煤礦井下采區無(wú)人值守變電所微機保護系統的研究

摘要：在分析目前煤礦井下安全現狀的基礎上，深入實(shí)際地研究了煤礦井下供電系統各種常見(jiàn)故障的特征、相關(guān)保護原理及算法，研制出一套針對井下采區變電所的微機綜合保護、監控裝置，給出了具體實(shí)現方案。實(shí)踐證明，該裝置經(jīng)濟效益和社會(huì )效益顯著(zhù)，具有良好的推廣應用前景。

相對于傳統的繼電保護，微機保護具有明顯的優(yōu)越性。對于煤礦供電系統，雖然微機保護和監控系統也得到了應用，但主要是針對地面供電系統，井下微機保護和監控裝置應用還不多。由于井下供電網(wǎng)絡(luò )結構復雜，采區變電所和工作面配電點(diǎn)供電服務(wù)對象主要為采煤、掘進(jìn)、運輸以及排水等主要生產(chǎn)環(huán)節，供電負荷種類(lèi)繁多、區域分布廣、負荷工作場(chǎng)所地質(zhì)條件復雜，且存在著(zhù)瓦斯、煤塵、水等有害介質(zhì)，影響供電系統運行的不確定因素也較多，事故發(fā)生率高，故障排查、停送電周期長(cháng)。盡管近年來(lái)，煤礦供電管理部門(mén)在改進(jìn)井下配電裝備、應用新技術(shù)成果的同時(shí)，不斷強化人員素質(zhì)的管理，煤礦井下供電系統的可靠性得到了提高，但由于人為因素造成的供電事故時(shí)有發(fā)生，影響了煤礦的安全生產(chǎn)，并且導致供電部門(mén)每天用于值班和線(xiàn)路維護的工作人員較多，降低了勞動(dòng)生產(chǎn)率。因而，對井下供電系統實(shí)施微機保護和監控也十分迫切。

1 綜合保護系統的功能及井下常見(jiàn)故障分析

1.1 綜合保護系統的功能

·測控功能：本系統具有“遙測、遙信、遙控、遙調”四遙功能。遙測是指本系統能檢測采區變電所每次出線(xiàn)的電流、電壓、功率、COSΦ、開(kāi)關(guān)內溫度等模擬量。遙信是指本系統能檢測開(kāi)關(guān)的位置狀態(tài)及實(shí)驗按鈕狀態(tài)。遙控是指本系統能對開(kāi)關(guān)進(jìn)行正常分、合閘操作。遙調是指本系統能在上位機對饋電開(kāi)關(guān)進(jìn)行保護動(dòng)作值整定。

·保護功能：本系統具有漏電保護、過(guò)載保護、短路保護、欠壓保護、斷相保護等保護功能。

·絕緣監測功能：本系統能對低壓饋電線(xiàn)路絕緣狀況進(jìn)行實(shí)時(shí)監測并且具有漏電閉鎖功能。

·故障記憶功能：漏電、過(guò)載、短路等故障發(fā)生時(shí)，本系統在上位機或下位機均可記憶故障發(fā)生的時(shí)刻和類(lèi)型。

·通信功能：所內采區開(kāi)關(guān)智能監控單元采用RS-485現場(chǎng)總線(xiàn)通信方式，并且與采區工控主機進(jìn)行實(shí)時(shí)通信。

·現場(chǎng)顯示功能：每個(gè)開(kāi)關(guān)均采用帶背光的漢字液晶顯示模塊顯示各種信息。包括監測參數顯示、通信情況顯示(上行、下行)、故障類(lèi)型、系統正常指示、電源指示及系統自檢情況等。

1.2 井下電網(wǎng)常見(jiàn)故障特性分析

煤礦井下供電系統在運行時(shí)，可能會(huì )出現各種故障和不正常運行狀態(tài)。常見(jiàn)的主要故障是相間短路以及變壓器、電動(dòng)機繞組的匝間短路等。不正常運行狀態(tài)主要是指過(guò)負荷、斷相、欠電壓、過(guò)電壓以及單相接地等不正常工作情況。對于系統的保護常用故障特征量進(jìn)行分析與綜合。如電網(wǎng)中發(fā)生兩相短路時(shí)，系統中不但存在正序分量，還存在負序分量，但零序分量為零，并且兩故障相電流大小相等、方向相反。這是兩相短路的重要特征。單相斷相時(shí)線(xiàn)路中會(huì )出現負序電流，但負序電流的大小與兩相短路時(shí)不同，因此可通過(guò)判斷負序電流的大小來(lái)區分兩相短路故障和單相斷相故障。單相接地是煤礦井下電網(wǎng)中出現頻率最高的故障形式。若某一支路發(fā)生漏電或人身觸電，最大的特點(diǎn)是會(huì )有零序電流產(chǎn)生，非故障支路零序電流由支路流向母線(xiàn)，其大小為：

Ioi=3U0(1/r+jwc) (1)

式（1）中：r和C分別為各支路每相對絕緣電阻和分布電容。非故障支路零序電流超前零序電壓，超前角度απ/2,當r=∞時(shí)，α=π/2。而非故障支路零序電流則從母線(xiàn)流向支路，為：

故障支路和非故障支路中零序電流不僅大小不同，而且相位相反。根據零序電流的方向可以區分故障支路和非故障支路，從而實(shí)現橫向選擇性漏電保護。三相短路和過(guò)負荷屬于煤礦井下電網(wǎng)對稱(chēng)性故障和不正常運行狀態(tài)，它們共同的特點(diǎn)是：故障后三相電流仍然對稱(chēng)，系統中只存在正序電流分量，并且幅值增大。過(guò)負荷通常是因為整定不當、違章操作、重載啟動(dòng)等原因造成的。但只要設備的運行溫度沒(méi)有超過(guò)其允許升溫，電網(wǎng)還允許繼續運行，否則就要進(jìn)行保護。煤礦井下大多數電氣設備，如變壓器、電動(dòng)機等，都具有一定的允許過(guò)載能力，時(shí)間越短，允許通過(guò)的過(guò)載電流越大。因此，為了充分發(fā)揮被保護元件的效益，又不至于因長(cháng)時(shí)間過(guò)熱而造成損壞，對過(guò)載的保護應具有反時(shí)限特性。

為了適應井下電網(wǎng)在不同負載條件下對過(guò)載保護的要求，本保護裝置可以選擇如圖1所示的7條不同的反時(shí)限過(guò)載保護特性曲線(xiàn)。

2 綜合保護系統所用算法

算法是微機保護研究的重點(diǎn)之一。目前已提出的算法有很多種，例如兩點(diǎn)乘積算法、導數算法、傅里葉算法、沃爾什函數算法、解微分方程算法以及最小二乘算法等。分析和評價(jià)各種不同算法優(yōu)劣的標準是精度和速度。人們已經(jīng)進(jìn)行了大量的研究，提出了許多適用于微機保護的算法[1][2]，各種算法各有其應用價(jià)值，具體選擇哪一種算法需根據對保護功能的要求、應用場(chǎng)合來(lái)具體確定。

2.1 故障檢測算法

故障檢測算法要盡量簡(jiǎn)單并且運算量小，又要能對所監視范圍內的故障做出靈敏的反應。電力系統正常運行與故障狀態(tài)的區別，特別體現在故障前后電流的變化上。因此采用電流故障分量來(lái)檢測故障具有足夠的靈敏度[3]。電流故障分量的提取可采用以下算法：

△i(t)=i(t)-(-1)ni(t-nT/2) (3)

式（3）中：△i(t)為電流故障分量；i(t)為實(shí)測電流；T工頻周期；n=±1,±2,…

將式（3）離散化可得：

△i(k)=i(k)-(-1)ni(k-nN/2) (4)