煤矿井下采区无人值守变电所微机保护系统的研究

摘要：在分析目前煤矿井下安全现状的基础上，深入实际地研究了煤矿井下供电系统各种常见故障的特征、相关保护原理及算法，研制出一套针对井下采区变电所的微机综合保护、监控装置，给出了具体实现方案。实践证明，该装置经济效益和社会效益显著，具有良好的推广应用前景。

    关键词：煤矿井下 无人值守变电所 保护监控装置

相对于传统的继电保护，微机保护具有明显的优越性。对于煤矿供电系统，虽然微机保护和监控系统也得到了应用，但主要是针对地面供电系统，井下微机保护和监控装置应用还不多。由于井下供电网络结构复杂，采区变电所和工作面配电点供电服务对象主要为采煤、掘进、运输以及排水等主要生产环节，供电负荷种类繁多、区域分布广、负荷工作场所地质条件复杂，且存在着瓦斯、煤尘、水等有害介质，影响供电系统运行的不确定因素也较多，事故发生率高，故障排查、停送电周期长。尽管近年来，煤矿供电管理部门在改进井下配电装备、应用新技术成果的同时，不断强化人员素质的管理，煤矿井下供电系统的可靠性得到了提高，但由于人为因素造成的供电事故时有发生，影响了煤矿的安全生产，并且导致供电部门每天用于值班和线路维护的工作人员较多，降低了劳动生产率。因而，对井下供电系统实施微机保护和监控也十分迫切。
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1 综合保护系统的功能及井下常见故障分析

1.1 综合保护系统的功能

·测控功能：本系统具有“遥测、遥信、遥控、遥调”四遥功能。遥测是指本系统能检测采区变电所每次出线的电流、电压、功率、COSΦ、开关内温度等模拟量。遥信是指本系统能检测开关的位置状态及实验按钮状态。遥控是指本系统能对开关进行正常分、合闸操作。遥调是指本系统能在上位机对馈电开关进行保护动作值整定。

·保护功能：本系统具有漏电保护、过载保护、短路保护、欠压保护、断相保护等保护功能。

·绝缘监测功能：本系统能对低压馈电线路绝缘状况进行实时监测并且具有漏电闭锁功能。

·故障记忆功能：漏电、过载、短路等故障发生时，本系统在上位机或下位机均可记忆故障发生的时刻和类型。

·通信功能：所内采区开关智能监控单元采用RS-485现场总线通信方式，并且与采区工控主机进行实时通信。

·现场显示功能：每个开关均采用带背光的汉字液晶显示模块显示各种信息。包括监测参数显示、通信情况显示(上行、下行)、故障类型、系统正常指示、电源指示及系统自检情况等。

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：

Ioi=3U0(1/r+jwc)    (1)

式（1）中：r和C分别为各支路每相对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α<π/2,当r=∞时，α=π/2。而非故障支路零序电流则从母线流向支路，为：

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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[1][2]，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。

2.1 故障检测算法

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：

△i(t)=i(t)-(-1)ni(t-nT/2)    (3)

式（3）中：△i(t)为电流故障分量；i(t)为实测电流；T工频周期；n=±1,±2,…

将式（3）离散化可得：

△i(k)=i(k)-(-1)ni(k-nN/2)    (4)

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；

(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。
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    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：

△i(k)=│i(k)+i(k-N/2)│-│i(k-N/2)+i(k-N)│ (5)

式(5)中i(k)为某一瞬间的相电流采样值，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ε为正数，则故障检测元件判别式为：

│△i(k)│≥ε (6)

当满足式(6)时，故障检测元件动作。ε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)│≥ε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要饭负序分量的基本公式：

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离散化后的形式为：

iA2(k)=1/3[iA(k)+iB(k-N/3)+iC(k-2N/3)]    (8)

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2N/3+1。当N=12时的计算公式为：

iA2(k)=1/3[iA(k)+iB(k-4)+iC(k-8)]    (9)

将式（7）改写为：

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离散化后得：

iA2(k)=1/3[iA(K)+iB(k-N/3)-iC(k-N/6)]    (11)

此时，数据窗宽为N/3+1，在N=12时有：

iA2(k)=1/3[iA(k)+iB(k-4)+ic(k-1)]    (12)

(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：

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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：

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通过上述算法求出负序电流瞬时值后，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80C196KB[6]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。

图3

    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BGP9L——6G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。

(2)采用基于功率因数的相敏保护原理对井下低压三相短路故障进行保护，并且可根据电网负荷的大小选择不同的临界动作曲线，以取得最佳的保护效果，从而可使大型电机起动造成的误动，现象大大减少。

(3)能够实现保护参数的就地和远方整定与操作，实现故障信息及故障类型的实时显示与上传。