礦用移動變電站低壓真空饋電開關測控系統的研制

張同林

[摘要]由于煤礦井下環境比較惡劣，低壓電網經常會出現漏電、短路等各種故障，而傳統的移動變電站低壓饋電開關保護電路過于復雜，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關測控系統對保障人身安全和提高供電質量具有重要的現實意義。

[關鍵詞]工礦變電站饋電開關

中圖分類號：TM7文獻標識碼；A文章編號：1671－7597(2009)0210046－01

一、研究移動變電站低壓饋電開關的意義及微機型測控系統的必要性

隨著現代采煤機械化程度的提高，采煤工作面使用的機械裝置用電容量越來越大，致使傳統的由采區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。所以現代高檔機械化采煤工作面，特別是綜采工作面，大多采用高壓深入負荷中心的移動變電站供電方式。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量，保證采掘機械電動機的正常運轉，降低電動機的燒損概率。

煤礦井下工作環境惡劣，空氣潮濕，溫度較高，低壓電網經常會出現漏電和單相接地故障，故障若不及時排除，電網絕緣將會承受線電壓，長期運行將導致絕緣擊穿，發展成三相或兩相短路故障。另外，在接地點出現的電弧和電火花能量會導致煤塵、瓦斯爆炸，直接危及人身安全。而礦用隔爆型移動變電站主要用于有甲烷混合氣體、煤塵和爆炸危險的礦井中，作為煤礦井下綜合機械化采掘設備配電裝置。該裝置包括礦用隔爆型干式變壓器、隔爆型高壓負荷開關、隔爆型低壓饋電開關。其中，低壓饋電開關主要是對低壓電網在運行中出現的漏電、過載、短路、失壓和過壓等故障進行保護，因此，其性能的好壞直接影響著煤礦井下供電的可靠性、安全性和連續性。

隨著煤礦井下機械化和自動化水平的提高，供電方式的改變與容工改的增大，對控制單元的要求也相應提高。從1997年國際煤炭博覽會上可以看出，國外礦用控制開關不斷更新，大多采用微機控制，充分發揮計算機靈活、快速、準確的特點，使其在性能和功能方面都顯著優于傳統的保護系統。而我國在這一方面的研究工作相對比較落后，只有少量的饋電開關采用微機控制，但無論在性能還是人機交互方面都明顯存在缺陷。首先是開關的分斷能力小、速度慢，保護動作時間長，性能不穩定，尤其是過載動作時間具有階段性；其次短路故障大多采用鑒幅式保護原理，在保護范圍和靈敏度方面存在沖突；第三是系統參數的整定極不方便，使微機的許多功能沒有發揮出來。針對以上這些情況，研制移動變電站低壓饋電開關測控系統，將微機保護推廣應用于煤礦井下，進一步提高保護性能，滿足煤礦生產發展的需要，成為本課題的研究目的。

二、移動變電站低壓饋電開關測控系統的基本要求

根據移動變電站在煤礦井下供電系統中的樞紐作用，參考《煤礦安全規程》，對移動變電站低壓饋電開關測控系統提出以下幾點要求：

1、可靠性保護系統能準確判斷電網的故障類型，可靠執行相應的操作。2、大容量移動變電站主要是把高壓電能轉換成低壓電能，向用電量較大的采煤工作面機械設備供電，因此其配套低壓饋電開關應有較大的容量。3、快速性當保護范圍內發生故障后，保護系統衍映速反應，防止故障范圍擴大，降低電氣設備的損壞程度。4、靈敏度保護系統應具有較強反應故障的能力。即不論在保護范圍的始端還是在保護范圍的末端發生故障，保護系統均應準確反應，甚至在后備保護范圍發生故障時，也應具有一定的反應能力。

三、低壓電網故障保護原理

本文所設計的移動變電站低壓饋電開關測控系統主要用于保護煤礦井下低壓電網。因此本章在分析電網各種故障特征的基礎上，著重闡述了針對各種故障所采取的保護原理，大致如下：

1、漏電保護：采用附加直流電源檢測原理，有漏電閉鎖和漏電保護兩種功能；2、對稱短路保護：采用相敏保護原理，在擴大保護范圍的同時又能提高保護的靈敏度；3、不對稱故障保護：采用負序保護原理，可以處理不對稱短路和斷相等多種不對稱故障；4、過載保護：采用鑒幅式方法，應用反時限動作原理，可靠地保證了電網的正常工作；5、過壓、欠壓保護：采用鑒幅式原理，避免了電網長時間工作在不正常電壓下。

四、測控系統硬件設計

該測控系統是井下移動變電站的重要組成部分，是針對煤礦井下低壓電網而設計的。系統能夠獨立完成對低壓電網各物理量參數的檢測、計算和邏輯處理，并能夠與上位機進行數據交換，完成“測量、監控、保護”等功能，具體如下：

(一)數據采集功能

1、模擬量采集：即實時采集低壓電網的電流、電壓、負序和漏電的模擬信號，作為電網中各種故障的判斷依據。

2、頻率量采集：即通過單片機的高速輸入口采集一系列脈沖信號，計算電網的功率因數。

(二)人機對話界面

采用撥碼盤輸入電網各項參數整定值，輸入參數有：電網額定電流、對稱短路倍數和不對稱短路倍數：通過液晶顯示器實時顯示電網的工作電壓、工作電流和對地絕緣電阻，發生故障時顯示故障類型及故障參數。另外還有電源指示燈和故障指示燈，以方便工作人員識別和檢修。

(三)保護功能

保護功能是測控系統的重點。對電網的短路故障、漏電故障和人身觸電，要求速斷保護；當電網出現過載故障時，采用反時限延時保護：當電網電壓低于額定電壓的75％時，進行欠壓保護：當電網電壓超過額定電壓的110％時，進行過壓保護。

(四)通訊功能

測控系統通過RS-232口與上位機進行串行通訊，從而實現遠方監控功能。

(五)自檢功能

為了減少微機系統出錯的概率，在系統投入運行之前，先進行自檢，如果有故障就發出警告，并做出相應的處理。

五、測控系統軟件設計

1、軟件結構。系統軟件采用模塊化結構，循環掃描方式。整套軟件分初始化模塊、額定參數檢測模塊、起動前故障檢測模塊、合閘后故障檢測模塊、數據處理模塊、漏電閉鎖檢測模塊、中斷響應模塊和液晶顯示模塊等幾部分。這些功能模塊分別進行獨立設計、編程和測試，最后鏈接在一起進行系統調試。這樣設計的優點是單個模塊比較容易編寫、測試和維護，也便于修改、更新和擴充，某些功能模塊還可供其它程序調用，所以提高了應用程序的編寫效率。

2、主控程序。主控程序也就是監控程序，是整個系統軟件的調度中心，它將各功能模塊按一定的邏輯關系組合在一起，來完成整個保護任務。主要完成子程序的調用、斷路器的開合閘及故障判斷、液晶顯示終端顯示等功能。