山東能源集團(tuán)棗礦集團(tuán)蔣莊煤礦機(jī)電運輸科 韓套輪

山東三河口礦業(yè)有限責(zé)任公司 孫德福

介紹了煤礦井下6KV供電系統(tǒng)在運行過程中會出現(xiàn)的幾種故障及其保護(hù)原理，并設(shè)計了高壓防爆開關(guān)綜合保護(hù)器，給出了硬件和軟件上的設(shè)計方法。在抗干擾方面，也進(jìn)行了相應(yīng)的設(shè)計介紹。該綜合保護(hù)器具有保護(hù)動作可靠、快速等優(yōu)點，對提高目前井下高壓供電系統(tǒng)的安全性具有很高的價值。

1 引言

目前我國部分煤礦企業(yè)采用了6kV小電流接地高壓供電系統(tǒng)，變壓器中性點不接地，或者經(jīng)消弧線圈接地，由地面變電所、井下中央變電所和采區(qū)變電所組成。而且隨著煤炭工業(yè)的發(fā)展和采煤自動化技術(shù)的不斷提高,對煤礦井下供電系統(tǒng)的可靠性、安全性和連續(xù)性提出了越來越高的要求（石柏虎,煤礦井下高壓供電監(jiān)控系統(tǒng)研究[D],山東大學(xué),2012）。因此高壓防爆開關(guān)綜合保護(hù)器的設(shè)計非常重要和有意義。本文認(rèn)真地分析了低壓電網(wǎng)中漏電、短路、過載、過壓與欠壓等礦井高壓開關(guān)保護(hù)系統(tǒng)中常見故障,并介紹了相應(yīng)的故障檢測原理，設(shè)計了一種具有可靠性高、抗干擾能力強(qiáng)、方便操作、人機(jī)交互等功能的高壓防爆開關(guān)綜合保護(hù)器②。

2 井下供電系統(tǒng)常見故障

2.1 短路故障及其保護(hù)

短路就是不同電位的導(dǎo)電部分之間的低阻性短接，如相間短路、相與地之間短路等。煤礦井下一旦發(fā)生短路故障，較易引發(fā)嚴(yán)重的事故。因此短路保護(hù)是煤礦井下供電系統(tǒng)中的重要保護(hù)，不可或缺。傳統(tǒng)的短路保護(hù)采用鑒幅式繼電保護(hù)或電子式保護(hù)，其保護(hù)整定誤差大，動作時間長，可靠性較低，遠(yuǎn)不能滿足現(xiàn)代化煤礦供電保護(hù)系統(tǒng)。

因此本設(shè)計的短路保護(hù)選擇相敏短路保護(hù)，它是采用功率因數(shù)檢測的原理。這是因為煤礦井下的負(fù)載均為感性特性，即在大型電機(jī)啟動時，電流值和功率因數(shù)呈現(xiàn)反比例關(guān)系，當(dāng)它的電流值較大，功率因數(shù)就很低，一般cosφ不超過0.5；但是當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)短路故障時，線路的功率因數(shù)值卻很高，基本達(dá)到0.9以上。相敏保護(hù)的保護(hù)特性如圖1所示.圖中3區(qū)是鑒相、鑒幅兩者相結(jié)合的短路保護(hù)，2區(qū)是只有鑒相短路保護(hù)，1區(qū)是只有鑒幅保護(hù)電路（唐會祥,侯坤,金小強(qiáng).基于RTOS的高壓防爆開關(guān)智能綜合保護(hù)器[J].煤礦機(jī)電,2008(6):93-97）。由圖分析可知，3區(qū)要明顯優(yōu)于1區(qū)和2區(qū)，因為1區(qū)和2區(qū)均存在保護(hù)死區(qū)的現(xiàn)象。

圖1 鑒相鑒幅保護(hù)特性

相敏保護(hù)的特性函數(shù)為：

可見，只要常數(shù)C的值大小適當(dāng)，保護(hù)區(qū)域都比單獨鑒幅和鑒相的保護(hù)區(qū)大。采用相敏保護(hù)，即使變壓器出口短路，功率因數(shù)很小，但是由于電流值很大，只要選擇合適的常數(shù)C，保護(hù)裝置也能可靠動作。因此由于相敏保護(hù)只從兩個電氣參量進(jìn)行取樣，不僅有靈敏度高的特點，其動作可靠性也很高。

2.2 越級跳閘

越級跳閘也是煤礦井下常發(fā)生的事故之一，而且嚴(yán)重的情況下會導(dǎo)致井下出現(xiàn)大面積停電，使煤礦生產(chǎn)系統(tǒng)陷入癱瘓。

井下發(fā)生越級跳閘的原因包括以下幾個：

（1）當(dāng)下級回路短路電流較大時，超過上級保護(hù)裝置的速斷整定值，就會同時啟動跳閘保護(hù)。

（2）開關(guān)機(jī)構(gòu)機(jī)械原因。存在延遲跳閘，導(dǎo)致上一級的后備保護(hù)動作越級跳閘。

（3）整定值設(shè)置不當(dāng)。計算出的整定值不夠準(zhǔn)確，或者不能隨情況進(jìn)行相應(yīng)地調(diào)整。

（4）保護(hù)裝置受到周圍環(huán)境或者自身壽命的影響，從而出現(xiàn)誤動作。針對越級跳閘，結(jié)合技術(shù)和現(xiàn)場運行經(jīng)驗，有的學(xué)者在必要的線路上加裝電抗器，使得短路電流在兩級線路之間差距加大，避免縱向的越級跳閘事故；有的學(xué)者對重要負(fù)荷供電時采取獨立或者雙回路的方式；有的學(xué)者在容易發(fā)生越級跳閘的線路段，讓進(jìn)線開關(guān)的主保護(hù)采用帶有一定延時的過流保護(hù)；還有提出盡量避免電源的并列運行。

本文設(shè)計采用如圖2所示的設(shè)計方案，即在每一級綜合保護(hù)裝置中，短路保護(hù)除末端外均設(shè)有10ms的延時，在延時階段，下級保護(hù)裝置將故障信息傳輸?shù)缴霞壉Ｗo(hù)裝置中。例如在K3點發(fā)生短路故障，該級綜合保護(hù)裝置將故障信息K32和K31通過CAN口通信傳輸?shù)缴霞壘C合保護(hù)裝置中。同理K2點發(fā)生短路故障后，該級保護(hù)裝置將故障信息傳輸?shù)缴霞壉Ｗo(hù)裝置中。當(dāng)上級保護(hù)裝置接到下級保護(hù)裝置發(fā)送過來的故障信息時，就會相應(yīng)的作出延遲，防止越級跳閘，提高保護(hù)裝置的可靠性。

圖2 6kV高壓供電系統(tǒng)

2.3 過載故障及其保護(hù)

當(dāng)電機(jī)工作時的電流超過其額定電流、電源電壓過低、重載啟動都會使電動機(jī)產(chǎn)生過載情況，在相對時間內(nèi)的過載是可以的，但是較長時間內(nèi)過載會導(dǎo)致電纜的熱量積聚，造成定子繞組的絕緣老化，減小電動機(jī)的使用年限（高俊嶺,王清靈,朱詠梅.礦用低壓饋電開關(guān)中相敏短路保護(hù)的研究[J].工況自動化,2006,10(2):60-63）。

針對過載故障，本設(shè)計采取反時限過電流保護(hù)（郝文延,周晉陽,毛亞波.電機(jī)反時限過載保護(hù)在煤礦企業(yè)中的應(yīng)用研究[J].煤炭技術(shù),2013,32(12)L58-60）。在線路保護(hù)中主要使用的三種反時限特性方程如式(2)、式(3)、式(4)所示。

一般反時限特性：

非常反時限特性：

超反時限特性：

式中I為測量電流，Ip基準(zhǔn)電流，通常為額定電流值，t為反時限動作時間，tp為時間常數(shù)。普通反時限特性保護(hù)動作時間對過載電流值的敏感度較小，多用于一般線路中；超反時限特性保護(hù)的動作時間對過載電流的敏感度較高，一般用在線路發(fā)生短路時，兩端的電流變化較大的時刻；非常反時限特性保護(hù)則在兩者中間，經(jīng)常用在線路首端或末端有可能出現(xiàn)大電流時。

2.4 欠壓、過壓故障及其保護(hù)措施

煤礦井下的故障電壓主要是內(nèi)部過電壓，因為在該線路的入井處會裝設(shè)防雷電裝置，通信線路也裝有熔斷保護(hù)器，所以大氣過電壓一般影響不到井下，另外過電壓還可分為暫態(tài)和穩(wěn)態(tài)，其中暫態(tài)過電壓可用阻容吸收裝置或壓敏電阻來進(jìn)行抑制。穩(wěn)態(tài)過電壓可用鑒幅保護(hù)。當(dāng)實際電壓小于等于額定電壓的60%-70%，就處于欠電壓狀態(tài)，系統(tǒng)就會進(jìn)入欠電壓保護(hù)。如果系統(tǒng)出現(xiàn)短暫的電壓閃變，可以對欠電壓保護(hù)增加延時功能，能顯著提高安全性和可靠性。

2.5 漏電保護(hù)

在井下供電系統(tǒng)中，漏電一般就是指接地故障，但是絕大部分屬于非金屬接地（徐柏松.井下低壓供電系統(tǒng)漏電保護(hù)優(yōu)化方案研究[J],煤礦現(xiàn)代化,2017(6):102-104）。常用的井下漏電保護(hù)原理可以分為零序電流型、零序功率方向型、零序電流5次諧波方向型、首半波型、零序電流有功分量方向型等。

對于中性點不接地系統(tǒng)，此接地方式下的故障與非故障電流大小、方向均不相同，零序電流型、功率方向型保護(hù)原理在一定程度上適應(yīng)此系統(tǒng)。而對于經(jīng)消弧線圈接地的系統(tǒng)，零序電流型、功率方向型漏電保護(hù)原理已不適應(yīng)選擇性的要求。因為消弧線圈的電感補(bǔ)償作用的存在，使其故障饋線的零序電流可能比非故障線的零序電流還要小，也會影響故障饋線的零序電流方向。

因此，本設(shè)計采用采用一種基于自適應(yīng)算法的軟件相位鑒別法，其原理是發(fā)生接地故障時，結(jié)合零序電流與零序電壓的相位關(guān)系和幅值大小，設(shè)置零序電壓和零序電流的啟動值，判斷是否發(fā)生漏電故障。這種方法的主要特點是母線零序電壓相位相對于非故障饋線零序電流相位始終滯后90°，故障饋線母線出處流過的零序電流與零序電壓的相位關(guān)系如圖3所示，零序電流始終在第三或第四象限。因為過補(bǔ)償可能會引發(fā)串聯(lián)諧振，導(dǎo)致過電壓，對電網(wǎng)安全運行造成危害，所以實際應(yīng)用中，電網(wǎng)的消弧線圈采用過補(bǔ)償運行狀態(tài)，使故障饋線的零序電流相對于母線零序電壓就落在第三象限。但是過補(bǔ)償運行方式使故障饋線與非故障饋線的零序電流方向接近，難以區(qū)分，此時電網(wǎng)中多采用消弧線圈并電阻接地。因此零序電壓滯后故障饋線零序電流θ角為：90°＜θ ≤ 270°。

本設(shè)計理論清晰，算法簡單，是對零序電流型、零序功率方向型、零序電流有功分量方向型漏電保護(hù)原理的綜合與改進(jìn)，可以很好的應(yīng)用到各種不同的中性點接地方式中。

圖3 零序電流與零序電壓的相位關(guān)系

2.6 監(jiān)視線保護(hù)

監(jiān)視線保護(hù)就是監(jiān)視雙屏蔽電纜的監(jiān)視線和接地線之間有無短路或監(jiān)視線和接地線有無斷線故障的一種保護(hù)。常用的監(jiān)視線保護(hù)原理有三種，包括直接加整流二極管的直流絕緣監(jiān)視線保護(hù)、監(jiān)視電阻上增設(shè)直流電源，利用直流伏安法的絕緣監(jiān)視線保護(hù)，和在回路上增加整流二極管，利用二次諧波的絕緣監(jiān)視線保護(hù)。前兩種監(jiān)視線保護(hù)受雜散電流影響，經(jīng)常產(chǎn)生拒動和誤動的現(xiàn)象，第三種比前兩種的抗干擾能力有所提高，但依然受雜散電流影響產(chǎn)生拒動和誤動。

本設(shè)計終端加電阻的交流監(jiān)視線保護(hù)，其監(jiān)視線保護(hù)原理如圖4所示。

其中，Rj是監(jiān)視線電阻，Rr是監(jiān)視線和地線之間的絕緣電阻，Rd是地線電阻，Cr是監(jiān)視線和地線之間的分布電容，Rz是終端電阻，R1,R3是分壓電阻。本設(shè)計通過檢測電阻R2兩端電壓大小來判斷監(jiān)視線是否有故障。當(dāng)電壓大于正常電壓，則監(jiān)視線可能發(fā)生斷路故障，反之發(fā)生短路故障。

到英國的華工被直接安排去了前線，挖掘戰(zhàn)壕，修筑工事，掩埋尸體，清掃地雷，修路架橋……英國人用華工替代了自己國家的碼頭工人和運輸工人，讓他們承擔(dān)了最艱苦、最繁重、最危險的工作。

圖4 監(jiān)視線保護(hù)原理

3 高壓防爆開關(guān)綜合保護(hù)器的硬件設(shè)計

此保護(hù)器將和利時的LM3108G型PLC作為保護(hù)裝置的中央單元，該P(yáng)LC本身集成了A/D模塊、開關(guān)量輸入輸出模塊和通信模塊，有效簡化了系統(tǒng)，同時也提高了整個保護(hù)裝置的抗干擾能力。因此本文設(shè)計的高壓防爆開關(guān)的保護(hù)器具有測量、保護(hù)、控制、通信等功能，其硬件系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖5所示，由模擬量采集模塊、開關(guān)量輸入輸出模塊、人機(jī)接口模塊、通信模塊、電源模塊等組成。

圖5 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖

在電源單元模塊中，本保護(hù)裝置只需要+24VDC（對PLC、外部供電）、+5VDC（對液晶顯示器供電）、AC75V（25HZ）即可，取高壓防爆開關(guān)柜內(nèi)互感器二次側(cè)的100V（AC）作為供電電源。

在通信單元，其主要功能是負(fù)責(zé)保護(hù)裝置與上位機(jī)之間的通信，以做到遠(yuǎn)程監(jiān)控，有利于綜合自動化的實現(xiàn)。在LM3108G中，本裝置通信模塊底層采用其自帶的RS-485通信接口，使用Modbus通信協(xié)議。

在人機(jī)交互模塊，采用一個小型紅外遙控器通過液晶屏進(jìn)行控制操作，并用OCM12864_4液晶模塊構(gòu)成顯示單元，對保護(hù)裝置的狀態(tài)及故障信息進(jìn)行顯示。

在采樣和A/D模塊中，本保護(hù)裝置采用RPT-202B電壓互感器和RCTRCT-201B電流互感器進(jìn)行信號的采集處理。兩種互感器均有體積小，重量輕、線性度較好的優(yōu)點。為了防止井下高壓電網(wǎng)發(fā)生故障時產(chǎn)生高次諧波，本裝置在采樣電路之前加了一個單反饋低通濾波器，可以將高頻分量濾除，保證采樣的準(zhǔn)確度。

4 綜合保護(hù)器的軟件設(shè)計

對于綜合保護(hù)器而言，硬件電路是基礎(chǔ)，軟件設(shè)計才能使所有功能穩(wěn)定可靠的運行。只有兩者相互配合，才能完成相應(yīng)數(shù)據(jù)的采集、存儲、計算處理并精確的輸出各種指令等任務(wù)。本保護(hù)器采用“PowerPreV4”軟件，其相應(yīng)的流程圖如圖6所示。保護(hù)裝置上電或手動復(fù)位之后，進(jìn)入主程序進(jìn)行初始化和自檢，如果檢出錯誤，立刻通過液晶屏顯示，反之則進(jìn)行主循環(huán)，對參數(shù)進(jìn)行采集和處理，再根據(jù)處理結(jié)果調(diào)用相應(yīng)模塊，給出相應(yīng)的控制輸出。

初始化主要包括對寄存器、開關(guān)量輸入輸出接口、模擬量輸入接口、A/D模塊、通信、人機(jī)接口等各模塊進(jìn)行初始化。自檢主要包括處理器自檢、開關(guān)量模擬量自檢、整定值自檢、通信自檢等如果系統(tǒng)初始化或者自檢錯誤，程序會發(fā)出相應(yīng)錯誤警告，便于工作人員調(diào)試維修。

故障處理模塊中包括各種短路、漏電、過載、過壓和監(jiān)視線絕緣等保護(hù)，分別具有故障判斷、控制跳閘、報警顯示等功能。

通信模塊的功能包括讀取發(fā)送參數(shù)、整定值發(fā)送或修改、遠(yuǎn)程復(fù)位合閘等接收和發(fā)送控制命令、數(shù)據(jù)、系統(tǒng)狀態(tài)，是人員與設(shè)備、設(shè)備與設(shè)備間的橋梁。

5 硬件、軟件抗干擾設(shè)計

煤礦井下的干擾很多，并且沿著線路侵入到保護(hù)裝置中，也能以磁場的形式從空間輻射到保護(hù)裝置。這些干擾會影響保護(hù)裝置的正常工作，引發(fā)拒動或誤動，造成嚴(yán)重的后果。因此要從硬件和軟件兩方面進(jìn)行抗干擾設(shè)計，以保證其穩(wěn)定可靠的工作。

在硬件方面，PLC自身有相應(yīng)的抗干擾設(shè)計，包括輸入通道采用光電隔離技術(shù)、輸出通道采用繼電器隔離等；在電源模塊上會采用DC-DC電源、并聯(lián)瓷片電容去耦濾波等措施；

在軟件方面，有合理設(shè)計模塊化程序，有數(shù)字濾波技術(shù)，有上電自檢、用戶自檢、定時自檢等自動檢測技術(shù)。

圖6 主程序流程圖

6 結(jié)語

本文詳細(xì)分析了煤礦井下6KV供電系統(tǒng)常見的幾種故障及其保護(hù)原理，包括短路故障、越級跳閘、過載故障、欠過壓故障、漏電故障等，在此基礎(chǔ)上，進(jìn)行了以LM3108G型PLC為核心的高性能高壓防爆開關(guān)綜合保護(hù)器的硬件和軟件設(shè)計，并給出了一些抗干擾設(shè)計方法，提高了煤礦井下高壓供電系統(tǒng)的安全性和可靠性，具有很高的應(yīng)用價值和前景。