电压保护、零序电流保护、零 序电流方向保护和附加直流检测保护。 4 6 2 1 零序电压保护原理 零序电压保护就是利用漏电故障时电网中零序电压大小来反映三相 电网对地绝缘阻抗的不对称程度。电网分布电容一定时，漏电电阻越小， 零序电压越高。这种保护的优点是可以检测电网中的不对称漏电故障，但 不能检测对称漏电故障，原因在于三相电网对地阻抗对称下降时，不会产 生零序电压，自然零序电压漏电保护装置就不会动作。另外不管电网中哪 个分支出现漏电故障，该保护装置均能动作，因此这样的漏电保护装置或 绝缘监视装置，既不能保护电网的对称漏电故障又不具备动作选择性功能。 4 6 2 2 零序电流保护原理 在三相电网中，当发生不对称性漏电故障时，必然产生零序电压，它 在三相电网对地电容中就会产生零序电流，通过检测零序电流大小，可以 判断线路是否发生漏电故障。这种保护方式的优点是动作具有选择性，可 以准确区分故障支路，但不能反映三相绝缘对称漏电故障，特别是配电支 路少时( 如两路) ，保护的灵敏度有所下降。 4 6 2 3 零序电流方向保护原理 零序电流方向保护是利用零序电流与零序电压及其相位的关系来实 现馈电线路的选择性漏电保护。这种保护原理具有较高的灵敏度，但不能 反映三相绝缘电阻对称下降故障。 4 6 2 3 附加直流电源保护原理【z 3 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。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，当绝缘水平下降或漏电时，直流电 流增大，保护动作。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。 由于移动变电站负荷侧直接连接3 3 k v 磁力控制站，所以分支线路的 选择性漏电保护功能由组合磁力控制站完成，移动变电站保护系统所带馈 太原理工大学硕士学位论文 电开关只需完成后备保护功能即可，因此设计了基于附加直流电源检测的 漏电保护方案。它既可保证漏电动作电阻值的稳定性，又能作为选择性漏 电保护的后备保护，有效地提高了漏电保护的动作可靠性。其原理如图4 1 1 所示。 一 图4 - 1 1 漏电保护原理圈 f i g 4 一i1c i r c u i t r y f o re a r t hl e a k a g ep r o t e c t i o n 图中，t 为电源变压器，它将井下中央变电所送来的6 1 0 k v 电能转换 为3 3 k v 电能。s k 为三相电抗器，为电网提供人为中性点。d c 为附加直 流电源，幅值为8 0 v ，用于检测漏电信号。c m u 为中央处理单元，实现 信号的采样、分析、运算和处理。b e f 为带阻滤波器，用于滤除交流信号， 确保动作电阻值的稳定性。系统运行时直流电源由辅助接地极f d 入“地” 后，经绝缘电阻r a 、r b 、r c 进入三相电网，再由s k 、b e f 回到电源的负 极。对于稳定的直流电源，电缆的对地分布电容相当于开路，不会有电流 流过，此时的电流值可由直流电压和检测回路的电阻决定，直流信号采样 值可由下式表示： 太原理工大学硕士学位论文 u m 2 币u o * 蘑r w r ( 4 9 ) 式中r 。= 1 r 。+ 1 r 。+ 1 r c ，r 为检测回路除绝缘电阻外所有电阻之和。 当系统确定后，y r 即为定值，r w r 为电位器电阻。可见u w r 仅随绝缘 电阻的大小而变化，而与电网的分布电容无关。不论电网发生单相漏电还 是三相绝缘对称漏电故障时，u w r 均能正确反映其变化。如电网绝缘水平 降低到整定值或有人身触电事故发生时便由信号电阻w r 上取得故障信 号，送往c m u 电路，实现相应故障处理。 4 6 3 直流电源设计 电网电压等级不同，其绝缘材料的耐压也不同，需要施加不同的直流 电压才能反映真实的绝缘状况。在绝缘材料允许的耐压范围内，附加直流 电源的电压越高，所测得的绝缘电阻值越接近电缆的实际绝缘电阻值。又 根据煤矿安全规程规定n l ，直流检测电压必须满足本质安全型电路的 要求，否则又会形成新的安全隐患。由于漏电闭锁保护是在发出起动信号 前对线路绝缘状况进行检测，合闸前，一旦发现漏电或单相接地故障，此 时直流检测回路产生的电火花不允许引起瓦斯和煤尘爆炸。而且，供电线 路对地有分布电容存在，此电容在附加直流检测电源的作用下，总是充满 电荷的，如果发生单相接地，该电容必然要经过接地点放电，放电的电火 花能量应小于引起瓦斯或煤尘爆炸所需的最小能量。此外，还要考虑到检 修工人的安全，在电网停电后，工人可能进行电气设备的维修工作，如果 直流检测电压过高。还有可能造成人身触电危险，因此，检测电压不易过 高。 遵循上述原则，根据爆炸性环境电气设备“本质安全型电路和电气设 备”规程【2 “，有关矿用i 类电气设各对电容性电路的规定，查附录l 中 附图2 的电容量c 和最小点燃电压u 曲线，可得1 5 f 电容对应的最小 点燃电压为i o o v ，若安全系数按1 5 计算，所设计的直流工作电压为 1 2 0 1 5 = 8 0 v 。硬件电路如图4 1 2 所示。 太原理工大学硕士学位论文 由式( 4 9 ) 不难看出，u 。r 随r r 减小而线性增长的前提是直流检测 电压u d 必须为恒定值。即电网电压在规定的7 5 u n - - 1 1 5 u n 内波动时， u d 必须为定值才能保证动作电阻值的稳定性。直流8 0 v 电源的实验数据 如表4 2 所示，正常工作时交流电压为1 1 0 v 。 c 1 = = j k d tj。丰b 二 j ll =_ j + 芋0 6 上 0 7 t 一 钍： i c 。i c 8 ； d v ，l l o y ij d 6 c 3 】kd ，】劝毒c 4 目4 1 2 直流8 0 v 电源原理图 f i g 4 - 1 28 0 v d cp o w e rs u p p l y 表4 28 0 v 直流电源测试数据 交流输入整流输出空载 1 4 0 01 4 4 。08 0 2 0 1 3 0 01 3 4 88 0 1 0 1 2 6 51 3 1 88 00 0 1 1 0 01 1 1 78 0 1 0 8 2 5 09 1 0 08 00 0 7 5 0 08 5 3 07 9 5 0 4 6 4 漏电闭锁电阻值确定 漏电闭锁动作电阻值是根据漏电动作电阻值确定的，而漏电动作电阻 值的确定是以保证人身触电时的安全指标来确定的。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 t ”。当人身触电时，等 效电路如图4 1 3 所示。 太原理工大学硕士学位论文 图4 - 1 3 人身触电电流等效电路图 f i g 4 1 3e q u i v a l e n tc i r c u i tu n d e r t h ec o n d i t i o n o f l e a k a g ef a u l t 图中r a = r b = 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： ，：j 坠( 4 - 1 0 ) 3 尺+ r 式中五为流过人体电流，a 乩为电网相电压，v r 为电网每相对地电阻，q 忌为人体电阻，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 r n a 计算，很容易得 到电网允许最低漏电电阻值 尺“。：掣一3 r ：6 3 k q ( 4 1 1 ) ， 考虑到三相电网的漏电电阻对直流而言为并联通路，则每相线路漏电动作 值为 r ，。= 3 r 。= 1 8 9 k q( 4 1 2 ) 般取1 8 9 kq 为漏电保护的动作值。 但通常情况下，三相绝缘电阻并非对称下降，当一相绝缘电阻降低为 r ，而其余两相仍为无限大，此时的人身触电电流计算公式如下。 铲罴 ( 4 - 1 3 ) 对于3 3 0 0 v 电网而言，如果i r = 3 0 m a ，那么就要求绝缘电阻r 不应低 太原理工大学硕士学位论文 于6 3k q 。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 0 k q 。 4 7 外部参数整定 为了使系统能够可靠地运行，需根据电网的供电容量来对额定工作电 流进行整定。在本测控系统当中，外部参数输入采用4 片拨码盘来设定， 前三片表示系统的额定工作电流，第四片表示短路倍数。当系统负荷更换 后，只需改变拨码盘的输入值即可投入使用。 4 7 1b e d 拨码盘 b c d 拨码盘是十进制输入，b c d 码输出的拨码盘，每片拨码盘具有 0 9 十个位置，每个位置由一位相应的十进制数表示。拨码盘后面有5 个 接点：c 、1 、2 、4 、8 ，其中c 为输入控制线，另外四线为相应的二进制 码输出信号线。拨码盘拨到不同的位置，c 分别与l 、2 、4 、8 中的某几个 相连，接通的b c d 码状态与拨码盘指示的十进制相一致。表4 - 3 为拨码盘 的输入状态表。 4 7 2 接口电路 单片b c d 拨码盘可与任何一个4 位o 口或扩展口相连，以输入b c d 码。为了使输出端在不与控制端相连时有确定的电平，常把8 、4 、2 、1 输出端通过电阻拉为高电平。在应用系统中，例如，要同时输入n 位十进 制数时，如上所述，n 位1 0 进制拨码盘需要占用4 + n 个i o 口。为了减 少i o 口数量，节省p l c 资源，每片拨码盘的控制端由微机控制分时选通， 输出线通过门电路与微机相连，分时来读取每一片拨码盘的数值。另外， 在电路的实现上还要注意以下两点： ( 1 ) c o m 端的选通。c o m 端的选通采用两个p l c 的输出口来控制， 也就是说采用p l c 的两个输出口可分时选通4 片拨码盘。 ( 2 ) 拨码盘的读取。p l c 与t t l 电路芯片在电气上的差别很大。其中 主要问题是它们之间的电源电压等级不同。p l c 的直流输入、输出逻辑电 太原理工大学硕士学位论文 表4 - 3 拨码盘输入输出状态表 拨码盘控制端输出状态 输入 c8 4 21 0 1oooo il0o0l 21ool0 3100 l1 4 10l o0 5lo 1o1 6lo1 10 710l 11 81lo oo 9l l0o1 平与t t l 的逻辑电平不同，以v o h 、v o l 分别表示逻辑l 、0 的输出电 压，v i h 、v i l 分别表示逻辑1 、0 的输入电压。对于t t l 电路，这些临 界值为： v