煤矿井下6～10kV电网选择性速断过流保护系统设计

煤矿井下煤矿井下 6 6 10kv10kv 电网选择性速断电网选择性速断 过流保护系统设计过流保护系统设计 1 前言前言 我国煤矿井下高压供电网 因受经济 技术等因素的限制 在 多数采用多段短电缆 100 1000m 段 组成逐级控制干线式纵 向网络 过电流是煤矿井下电网常见的故障之一 并直接影响 着煤矿井下供电的安全性 可靠性 传统的过流保护方法 不能构成有效的纵向选择性过流保护系 统 短路故障时常导致越级跳闸是不可避免的 有的矿井甚至 越过多级引起地面 6 10kv 下井电缆开关跳闸 造成井下大面 积停电 严重威胁矿井安全 单片机和串行通信技术的飞速发展 为新型过流保护系统的设 计提供了新思路 本文由此设计出煤矿井下电网选择性速断过 流保护系统的硬件电路和软件框图 2 典型煤矿井下典型煤矿井下 6 10kv 供电系统分析供电系统分析 典型的井下高压供电系统是一个单侧电源三级线路供电系统 如图 1 所示 图 1 井下高压供电系统简化图 各处开关分类及作用 1 分段开关 如 qf15 qf25 qf35 等 将单母线分为两 段 不设保护 2 进线开关 如 qf1 qf2 qf3 等 作为该段母线的电源 开关 不设保护 3 线路开关 又称出线开关 如 qf11 qf14 qf21 qf23 qf31 qf33 等 用来保护一条 线路 或线路变压器组 应设保护 4 直配负荷开关 如 qf22 qf24 qf32 qf34 等 只经 过很短的电缆 约几十米 就接到高压端负荷 固定式变压 器或高压电动机 此类开关也应设置保护 3 选择性速断过流保护系统整定方法选择性速断过流保护系统整定方法 该速断过流保护系统的整定方法较简单 按系统最大运行方式 时 躲过线路长时最大工作电流整定 i dz kk kzq ijs 式中 i dz 过流保护一次动作电流 ka kk 可靠性系数 取 1 25 kzq 电动机自起动系数 取 1 5 3 ijs 线路计算电流 是用需用系数法求得的半小时最大平均负荷电 流 ka 4 系统硬件电路设计系统硬件电路设计 该保护系统由若干台分机和一台主机组成 分机根据其开关位 置共分三级 每级由若干台 n 组成 如图 2 所示 第一级分 机对应开关是地面变电所各出线开关 第二级分机对应开关是 井下变电所各出线开关 第三级分机对应开关是采区变电所各 出线开关 三级分机通过串行通信和主机联接 图 2 系统电路框图 4 1 系统分机硬件组成及工作原理 选择性速断过流保护系统分机由 at89s51 单片机 数据采集系 统 开关量输入 开关量输出 显示器 键盘 rs 485 串行通 信接口电路等组成 如图 3 所示 图 3 分机系统电路框图 分机单片机采用 51 系列中实用的 atmel 公司生产的 at89s51 单片机 at89s51 单片机片内 4k 程序存储器是 flash 工艺 存储器可用电的方式瞬间擦除 改写 缩短设计 开发时间 数据采集系统将现场电流 电压模拟信号经电压形成 采样保 持 低通滤波器 alf a d 转换器变成数字信号 系统正 常工作时各分机不断地进行数据采集 数字信号通过接口电路 传送给 at89s51 单片机 p0 口 at89s51 单片机将采集数据与程序存储器中的整定值进行比较 如果采 集数据大于整定值 确认为过流后 分机立即报告主机 并报 告分机编码 等待主机进一步确认 如果主机确认该分机对应 出线过渡过流故障 分机立即动作 如果主机确认该人机无过 流故障 分机不动作 开关量输入 输出接口部分是微机保护系统与外部联系的部分 为提高系统抗干扰能力 开关量输入 输出电路经光电隔离芯 片与 at89s51 单片机 p1 口连接 如果分机需动作 分机通过 开关量输出电路驱动相应继电器 如跳闸出口继电器 信号继 电器 串行通信接口将分机与主机联接成一个有机整体 为提高分机 主机可靠性以及抗干扰能力 串行通信接口分别通过光电隔离 芯片与分机 主机连接 分机通过串行通信可将本线路过流信 息及分机编码传送给主机 使主机能够逻辑判断过流故障 由 于 at89s51 单片机串行口输出电平是 ttl 电平 不能进行远 距离通信 须进行电平转换 现典型三级供电网是由 100 1000m 电缆组成 因此通信距离至少满足 1000m 目前 rs 485 最远通信距离为 1200m 标准节点数 32 个 符合设计 要求 因而可外扩展 rs 485 电平转换电路 at89s51 单片机 输出的 ttl 电平通过光电隔离芯片后 由 max485 芯片转换为 rs 485 电平后与主机通信 4 2 系统主机硬件组成及工作原理 选择性速断过流保护系统主机由 pc 机 rs 485 rs 232 转换器 组成 系统主机电路框图如图 4 所示 图 4 主机系统电路框图 分机通过串行通信传送的 rs 485 电平由 rs 232 rs 485 转换 器转换为 rs 232 电平 最后输入 pc 机的 rs 232 接口 反之 pc 机通过串行通信将故障反馈信息送给对应分机 为保证主机 与各级通信距离不超过 1200m 系统设计将主机安装在井上中 央变电所 5 系统软件设计系统软件设计 系统软件包括分机软件与主机软件两部分 其中分机软件由分 机主程序 采样中断服务程序 故障处理程序三部分组成 主 程序主要包括初始化和自检循环两部分内容 分机主程序流程 图如图 5 图 5 分机主程序流程图 主机软件主要包括主程序 故障处理程序两部分构成 主机主 程序与分机主程序类似 自检时增加了故障检查程序 当主机 收到分机过流报告后 主机故障程序起动 该程序主要运用了 逻辑判断 对各分机分析并分类 首先跳第三级分机 然后逐 级分析跳闸 使保护系统具有选择性 从而避免电网越级跳闸 故障处理结束后 程序返回主程序 6 结论结论 该