礦用移動(dòng)變電站低壓真空饋電開(kāi)關(guān)測(cè)控系統(tǒng)的研制

張同林

[摘要]由于煤礦井下環(huán)境比較惡劣，低壓電網(wǎng)經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)漏電、短路等各種故障，而傳統(tǒng)的移動(dòng)變電站低壓饋電開(kāi)關(guān)保護(hù)電路過(guò)于復(fù)雜，插件較多，滿足不了安全供電的要求。因此研究高性能、大容量的低壓饋電開(kāi)關(guān)測(cè)控系統(tǒng)對(duì)保障人身安全和提高供電質(zhì)量具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

[關(guān)鍵詞]工礦變電站饋電開(kāi)關(guān)

中圖分類(lèi)號(hào)：TM7文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼；A文章編號(hào)：1671－7597(2009)0210046－01

一、研究移動(dòng)變電站低壓饋電開(kāi)關(guān)的意義及微機(jī)型測(cè)控系統(tǒng)的必要性

隨著現(xiàn)代采煤機(jī)械化程度的提高，采煤工作面使用的機(jī)械裝置用電容量越來(lái)越大，致使傳統(tǒng)的由采區(qū)變電所向采煤工作面供電的供電方式已不能滿足礦井安全供電的要求。所以現(xiàn)代高檔機(jī)械化采煤工作面，特別是綜采工作面，大多采用高壓深入負(fù)荷中心的移動(dòng)變電站供電方式。在這種供電方式中，盡管高壓電纜有所增加，但可大大減少低壓電纜，節(jié)省銅材，減少電能損失，最為重要的是可提高采掘工作面的供電質(zhì)量，保證采掘機(jī)械電動(dòng)機(jī)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)，降低電動(dòng)機(jī)的燒損概率。

煤礦井下工作環(huán)境惡劣，空氣潮濕，溫度較高，低壓電網(wǎng)經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)漏電和單相接地故障，故障若不及時(shí)排除，電網(wǎng)絕緣將會(huì)承受線電壓，長(zhǎng)期運(yùn)行將導(dǎo)致絕緣擊穿，發(fā)展成三相或兩相短路故障。另外，在接地點(diǎn)出現(xiàn)的電弧和電火花能量會(huì)導(dǎo)致煤塵、瓦斯爆炸，直接危及人身安全。而礦用隔爆型移動(dòng)變電站主要用于有甲烷混合氣體、煤塵和爆炸危險(xiǎn)的礦井中，作為煤礦井下綜合機(jī)械化采掘設(shè)備配電裝置。該裝置包括礦用隔爆型干式變壓器、隔爆型高壓負(fù)荷開(kāi)關(guān)、隔爆型低壓饋電開(kāi)關(guān)。其中，低壓饋電開(kāi)關(guān)主要是對(duì)低壓電網(wǎng)在運(yùn)行中出現(xiàn)的漏電、過(guò)載、短路、失壓和過(guò)壓等故障進(jìn)行保護(hù)，因此，其性能的好壞直接影響著煤礦井下供電的可靠性、安全性和連續(xù)性。

隨著煤礦井下機(jī)械化和自動(dòng)化水平的提高，供電方式的改變與容工改的增大，對(duì)控制單元的要求也相應(yīng)提高。從1997年國(guó)際煤炭博覽會(huì)上可以看出，國(guó)外礦用控制開(kāi)關(guān)不斷更新，大多采用微機(jī)控制，充分發(fā)揮計(jì)算機(jī)靈活、快速、準(zhǔn)確的特點(diǎn)，使其在性能和功能方面都顯著優(yōu)于傳統(tǒng)的保護(hù)系統(tǒng)。而我國(guó)在這一方面的研究工作相對(duì)比較落后，只有少量的饋電開(kāi)關(guān)采用微機(jī)控制，但無(wú)論在性能還是人機(jī)交互方面都明顯存在缺陷。首先是開(kāi)關(guān)的分?jǐn)嗄芰π?、速度慢，保護(hù)動(dòng)作時(shí)間長(zhǎng)，性能不穩(wěn)定，尤其是過(guò)載動(dòng)作時(shí)間具有階段性；其次短路故障大多采用鑒幅式保護(hù)原理，在保護(hù)范圍和靈敏度方面存在沖突；第三是系統(tǒng)參數(shù)的整定極不方便，使微機(jī)的許多功能沒(méi)有發(fā)揮出來(lái)。針對(duì)以上這些情況，研制移動(dòng)變電站低壓饋電開(kāi)關(guān)測(cè)控系統(tǒng)，將微機(jī)保護(hù)推廣應(yīng)用于煤礦井下，進(jìn)一步提高保護(hù)性能，滿足煤礦生產(chǎn)發(fā)展的需要，成為本課題的研究目的。

二、移動(dòng)變電站低壓饋電開(kāi)關(guān)測(cè)控系統(tǒng)的基本要求

根據(jù)移動(dòng)變電站在煤礦井下供電系統(tǒng)中的樞紐作用，參考《煤礦安全規(guī)程》，對(duì)移動(dòng)變電站低壓饋電開(kāi)關(guān)測(cè)控系統(tǒng)提出以下幾點(diǎn)要求：

1、可靠性保護(hù)系統(tǒng)能準(zhǔn)確判斷電網(wǎng)的故障類(lèi)型，可靠執(zhí)行相應(yīng)的操作。2、大容量移動(dòng)變電站主要是把高壓電能轉(zhuǎn)換成低壓電能，向用電量較大的采煤工作面機(jī)械設(shè)備供電，因此其配套低壓饋電開(kāi)關(guān)應(yīng)有較大的容量。3、快速性當(dāng)保護(hù)范圍內(nèi)發(fā)生故障后，保護(hù)系統(tǒng)衍映速反應(yīng)，防止故障范圍擴(kuò)大，降低電氣設(shè)備的損壞程度。4、靈敏度保護(hù)系統(tǒng)應(yīng)具有較強(qiáng)反應(yīng)故障的能力。即不論在保護(hù)范圍的始端還是在保護(hù)范圍的末端發(fā)生故障，保護(hù)系統(tǒng)均應(yīng)準(zhǔn)確反應(yīng)，甚至在后備保護(hù)范圍發(fā)生故障時(shí)，也應(yīng)具有一定的反應(yīng)能力。

三、低壓電網(wǎng)故障保護(hù)原理

本文所設(shè)計(jì)的移動(dòng)變電站低壓饋電開(kāi)關(guān)測(cè)控系統(tǒng)主要用于保護(hù)煤礦井下低壓電網(wǎng)。因此本章在分析電網(wǎng)各種故障特征的基礎(chǔ)上，著重闡述了針對(duì)各種故障所采取的保護(hù)原理，大致如下：

1、漏電保護(hù)：采用附加直流電源檢測(cè)原理，有漏電閉鎖和漏電保護(hù)兩種功能；2、對(duì)稱短路保護(hù)：采用相敏保護(hù)原理，在擴(kuò)大保護(hù)范圍的同時(shí)又能提高保護(hù)的靈敏度；3、不對(duì)稱故障保護(hù)：采用負(fù)序保護(hù)原理，可以處理不對(duì)稱短路和斷相等多種不對(duì)稱故障；4、過(guò)載保護(hù)：采用鑒幅式方法，應(yīng)用反時(shí)限動(dòng)作原理，可靠地保證了電網(wǎng)的正常工作；5、過(guò)壓、欠壓保護(hù)：采用鑒幅式原理，避免了電網(wǎng)長(zhǎng)時(shí)間工作在不正常電壓下。

四、測(cè)控系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

該測(cè)控系統(tǒng)是井下移動(dòng)變電站的重要組成部分，是針對(duì)煤礦井下低壓電網(wǎng)而設(shè)計(jì)的。系統(tǒng)能夠獨(dú)立完成對(duì)低壓電網(wǎng)各物理量參數(shù)的檢測(cè)、計(jì)算和邏輯處理，并能夠與上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，完成“測(cè)量、監(jiān)控、保護(hù)”等功能，具體如下：

(一)數(shù)據(jù)采集功能

1、模擬量采集：即實(shí)時(shí)采集低壓電網(wǎng)的電流、電壓、負(fù)序和漏電的模擬信號(hào)，作為電網(wǎng)中各種故障的判斷依據(jù)。

2、頻率量采集：即通過(guò)單片機(jī)的高速輸入口采集一系列脈沖信號(hào)，計(jì)算電網(wǎng)的功率因數(shù)。

(二)人機(jī)對(duì)話界面

采用撥碼盤(pán)輸入電網(wǎng)各項(xiàng)參數(shù)整定值，輸入?yún)?shù)有：電網(wǎng)額定電流、對(duì)稱短路倍數(shù)和不對(duì)稱短路倍數(shù)：通過(guò)液晶顯示器實(shí)時(shí)顯示電網(wǎng)的工作電壓、工作電流和對(duì)地絕緣電阻，發(fā)生故障時(shí)顯示故障類(lèi)型及故障參數(shù)。另外還有電源指示燈和故障指示燈，以方便工作人員識(shí)別和檢修。

(三)保護(hù)功能

保護(hù)功能是測(cè)控系統(tǒng)的重點(diǎn)。對(duì)電網(wǎng)的短路故障、漏電故障和人身觸電，要求速斷保護(hù)；當(dāng)電網(wǎng)出現(xiàn)過(guò)載故障時(shí)，采用反時(shí)限延時(shí)保護(hù)：當(dāng)電網(wǎng)電壓低于額定電壓的75％時(shí)，進(jìn)行欠壓保護(hù)：當(dāng)電網(wǎng)電壓超過(guò)額定電壓的110％時(shí)，進(jìn)行過(guò)壓保護(hù)。

(四)通訊功能

測(cè)控系統(tǒng)通過(guò)RS-232口與上位機(jī)進(jìn)行串行通訊，從而實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)方監(jiān)控功能。

(五)自檢功能

為了減少微機(jī)系統(tǒng)出錯(cuò)的概率，在系統(tǒng)投入運(yùn)行之前，先進(jìn)行自檢，如果有故障就發(fā)出警告，并做出相應(yīng)的處理。

五、測(cè)控系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

1、軟件結(jié)構(gòu)。系統(tǒng)軟件采用模塊化結(jié)構(gòu)，循環(huán)掃描方式。整套軟件分初始化模塊、額定參數(shù)檢測(cè)模塊、起動(dòng)前故障檢測(cè)模塊、合閘后故障檢測(cè)模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、漏電閉鎖檢測(cè)模塊、中斷響應(yīng)模塊和液晶顯示模塊等幾部分。這些功能模塊分別進(jìn)行獨(dú)立設(shè)計(jì)、編程和測(cè)試，最后鏈接在一起進(jìn)行系統(tǒng)調(diào)試。這樣設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)是單個(gè)模塊比較容易編寫(xiě)、測(cè)試和維護(hù)，也便于修改、更新和擴(kuò)充，某些功能模塊還可供其它程序調(diào)用，所以提高了應(yīng)用程序的編寫(xiě)效率。

2、主控程序。主控程序也就是監(jiān)控程序，是整個(gè)系統(tǒng)軟件的調(diào)度中心，它將各功能模塊按一定的邏輯關(guān)系組合在一起，來(lái)完成整個(gè)保護(hù)任務(wù)。主要完成子程序的調(diào)用、斷路器的開(kāi)合閘及故障判斷、液晶顯示終端顯示等功能。