煤矿井下采区无人值守变电所微机保护系统的研究

1、    煤矿井下采区无人值守变电所微机保护系统的研究        孟祥忠1 张秀娟2 时间:2008年08月26日     字 体: 大 中 小        关键词:        ? 摘 要：关键词： 煤矿井下? 无人值守变电所? 保护监控装置?1 综合保护系统的功能及井下

2、常见故障分析1.1 综合保护系统的功能1.2 井下电网常见故障特性分析? 煤矿井下供电系统在运行时，可能会出现各种故障和不正常运行状态。常见的主要故障是相间短路以及变压器、电动机绕组的匝间短路等。不正常运行状态主要是指过负荷、断相、欠电压、过电压以及单相接地等不正常工作情况。对于系统的保护常用故障特征量进行分析与综合。如电网中发生两相短路时，系统中不但存在正序分量，还存在负序分量，但零序分量为零，并且两故障相电流大小相等、方向相反。这是两相短路的重要特征。单相断相时线路中会出现负序电流，但负序电流的大小与两相短路时不同，因此可通过判断负序电流的大小来区分两相短路故障和单相断相故障。单相接地是煤

3、矿井下电网中出现频率最高的故障形式。若某一支路发生漏电或人身触电，最大的特点是会有零序电流产生，非故障支路零序电流由支路流向母线，其大小为：? ? 式（1）中：r和C分别为各支路每相对地绝缘电阻和分布电容。非故障支路零序电流超前零序电压，超前角度? ? 故障支路和非故障支路中零序电流不仅大小不同，而且相位相反。根据零序电流的方向可以区分故障支路和非故障支路，从而实现横向选择性漏电保护。三相短路和过负荷属于煤矿井下电网对称性故障和不正常运行状态，它们共同的特点是：故障后三相电流仍然对称，系统中只存在正序电流分量，并且幅值增大。过负荷通常是因为整定不当、违章操作、重载启动等原因造成的。但只要设备的

4、运行温度没有超过其允许升温，电网还允许继续运行，否则就要进行保护。煤矿井下大多数电气设备，如变压器、电动机等，都具有一定的允许过载能力，时间越短，允许通过的过载电流越大。因此，为了充分发挥被保护元件的效益，又不至于因长时间过热而造成损坏，对过载的保护应具有反时限特性。? 为了适应井下电网在不同负载条件下对过载保护的要求，本保护装置可以选择如图1所示的7条不同的反时限过载保护特性曲线。?2?综合保护系统所用算法? 算法是微机保护研究的重点之一。目前已提出的算法有很多种，例如两点乘积算法、导数算法、傅里叶算法、沃尔什函数算法、解微分方程算法以及最小二乘算法等。分析和评价各种不同算法优劣的标准是精度

5、和速度。人们已经进行了大量的研究，提出了许多适用于微机保护的算法12，各种算法各有其应用价值，具体选择哪一种算法需根据对保护功能的要求、应用场合来具体确定。? 故障检测算法要尽量简单并且运算量小，又要能对所监视范围内的故障做出灵敏的反应。电力系统正常运行与故障状态的区别，特别体现在故障前后电流的变化上。因此采用电流故障分量来检测故障具有足够的灵敏度3。电流故障分量的提取可采用以下算法：? ? 其中N为每工频周期采样点数。? 这种算法虽不精确，但基本上能满足要求，且简单易行。采用电流故障分量作为故障检测方法时，具有下列优点：? （1）在稳定状态下电流中的谐波分量被自然滤出，i(t)中不平衡输出小

6、；（2）输出i(t)存在时间是固定的，不随故障电流的大小而变化；（3）输出i(t)的波形没有衰减。? 令式（4）中的n分别为1和2，就可得到半周比较法和周-周比较法。但无论是周-周比较法还是半周比较法，都存在一个问题，那就是在电网频率波动时，会产生一定的不平衡电流。因此为了消除电网频率波动所带来的误差，可采用双周比较法和双半周比较法。? 双周比较法防止了因频率偏移引起的误动作，但它需要较长的数据窗（两个工频周期），使数据存储量增大，并且它仍受系统频率的影响，当振荡周期很小时仍有可能误动作。为了缩短数据窗，本系统采用式（4）所示的双半周比较法：? ? 式（5）中i(k)为某一瞬间的相电流采样值，

7、i(k-N/2)为半周期前同一相电流采样值，i(k-N)为一周期前同一相电流采样值。该方法数据窗短，计算简单。取整定值?着为正数，则故障检测元件判别式为：? ? 当满足式（6）时，故障检测元件动作。的选择原则是在保证可靠检测出所监测范围内所有故障的前提下，尽量使非故障扰动（如负荷波动）时不起动。此外，为提高抗干扰能力，程序设计中当有连续三次|i(k)|时才确认有故障发生，从而保证了保护起动的准确性。2.2 滤序算法? 煤矿井下低压电网中的负载大多是起动电流很大的鼠笼型电动机，这就使得保护装置需要区分线路末端的短路电流和大型电动机的起动电流。对于三相短路电流，可以利用相敏保护原理加以区分；但对于

8、两相短路，相敏保护就无能为力了。这就需要利用两相短路时出现的负序电流分量来检测。此外，断相故障也会产生负序电流，因而也可利用它来进行断相故障检测。? 负序分量的计算大致上可分为两种方法：向量法和采样点计算法。本文主要讨论本系统所采用的采样点计算法。? (1)装有三相电流互感器的线路的负序分量的计算? 根据负序分量的基本公式：? ? 式（8）中N为工频周期内的采样次数。? 这种算法所需数据窗宽度为。当N=12时的计算公式为：? ? (2)装有两相电流互感器的线路负序分量的计算? ? 离散化后得：? ? 这种算法要求数据窗的宽度为1/3个工频周期，取N=12时有：? ? 通过上述算法求出负序电流瞬

9、时值后，可采用全波傅氏算法或其他方法来计算负序电流4。? 采用负序算法输出一般受负荷、谐波分量和系统频率偏差等因素的影响，因此会有一定的不平衡输出，而且系统在发生三相短路时也会有暂态输出5。软件设计时，需要进行一定的补偿。3 系统的总体设计及硬件电路框图3.1 硬件电路? ?本文所讨论的综合保护装置是针对煤矿井下真空馈电开关而设计的，必须放置于真空馈电开关内。由于真空开关内的空间有限，因而该装置的各功能以模块方式设计，以尽可能减小体积。本综合保护装置将所有功能模块分别集中于两块板上。? ·模拟输入变换与控制出口继电器板? 该插件板的功能主要有两个：一是负责将由被保护线路一次PT、CT

10、输入的幅值为100V和5A的交流电压、电流信号转换为微机保护所要求的信号幅值；二是通过该插件板上的分合闸继电器执行CPU发出的分合闸命令。? ·CPU主插件板? 该插件板以高性能的80C196KB6为核心，集中了CPU主系统、模拟量采集、开关量输入输出、通信、人机接口、温度测量、频率和功率因数测量以及漏电保护等功能模块，负责本系统几乎所有的保护和监控功能。本系统以Intel公司高性能的80C196KB单片机为核心，集保护、监控功能于一体，并配有灵活、友好的人机对话接口和RS-485远方通信接口，可以方便地实现保护定值的就地和远方整定、监测数据的就地和远方实时监测。? 该系统总体框图如图2所示。?3.2 软件设计流程图? 本软件的设计可以采用C语言、汇编语言混合编写，程序框图如图3所示。? 该保护可应用在BGP9L6G型矿用隔爆型高压真空配电开关和矿用低压馈电开关。该装置在保护功能方面的主要特点为：? (1)采用负序保护原理对井下不对称故障进行保护，可大大提高两相短路保护和断相保护的灵敏度及保护范围。?