（电力电子与电力传动专业论文）矿井低压电网综合保护系统的研究.pdf

太原理1 ：火学硕士学位论文 新型智能综合保护系统，该系统不仅具有电压、电流、漏电、 风电瓦斯闭锁等综合保护功能，还具有液晶显示、r s 2 3 2 串行 通讯、4 2 0 m a 电流信号输出功能。系统保护功能完善、人机界 面良好、通讯功能强大，达到了同类产品中的先进水平。 4 逻辑功能的设计采用了大规模可编程逻辑器件c p l d ，提 高了系统的可靠性、保密性和灵活性。 5 ：研究了保护系统中主要干扰源的特征，对应不同的干扰 信号制定了相应的硬件和软件抗干扰措施，提高了系统的工作 可靠性。 经过初步试验结果表明：系统运行稳定、动作可靠、技术指 标符合设计要求，证明了设计方案的正确性和实用性。 关键词：低压电网，保护系统，漏电保护，单片机，c p l d 太原理工人学硕士学位论文 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fa u t o m a t i ct e c h n o l o g yi nu n d e r g r o u n d ，t h em o r e r e q u i r e m e n t sa r er a i s e dt oi m p r o v et h ec o n t i n u i t y ，r e l i a b i l i t ya n ds e c u r i t yo f u n d e r g r o u n dp o w e rs u p p l ys y s t e m i ti s h e n c ev e r yi m p o r t a n ti nt h e o r ya n d p r a c t i c e t o d e v e l o p t h e s y n t h e s i sp r o t e c t i o ns y s t e m i n u n d e r g r o u n d l v d i s t r i b u t i o nn e t w o r k s t h em a i n o b j e c ti nf i a i st h e s i si st os o l v et h ep r o b l e m so f a p p l y i n gt h ei n t e l l i g e n tc o n t r o lt e c h n o l o g yt 0s y n t h e s i sp r o t e c t i v es y s t e mi n u n d e r g r o u n d l vd i s t r i b u t i o nn e t w o r k s 。c o m b i n e dw i t ht h er e s e a r c ho f p r o t e c t i v et e c h n o l o g ya n di n t e l l i g e n tc o n t r o lt e c h n o l o g yi np o w e rs y s t e m ，t h e c o n t r o lt e c h n i q u e sa n d p r o t e c t i v em e t h o d s i nt h es y n t h e s i sp r o t e c t i o ns y s t e mo f u 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 k sa r e p r o p o s e d i th a sb e e ns u c c e s s f u lt oa p p l y t h ei n t e l l i g e n tp r o t e c t i v es y s t e mi n u n d e r g r o u n dl vf l a m e p r o o fs w i t c h g e a r s b yt e s t i n ga n dr u n n i n gi nu n d e r g r o u n d ，i th a sb e e ns h o w nt h a tt h ep r o t e c t i v e m e t h o d si nt h e s y s t e ma r er i g h t ，v a l i da n dp r a c t i c a b l e t h em a i ns t u d y i n g a s p e c t sa r e t h e f o l l o w i n g s ： 1 t h ec h a r a c t e r i s t i c so fu n d e r g r o u n dl vd i s t r i b u t i o nn e t w o r k sa n dt h e a c t u a l s i g n i f i c a n c et od e v e l o pt h ep r o j e c t a r ea n a l y z e d ，a n dt h ed e v e l o p i n g h i s t o r i e so ft h es y n t h e s i s p r o t e c t i o na n di n t e l l i g e n t c o n t r o l t e c h n o l o g y a r e r e v i e w e d i na d d i t i o n ，t h e d i s a d v a n t a g e so ft r a d i t i o n a ls y n t h e s i sp r o t e c t i v e s y s t e ma r ep o i n t e do u t ，a n dt h en e wd e t e c t i n gm e t h o d sa n dc o n t r o ls t r a t e g i e s a p p l i e di nt h em e a s u r e m e n ta n dc o n t r o ls y s t e ma r ep u tf o r w a r d t h et e s t i n g r e s u l t ss h o wt h a tt h ed e t e c t i n gm e t h o d sa r ec o r r e c ta n dt h ec o n t r o ls t r a t e g i e sa r c p r a c t i c a l 2 a c c o r d i n gt o t h ea c t u a ls i t u a t i o n si n u n d e r g r o u n dl vd i s t r i b u t i o n n e t w o r k s ，t h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h ee l e c t r i c a lf a u l t so c c u r e di nt h es y s t e ma r e t h e o r e t i c a l l ya n a l y z e d ，a n dr e l e v a n tp r o t e c t i v ep r i n c i p l e sa n dc o n t r o ls t r a t e g i e s a r e p r o p o s e d o nt h eb a s i so fn a t i o n a lr e l a t i v e s t a n d a r d s s o m ed i f f i c u l t p r o b l e m sl i k es e l e c t i v ee a r t hl e a k a g ep r o t e c t i o n ，p h a s es e n s i t i v ep r o t e c t i o na n d 太原理工人学硕士学位论文 d y n a m i c o v e r l o a dp r o t e c t i o nh a v eb e e nr e s o l v e d ，w h i c hm a k e san e w p r o g r e s s i nu n d e r g r o u n d p r o t e c t i v et e c h n o l o g y 3 an e w t y p eo fi n t e l l i g e n ts y n t h e s i sp r o t e c t i v es y s t e mc o r t r o l l e db y t h e m i c r o c o m p u t e ra t 8 9 c 5 2h a sb e e nd e s i g n e d , w h i c hp e r f o r m st h ef u n c t i o n so f n o to n l yv o l t a g ep r o t e c t i o n ，c u r r e n tp r o t e c t i o n ，e a r t hl e a k a g ep r o t e c t i o n ，p h a s e o p e np r o t e c t i o na n dg a sl o c k ，b u ta l s ol i q u i dc r y s t a ld i s p l a y ，r s - 2 3 2s e r i a l c o m m u n i c a t i o na n d4 2 0m ac u r r e n t s i g n a lo u t p u t t h ep e r f e c tp r o t e c t i v e f u n c t i o n s ，f a v o r a b l e m a n m a c h i n ei n t e r f a c ea n dp o w e r f u lc o m m u n i c a t i o n f u n c t i o nm a k et h es y s t e mr e a c hm o r ea d v a n c e dl e v e lt h a no t h e r s 4 t h el a r g e s c a l ep r o g r a m m a b l el o g i cd e v i c ec p l di s a p p l i e dt od e s i g n l o g i c a l c i r c u i ti nt h e p r o t e c t i v es y s t e m ，w h i c hc a ni m p r o v et h er e l i a b i l i t y , s e c u r i t ya n df l e x i b i l i t yo fu n d e r g r o u n d l vd i s t r i b u t i o nn e t w o r k s 5 o nt h eb a s i so fa n a l y z i n gt h ee l e c t r i c a lc h a r a c t e r i s t i c so fi n t e r f e r e n c e s o u r c e si nu n d e r g r o u n d ，t h ec o r r e s p o n d i n gh a r d w a r ea n ds o f t w a r em e a s u r e so f a n t i i n t e r f e r e n c ea r et a k e nt oi n c r e a s et h er e l i a b i l i t yo f t h e p r o t e c t i v es y s t e m t h en e ws y n t h e s i sp r o t e c t i v es y s t e mh a sb e e nt e s t e di ni n t e l l i g e n tc o n t r o l l a b o r a t o r y i t h a sb e e ns h o w nt h a tt h e p r o t e c t i v es y s t e m 1 r l n s s t a b l ya n d o p e r a t e sr e l i a b l y i na d d i t i o n ，t h et e c h n i c a ls p e c i f i c a t i o n sh a v ef u l l ym e tt h e r e q u i r e m e n t sp r o p o s e di no v e r a l ls c h e m e i th a sb e e np r o v e db yt h em e n t i o n a b o v et h a tt h ed e s i g n i n gm e t h o d sa n d s t r a t e g i e sa r er i g h ta n dp r a c t i c a l k e yw o r d s ：l vd i s t r i b u t i o nn e n v o r k s ，p r o t e c t i o ns y s t e m ，e a r t h l e a k a g e p r o t e c t i o n ，m i c r o c o m p u t e r , c p l d 太原理工大学硕十研究生学位论文 第一章绪论 n 研究新型智能矿井低压电网综合保护系统的意义 随着煤矿现代化程度的不断提高，对煤矿供电的可靠性、安全性、连 续性提出越来越高的要求。而煤矿井下工作环境恶劣、负荷波动大、瓦斯 煤尘聚积、滴水冒顶事故等会使电气设备绝缘强度逐渐降低。同时由于操 作人员维护不当或操作错误、输电线路的导线断裂等原因，经常会出现漏 电及单相接地故障。接地故障若不及时排除，电网绝缘所承受的电压为线 电压，这种情况长期运行将导致绝缘击穿，甚至发生三相或两相短路事故。 单相接地、相间短路故障发生时产生的电弧能量会引起瓦斯、煤尘爆炸， 直接危及人身和矿井生产安全。根据我国煤矿安全规程【1 】规定：井下 配电网络均应装设过流、短路保护装置；井下低压馈电线上，必须装设检 漏保护装置或有选择性的漏电保护装置；掘进工作面的局部通风机应采用 三专( 专用变压器、专用开关、专用线路) 供电，也可采用装有选择性漏 电保护装置的供电线路供电。所以，为了避免事故的发生、保障人身安全、 减小事故范围、提高供电可靠性，研究高性能的矿井低压电网综合保护系 统具有重要的现实意义和重大的经济价值。 1 2 矿井低压电网综合保护技术的发展与现状 我国矿井低压电网的继电保护技术从硬件设备上来讲经历了机电式、 半导体式和微机式3 个发展阶段，早期的继电保护装置都是由电磁型、感 应型或电动型继电器组成的，如d l 1 0 系列过电流保护继电器，g l 1 0 系 列感应式过电流继电器等【1 “，这些继电器都具有机械转动部件，统称为机 电式继电器，它们在矿井继电保护系统中获得了广泛的应用，但这种保护 装置体积大、消耗功率大、动作速度慢、机械转动部分和触点容易磨损或 粘连，调试维护比较复杂。在上世纪5 0 年代，随着半导体晶体管技术的发 展，开始出现了晶体管式继电保护装置，到7 0 8 0 年代，晶体管式继电保 太原理工大学硕士研究生学位论文 护装置在煤矿井下供电系统中得到了广泛的应用，如d w k b 3 0 系列馈电 开关，其内部采用晶体管电路实现了短路、过载、欠压等保护功能，至今 在许多矿井中仍在使用。与机电式保护装置相比，晶体管保护装置具有体 积小、功率消耗小、动作速度快等优点，但容易受到电磁于扰的影响从面 造成保护误动或损坏，可靠性差，而且保护功能也不完善。2 0 世纪9 0 年 代，随着电子技术和计算机技术的发展，微机控制技术逐渐应用到矿井电 网的继电保护系统中，相继出现了智能真空馈电开关如 b k d 4 4 0 0 ( 2 0 0 ) z 1 1 4 0 ( 6 6 0 ) ，该保护装置采用m c s 一5 1 系列单片机作为中央 控制单元，信号采样和逻辑变换电路都采用电子线路设计，具有电压、电 流、漏电等综合保护功能，可以实时检测系统运行状况并显示其参数，实 现了保护控制的智能化。微机控制技术的应用，使矿井电网继电保护技术 发生了质的飞跃，保护动作的可靠性大大提高，保护功能更加完善。近年 来，随着智能技术的进一步发展，人工智能技术开始逐渐应用到电力系统 中，主要解决一些传统技术难以解决的问题，如绝缘在线检测、故障类型 判断等，并取得了一定的进展。专家预测，未来智能技术在控制领域必将 得到更为广泛的应用，如何将智能技术更好地应用到矿井电网保护系统中， 使其保护功能更加完善，动作更加可靠，这是矿井电网继电保护技术发展 的方向之一。 西方发达国家在矿井电网保护技术方面发展较快，在国外，目前智能 电气设备在煤矿井下已经得到了广泛的应用。在我国矿井电网保护系统中， 引进了大量的国外电气设备，如现在流行的3 3 k v 供电系统，几乎全部采 用国外进口设备，其可靠的工作性能的确促进了我国煤炭事业的发展，但 国外产品价格高、配件供应周期长，已成为制约我国煤炭行业发展的一个 主要因素，所以目前我国独立自主开发性能优越的矿井电网综合保护装置， 对促进我国煤矿自动化事业的发展具有重要的现实意义和重大的经济价 值，本课题的研究正是为了适应这一需要而进行的。 1 3 单片机的发展与应用 单片微型计算机( s i n g l ec h i pm i c r o c o m p u t e r ) ，也叫微控制器( m i c r o c o n t r o l l e r ) 是一种把微处理器、半导体存储器、i o 接口和中断系统集成 太原理工大学硕士研究生学位论文 在同一块硅片上的有完整功能的微型计算机【 “。由于单片机具有集成度 高、体积小、运行可靠、应用灵活、价格低、面向控制等优点，因此在工 业控制、数据采集、智能仪器仪表、智能化设备和各种家用电器等领域得 到广泛的应用。随着微电子工艺水平的提高，近十年来单片微型计算机有 了飞速的发展。在m c s 5 l 系列单片机系列内核8 0 5 1 8 0 c 5 l 的基础上，i n t e r 公司、p h i l i p s 公司、s i e m e n s 公司等很多大公司纷纷推出了名目繁多的派 生芯片。而a t m e l 公司的a t 8 9 c 5 2 系列单片机是当今具有较高性能的单 片微型计算机系列产品之，特别适用于要求实时处理、实时控制的各类 自动控制系统，如工业过程控制系统、伺服系统、分布式控制系统、变频 调速电机控制系统等。其主要特点有： ( 1 ) c p u 内核完全和m c s 5 1 系列兼容，具有m c s 5 1 系列单片机的 切功能。 ( 2 ) 内部集成了8 k 字节的在线可编程f l a s hr o m ，可满足大部分系 统扩展的需求，编程方便快捷。 ( 3 ) 可在0 - - - 2 4 m h z 的晶振频率范围内可靠工作，加快了系统的工作 速度，可用在某些高速实时处理控制系统中。 ( 4 ) 内部具有2 5 6 个字节的r a m 和3 个1 6 位定时器，可以存放系 统运行中的数据和满足定时或计数功能扩展的需要。 ( 5 ) 具有程序加密功能，可以控制程序是否允许被读出，从而保证设 计者的专有权利，防止被别人仿制。 ( 6 ) 具有8 个中断源，完全可以满足一般设计的中断系统扩展需要。 因此，a t 8 9 c 5 2 系列单片机以其优越的性能在控制系统设计中得到了 广泛的应用，由于其内部功能完善，可以大大减少扩展系统外围电路，而 且性能稳定，因此在该保护系统的设计中，选用了a t 8 9 c 5 2 单片机为中央 控制单元。 1 4 本文的主要工作和内容安排 本文研究的内容是“矿井低压电网综合保护系统的研究”。目的是研究 一种保护功能完善、操作简便、动作可靠、界面友好的新型智能化综合保 护系统。通过查阅大量国内外文献，在分析目前国内外矿井低压电网综合 太原理丁大学硕士研究生学位论文 保护系统的基础上，结合现场实际情况，本文的研究内容如下： 1 ) 根据矿井低压电网的实际情况，分析各种常见故障的电气特征，并 提出相应的保护原理和动作指标，重点解决选择性漏电保护、相敏保护和 动态过载保护等问题。 一 2 ) 提出保护系统中各种特征参量的检测方法，开发以高性能单片机 a t 8 9 c 5 2 为中央控制单元的新型智能综合保护系统，实现电压、电流、漏 电等综合保护功能。 3 ) 采用大规模可编程逻辑器件c p l d 设计系统的逻辑功能，以提高系 统的可靠性、保密性和灵活性。 4 ) 使用m c s 一5 1 汇编语言编制系统程序，并给出系统的程序框图。 5 ) 分析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，以提高保护系统的工作可靠性。 太原理工大学硕士研究生学位论文 第二章矿井低压电网常见故障与保护原理分析 在矿井低压电网中，常见的故障或不正常运行状态有漏电、短路、断 相、过载等。本章分析了这些故障的电气特征，并提出了相应的保护原理， 为设计相应的保护电路提供了理论依据。 2 1 漏电故障 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时，使经 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。煤矿井下供电系统发生漏电，不仅会引起人身触电，而且还可能导致 瓦斯、煤尘爆炸，甚至使电气雷管提前引爆；此外，漏电故障若不及时排 除，电网绝缘将承受线电压，长时间运行将导致绝缘击穿，造成短路事故， 从而可能使绝缘材料发热着火，造成火灾及其它更为严重的事故。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重 要意义。 2 1 1 漏电故障的电气特征 在我国，矿井低压电网采用电源中性点绝缘方式供电，一般低压电网 对地电容可以忽略，只考虑电网对地绝缘电阻的影响，其供电系统如图2 - 1 所示。 图2 - i 矿井供电系统等效电路图 f i g 2 1 e q u i v a l e n tc i r c u i to f u n d e r g r o u n dp o w e rs u p p l ys y s t e m 太原理 大学硕士研究生学位论文 在正常运行状态下，电源的相电压0 。、吼、0 。是对称的，即 u j = u b = u c = u j ，+ 口+ u c = 0 ( 2 1 ) 式( 2 一1 ) 中，虬一电源的相电压。 此外，各相对地绝缘电阻般认为也是相等的，即： = = 七= r( 2 2 ) 三相对地绝缘电阻o 、r c 可看成是一个对称的星形负载，中性点 为地a 【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 。、j 。也是对称的，即： 同时，存在下列关系 1 4 = i 口= i c i + ib 七i c = 0 ( 2 - 3 ) u a 2 i t r a u 口= ，月r e( 2 - 4 ) u c = i c r c 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。所以，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。下面分析几种典型漏电故障时的运行 情况： 1 ) 当发生人身触电事故时，如图2 - i 所示，c 相的绝缘电阻。与人身 电阻r 。并联，该相的对地电阻为： 呓：冬 ( 2 _ 5 ) 。 j r r + 1 由式( 2 5 ) n 见，c 相对地电阻与a 、b 相对地电阻不相等，破坏了假想 太原理工大学硕士研究生学位论文 负载的对称性，于是，电网的对地电压和电流值将发生变化，并使变压器 中性点对地出现电位差( u 。0 ) ，向量图如图2 2 所示。 a 图2 - 2 人身触电时电压向量图 f 培2 _ 2v 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 n o f l e a k a g ef a u l t 这时，各相对地电压不再对称，各相对地电压变为： 随之，各相绝缘电阻中流过的电流也不相同，变为 ，：堡：生坠 弘譬：兰监( 2 - 7 ) r 8r b 乓：堡：q c + u o r c七 这时，人身触电电流? 。为： ，：丝：匕坠 “r rr 根据基尔霍夫电流定律得： i 。 + i l b + i ：+ ir = 0 ( 2 8 ) ( 2 9 ) 6 - 0 + + + 日 c u u u = = = 以啦 太原理工大学硕士研究生学位论文 即：旦! 望! + 竺! 里! - 4 - u c + u o + 竺! 旦q ：0 ( 2 1 0 ) r ar br cr r v f ， u o = i l ( 2 - 1 1 ) ” 3 r 。+ ， 、7 f 。：堡：坠坠：旦( 2 - 1 2 ) k r rt 2 甄了 式( 2 1 2 ) 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。 根据煤矿安全规程规定，发生人身触电事故时，通过人身的最大电 流不能超过3 0 m a ，s ，否则，人身安全将得不到保证。 2 ) 当发生单相接地故障时，如a 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b 、r c 构成电流回路。这时，a 相 对地电压为零，b 、c 相对地电压升高到原来的3 倍，变成了线电压，因 此，电气设备的绝缘电阻要承受较高的电压。这时也会出现零序电压 d 。= 一u 。，单相接地故障电流为： ，“一- 3 u o 婴 ( 2 1 3 ) 3 ) 当电网绝缘电阻不对称下降时，同理可以得出人身触电电流的计算 公式如式( 2 1 4 ) 和( 2 1 5 ) 所示： 当一相绝缘电阻降低时：，。= ：二生 ( 2 一1 4 ) “o 十r 当两相绝缘电阻降低时：j r - - 2 “3 。u i + 2 1 2 漏电保护原理 2 - 1 5 、 漏电保护的主要目的是通过快速切断电源来防止人身触电伤亡和漏 电电流引起瓦斯煤尘爆炸事故的发生。根据检测物理量的不同，所形成的 漏电保护原理和装置种类较多 1 ，但从适用于井下低压电网的漏电保护原 理来看，主要有以下几种：附加直流电源检测的保护原理、零序电流方向 保护原理、零序电流保护原理、旁路接地保护原理 1 0 , 3 , l i 。目前在现场使用 太原理工大学硕士研究生学位论文 的漏电保护装置主要采用前两种保护原理。 ( 1 ) 附加直流电源检测的漏电保护原理 附加直流电源检测的漏电保护原理如图2 3 所示。 图2 3 中弘_ r 为三| - 相电抗器，它为附加真流检测回路提供人为中性点； 胄为限流电阻；丹为工频滤波电路；刃为高频滤波电路；u 为附加直流 电源；n 、r b 、r c 分别为a 、b 、c 三相的对地等效绝缘电阻。 斟2 - 3 附加直流电源漏电保护原理 f i g2 3 s c h e m a t i cd i a g r a mo f g r o u n d f a u l t p r o t e c t i o nw i t ht h ea d d i t i o n a ld c p o w e rs u p p l y 由图2 - 3 可以看出，直流电流从u 的正极通过电网对地电阻、三相电 抗器乃确和限流电阻r 到达电源u 的负极，所以直流电流可以由式f 2 1 6 ) 求得： ，u 2 i ( 2 1 6 ) r n + h 7 式( 2 1 6 ) 中，勘为回路中t p r 和r 部分的等效电阻 联后的总电阻，即： 1 在2 丁广t 上上 若一相( 如c 相) 绝缘电阻降低， a b 两相绝缘电阻同时降低，且0 = r b 在为三相绝缘电阻并 ( 2 1 7 ) 其余两相为无限大，n r z = 七：若 = ，其余一相为无限大，则七= r 2 ； 太原理l ：入学硕士研究生学位论文 若三相绝缘电阻同时降低，且0 = 0 = 七= ，则r = r 3 a 由式( 2 - 1 6 ) 可 以看出，当直流电压u 和r 口一定时，直流电流，只和您有关，所以可以 通过直流电流i 来反映电网的对地绝缘电阻在。 2 ) 零序电流方向漏电保护原理 人身触电后，三相电网的对地电压d ：、吼、d ；不再对称，其和不等 于零，于是，在故障点出现了零序电压秒；，根据对称分量法，零序电压0 ； 为： 玩= 妄( d ：+ d ：+ d ：) ( 2 1 8 ) j 将式( 2 6 ) 代入上式中，因为以+ d 。+ 驴c = 0 ，所以： 零序电流为： 眈2 ；( 3 吼) = u o _ 地- - u + a r ； 厶= 扣“+ 粕= 等 f 2 1 9 ) f 2 2 0 ) 在一个多支路辐射式电网中，如图2 - 4 所示。如果某一个支路犯3 ) 发生 漏电故障，各个分支线路中都将有零序电流通过，而人身触电电流或漏电 电流便等于这些零序电流的总和。从电源的母线端往外看，通过故障支路 的零序电流由线路流向母线，而非故障支路的零序电流由母线流向线路， 它们方向正好相反，从而通过检测零序电流的方向可以判断出漏电支路， 这就是零序电流方向保护原理。 幻 。一 ：。i 一， 乏r 一宅主 婴 一l 上一 ( ：i ，i 一 1j - j _ 娶“l l ， -i ，t ： l ii i 一 赢凡0 to 牛牛牛l 图2 - 4 漏电故障的零序电流分布 f i g 2 - 4t h ed i s t r i b u t i o nd i a g r a mo f z e r o - s e q u e n c ec u i t e n tu n d e re a r t hl e a k a g ef a u l t 1 0 太原理工大学硕士研究生学位论文 2 1 3 漏电保护和漏电闭锁电阻值的计算 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。在电网额定电压为6 6 0 v 时，通 过人体电流按3 0 m a 计算，根据式( 2 1 2 ) 便可计算出电网允许最低漏电电阻 值： 1 rr 尺。= 三一3 r = 3 5 k 口 ( 2 _ 2 1 ) r 考虑到三相电网的漏电电阻对直流而言为并联通路，则漏电动作值 dt c r ，。= 兰卫= ；= 1 1 7 k 口 ( 2 - 2 2 ) 一 33 为可靠起见，一般取l l k 口为漏电保护的动作值。 通常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 相仍为无穷大，此时的人身触电电流计算公式为： ，一r ， ，。：业( 2 2 3 ) “ r 月+ r 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动作电阻值的2 倍。因此，6 6 0 v 电网的漏电闭锁 电阻值应为2 2 k 口。同理可以求出1 i 4 0v 电网条件下的漏电保护的动作值 为2 0 k 口，漏电闭锁电阻值为4 0k 口。 2 2 短路故障 在煤矿井下供电系统中，短路是最严重的故障形式之。所谓短路是 指供电系统中不等电位的导体在电气上被短接，如相与相之间的短接、相 与地之间的短接等，产生短路的主要原因是由于电气设备绝缘损坏。在矿 井低压供电系统中，最常见的短路类型有三相短路、两相短路和单相接地 短路，由于发生三相短路故障时，三相电压电流等参数仍然对称，又称为 对称短路，后面几种由于发生短路故障时，三相电压电流等参数不再对称， 故称为不对称短路。 太原理工大学硕士研究生学位论文 2 2 。l 短路故障的暂态过程 当电网发生突然短路时，系统总是由工作状态，经过一个暂态过程， 再进入短路稳定状态。电流由正常值突然增大，经过暂态过程达到新的稳 态【1 2 】。下面以三相短路为例，来讨论电源容量为无限大时，短路电流的暂 态过程。由于三相短路是对称的，所以只取一相来讨论。 图2 - 5 是一简单的供电系统单线示意图，a 是电源端，向b 端供电。a 处母线电压为：“= u 。s i n ( c o t + 0 ) 图2 - 5 供电系统单线图 f i g 2 - 5t h es k e t c hm a p o fu n d e r g r o u n dp o w e r s u p p l y s y s t e m 若d 处发生了三相短路，负载阻抗被短接，电流即由负载电流突然增大为 短路电流i 。如果从4 至d 短路处每相的电阻为r 、电感为l 、并假设它 们是常数，对煤矿供电系统而言，电源容量为无限大，母线电压幅值u 。保 持不变，则短路回路的电流方程式为： 工等砌= u m s i n ( c o t 棚) ( 2 - 2 4 ) 其解为： i d # k 。s i n ( c o t + 0 一q _ ) + ，。s i n ( o 一妒) 一i 出。，s i n ( o 一妒d ) p 毛 ( 2 2 5 1 = i d ：+ i 其中：气。短路电流周期分量幅值，k 。= u 。z ，其中短路回路的 阻抗z = r 2 + ( c o l ) ! ； ，短路前负载电流的幅值； p 短路前回路的阻抗角： 目短路时电压的初相角； 一 奎丝塑堕咝堂坚一 妒。短路疆路阻抗角，2 瞎i c o l ； 一1 。纛赢篇嚣秦瓢t d = 由l 两部r o-a 分缄前一部分随翌 烹登鬈：燃篡戮警器艺鬻畿募随黼磊 翌篆囊篓律翟慧勰翼嚣粱z 亲。裂乏磊：| 数规律衰减，是直流，称为非周期分量崩衙亏1 “衣而。州8 ”“。 f j 怂锨么 ( _ 、一 憋vv 稳态 图2 6 短好吧祝置q p “ f i g 2 ，6t h e w a v e f o r mo f s h o r t - c i r c t f i t 。“t 2 2 2 i 黧篓曩哪种擗故障点的电流均可分解成正序、负 惠；嬲鬻熬嚣严篙芸豁蒜苗淼赫磊 铲要黧竺誓霎茗篆三曩誓警警篙鼍筹嬲喜三聂蟊荔美 路，由对称分量法便可求出其故障电流，故障甩掘刊台4 刚7 。“ 龇耋璃 p 2 6 ) 式中，、，。、，m 分别为a b ，c 三相的故障电流；k ”、7 m 1 、7 ，( o ) 分 太原理工大学硕士研究生学位论文 别为正序、嫦零序毓一三+ ，孚= ，孚。晾负 序、零序的相序网络图如图2 - 8 所示： 殴艮匝 图2 - 8 相序网络图 f i g 2 - 8p h a s e - s e q u e n c en e t w o r k s 1 ) 三相短路 。 当发生三相短路时，其稳态电流急剧增大，但相位对称，所以只存在 正序电流，不存在负序和零序电流，序网图中仅有正序阻抗，故障点的正 序电流为 f 一参 ( 2 2 7 ) 其中，e 。为正序网络等值电势：z 。为正序网络故障处的等值阻抗，三相短 路电流为 7 ，。= 0 2 ) 两相短路 ( 2 - 2 8 ) 在矿井低压电网中发生两相短路时，系统处于不对称故障状态，故障 点除正序电流外，还存在负序电流 1 4 j s l ，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 负序电流 故障电流 e i f ( i ) - - - - - - 百1 2 酉, 1 ，”= 豇， r 2 - 2 9 ) ( 2 - 3 0 ) ( 2 - 3 1 ) 太原理工大学硕士研究生学位论文 其中，z 2 为负序网络故障处的等值阻抗。 3 ) 单相接地短路 单相接地短路故障也可以看作是一种不对称短路故障，已经在2 1 1 中 讨论过，下面给出各相序电流分量。一 7 ，( 1 ) 2 2 7 们，2 一再石i j - , ii ( 2 - 3 2 ) 其中，z o 为零序网络故障处的等值阻抗。故障电流为： ，1 卜3 1 ，m ) ( 2 3 3 ) 2 2 3 短路故障的保护原理 在该综合保护系统中，针对上述各种短路故障时的电气特征，三相短 路采用相敏保护原理；因为其它几种不对称短路故障都会产生负序电流分 量，故采取负序保护原理。 1 ) 相敏保护原理 煤矿井下使用的大型鼠笼异步电动机的起动电流特别大，可达额定电 流的4 8 倍，与线路末端短路电流十分接近【4 j 。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，电动机起动时，会造成保护误动； 若整定值过大，电网末端短路时保护可能拒动，满足不了煤矿安全规程 规定【i j 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。目前国内采取的主要方法有两种：一种是采用 8 秒可返回的方法，即在起动时如果电流能在8 秒之内降下来，则认为是 正常的起动过程；如果在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，从而来满足起动的要求， 这种方法也有不妥之处。例如，在起动时发生短路就无法保护。近年来的 研究发王见【”】，鼠笼异步电动机起动时的电流虽然很大，但起动时的功率因 数却较低，般在o 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 太原理一e 大学硕士研究生学位论文 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，使短路保 护可靠性得到提高，这就是相敏保护的基本原理 1 ”。 2 ) 负序保护原理 由2 2 2 中的分析可知，在电网正常运行或对称短路故障时，电网中没 有负序电流，当发生不对称短路故障时，电网中会产生负序电流，因此可 以根据负序电流的大小来判断不对称短路故障。负序保护就是基于这一原 理而设计的。 2 3 断相故障 断相运行是指电动机的一种不正常运行状态，它是由于电源一相断线 造成的。绝大多数断相运行发生在采用熔颛器作为短路保护的供电系统中， 由于一相熔断器熔断而造成了断相运行状态，少数是由于一相导体断线或 接点脱落等引起的。 2 3 1 断相故障的电气特征 某一相断相后，该相的电流为零，而另外两相的电流大小相等，方向 相反，幅值增大为原来的3 倍。这是一种严重的不对称故障，按照对称 分量法，断相运行时各相序电流为： j 下序电流 负序电流 零序电流 故障电流 一乃+ 籍， h ：，一毫h ， “旷一寿扣 ，一括i焉1 z 2 z o 川， 由上式可以看出，断相后电网中有负序电流存在，它产生的电磁转矩 与f 序电流相反，因负荷所需功率不变，所以，电网会出现过电流，容易 瑚 瑚 邬 陋 陋 太原理1 二大学硕士研究生学位论文 引起电动机过负荷从而烧毁电动机，因此有必要对断相运行引起重视，进 而设置有效的保护装置。 2 3 2 断相故障的保护原理 由上面的分析可知，当发生断相故障后，。电网中存在负序电流，所以 断相保护也可以采用负序电流保护原理。 但是当发生两相短路故障时，由式( 2 2 9 ) , 1 ：1 ( 2 3 0 ) 可知，负序电流为： f k ：) 2 了 尹 ( 2 3 8 ) i2 当发生断相故障时，由式( 2 3 4 ) 和( 2 3 s ) 可知，负序电流为： ( 2 3 9 ) 由式( 2 3 8 ) 和( 2 3 9 ) 可以得出：当发生两相短路故障时的负序电流大于 断相故障时产生的负序电流，从而可以区别出两相短路故障和断相故障。 2 4 过载保护 过载是煤矿并下供电系统的不正常运行状态，过载后电网的电流相位 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，否则要对电网进行保护。 2 4 1 过载保护的一般原理 过载保护一般采用反时限动作保护原理，即过载电流倍数越大，允许 过载时间越短，过载电流倍数越小，允许过载时间越长。反时限过载特性 如下【1 8 ： f 2 - 4 0 ) 参照中华人民共和国煤炭行业标准伸】，得到过载保护动作时间特性如 表2 1 所示。 毒 = 2 厂 ， 太原理f ：大学硕士研究生学位论文 表2 一l 过载保护动作时间特眭 2 4 2 改进的过载保护特性 在传统的过载保护中，有一个不容忽视的问题：电动机过载之后，其 过载倍数石不是一成不变的，随着的变化，允许过载时间t g 也发生相应 的变化【2 0 1 。而现有的各种保护均不能准确地反映巧的变化情况，即动态过 载情况，其结果必然导致动作时限提前或延迟。若动作时限提前，则导致 电动机的热过载能力未能充分利用，从而影响了生产系统的连续性；若动 作时限延迟，则极易造成电动机的热损坏。将式( 2 - 4 0 ) 中的反时限特性进行 改进，并取得了符合电动机动态过载特性的数学模型f 2 ”。即： ，一，2 f g2 “彳，2 一r 2 、 ( 2 - 4 1 ) 、 一， 式中，c 为等效发热常数；为电动机额定电流；，为电动机过载电流。 过载后，设，为时间t 的函数，即i = i ( t ) ，则 r ，2 ( f ) 一，j m = a ；( 2 4 2 ) 离散化得： ( ，： 式(