礦用組合開關(guān)電流保護(hù)的研究

侯林

（中國煤炭科工集團(tuán)太原研究院，山西 太原 030006）

1 引言

在煤礦采掘工作面，由電氣系統(tǒng)引起的故障危害較大，它不僅直接影響人身安全，還會(huì)形成相間短路等故障引發(fā)瓦斯和煤塵的爆炸，嚴(yán)重影響著煤礦的安全生產(chǎn)。

在礦井供電系統(tǒng)中，電流保護(hù)包括三相短路故障保護(hù)、兩相短路故障保護(hù)、斷相故障保護(hù)和不正常運(yùn)行狀態(tài)（過載）保護(hù)四個(gè)部分。其中，三相短路和過載故障屬于對(duì)稱電流故障，兩相短路和斷相故障屬于不對(duì)稱電流故障。本文主要闡述了一種在礦用組合開關(guān)上適用的電流保護(hù)設(shè)計(jì)。

2 采樣方式的選擇

對(duì)各種電量的采集主要有兩種途徑:①利用各類模擬儀表，直接或者間接地獲取電量；②根據(jù)采樣定理，對(duì)連續(xù)時(shí)間信號(hào)做等間隔抽樣，并進(jìn)行數(shù)字化處理，來獲取電量。對(duì)于前者，利用儀器儀表來采集電量，采集的準(zhǔn)確度比較高，工作可靠，但存在重大缺陷:采集成本較高，采集實(shí)時(shí)性差，依靠人力，將無法在同一時(shí)刻對(duì)多個(gè)變化的電量進(jìn)行采集。所以，目前多是采用采樣計(jì)算式的方法來獲取電量。根據(jù)采樣信號(hào)的不同，實(shí)現(xiàn)后者又有兩種方法:直流采樣法和交流采樣法。

2.1 直流采樣法

直流采樣法是指將現(xiàn)場不斷變化的模擬量先轉(zhuǎn)換成直流電壓信號(hào)，再送至A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行轉(zhuǎn)換，即將各種交流電量，通過降壓、整流、濾波、非線性校準(zhǔn)等各種電子電路變?yōu)橄鄳?yīng)大小的直流電量，然后對(duì)直流量進(jìn)行采樣和A/D轉(zhuǎn)換。

直流采樣的主要特點(diǎn):

（1）直流采樣對(duì)A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換速率要求不高，軟件算法簡單。只要將采樣結(jié)果乘上相應(yīng)的標(biāo)度系數(shù)便可得到電流、電壓的有效值，但不能得到其它的電參數(shù)，比如功率因數(shù)、有功功率等，從而不能有效地實(shí)現(xiàn)相敏保護(hù)和分析所控制的采掘設(shè)備工作狀況；

（2）直流采樣輸入回路，要濾去整流后的紋波，往往采用R－C濾波電路，因此其時(shí)間常數(shù)較大（一般幾十ms～幾百ms），采樣結(jié)果實(shí)時(shí)性差，而且無法反映被測模擬量的波形。

2.2 交流采樣法

交流采樣法是一種直接針對(duì)交流電量進(jìn)行采樣的方法。按照采樣定理，一個(gè)限帶連續(xù)模擬信號(hào)xa（t），其頻譜的最高頻率為F0，對(duì)它進(jìn)行等間隔采樣而得離散時(shí)間信號(hào)x（n），則只有在采樣頻率Fs＞2F0時(shí)，x（n）就可準(zhǔn)確地恢復(fù)成xa（t）。依照其原理，設(shè)定一個(gè)等間隔采樣的時(shí)間間隔，即為采樣周期T，其倒數(shù)為采樣頻率，它的值必須大于被采樣的模擬信號(hào)頻譜中最高頻率的兩倍，用這樣的采樣頻率對(duì)被測交流信號(hào)的瞬時(shí)值進(jìn)行直接采樣，然后采用一定的算法，對(duì)采集所得交流電量進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，獲得被測量，經(jīng)過這樣的處理才不會(huì)發(fā)生頻譜混疊效應(yīng)，才使離散時(shí)間信號(hào)x（n）能夠比較準(zhǔn)確地表示原模擬信號(hào)xa（t），從而可以保證原模擬量信號(hào)中的主要信息不會(huì)被丟掉，測量的結(jié)果才是可信的。由于在數(shù)據(jù)采集過程中等間隔采集交流量的瞬時(shí)值，因此，借助于各種交流采樣算法，可以很方便地獲得每個(gè)瞬時(shí)值的大小和相位，以及交流值的幅值、相位，那么，其他有關(guān)電參量也可順利求得。交流采樣的主要特點(diǎn)為:

（1）實(shí)時(shí)性好。它能避免直流采樣中整流、濾波環(huán)節(jié)的時(shí)間常數(shù)大的影響，因此在微機(jī)保護(hù)中適宜采用交流采樣。

（2）能反映原來電流、電壓的實(shí)際波形，便于對(duì)被測量的結(jié)果進(jìn)行波形分析，因此在需要分析的場合，必須采用交流采樣。

（3）對(duì)A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換速率和采樣保持器的要求較高。為了保證測量精度，一個(gè)周期內(nèi)必須保證有足夠的采樣點(diǎn)數(shù)，因此要求A/D轉(zhuǎn)換器要有足夠的轉(zhuǎn)換速率。

（4）測量準(zhǔn)確性不僅取決于模擬量輸入通道的硬件，而且還取決于軟件算法，因此采樣和計(jì)算程序相對(duì)復(fù)雜。

由于交流采樣實(shí)時(shí)性好，直接對(duì)原始信號(hào)進(jìn)行采樣，最大限度地保留了原信號(hào)的一些特征，而且現(xiàn)在大規(guī)模集成電路的技術(shù)大大地提高了A/D轉(zhuǎn)換的速率以及各種成熟算法的推出，使交流采樣得到了廣泛的應(yīng)用。因此在本文中，采用了交流采樣方式，用倍福的電力測量模塊KL3403實(shí)現(xiàn)了交流采樣。

KL3403是一種基于倍福I/O系統(tǒng)的新型三相電力線測量總線端子，它使得電量測量和保護(hù)可以用于任何現(xiàn)場總線系統(tǒng)。KL3403的預(yù)處理在過程映像中直接提供均方根值，在控制器上無需高計(jì)算能力，由均方根值計(jì)算出的電壓、電流、有效功率、功率因數(shù)功耗以及視在功率，其中電流的測量范圍最大為1A，精度為0.001A；電壓的測量范圍最大為500V，精度為0.1V。

KL3403采用均方根算法，根據(jù)連續(xù)周期交流信號(hào)的有效值及平均功率的定義，將連續(xù)信號(hào)離散化，用數(shù)值積分代替連續(xù)積分，以離散點(diǎn)數(shù)據(jù)擬合連續(xù)周期性變化的信號(hào)，從而導(dǎo)出有效值（或平均值）與采樣值之間的關(guān)系式。均方根算法中己考慮了諧波分量在有效值中的成分。

該算法已經(jīng)考慮諧波分量在有效值中的成分，計(jì)算公式如下:

式中，U、I分別為電壓、電流的有效值；Ui（n）、Ii（n）分別為輸入電壓、電流的等間隔采樣值；N為采樣點(diǎn)數(shù)。

3 短路保護(hù)

短路是指供電系統(tǒng)中不等電位的導(dǎo)體在電氣上被短接，各種類型的短路故障是煤礦井下最常見的故障之一。

短路故障發(fā)生的原因主要是由于電氣設(shè)備載流部分絕緣損壞。絕緣損壞是由于絕緣老化、過電壓、機(jī)械損傷等原因造成的。如井下礦車出軌砸擠電纜而引起的短路；其他如操作人員帶負(fù)荷拉隔離開關(guān)、檢修后未拆除接地線就送電等誤操作，都有可能引發(fā)短路故障；漏電故障發(fā)生后，如果漏電保護(hù)裝置拒動(dòng)，長時(shí)間的漏電故障也可能發(fā)展為相間短路。

（1）煤礦井下開關(guān)過流保護(hù)裝置電流整定值計(jì)算

式中:IZ為過流保護(hù)裝置的電流整定值；IQe容量最大電動(dòng)機(jī)額定起動(dòng)電流；Kx為需用系數(shù)，取0.5～1；ΣIe為其余電動(dòng)機(jī)額定電流之和。

（2）短路保護(hù)裝置的整定電流計(jì)算

式中，Id為保護(hù)裝置保護(hù)范圍最遠(yuǎn)點(diǎn)的兩相短路電流；Ue為變壓器二次側(cè)的額定電壓；ΣR為短路回路內(nèi)一相電阻值之和；ΣX為短路回路內(nèi)一相電抗值之和。

保護(hù)裝置動(dòng)作的可靠性檢驗(yàn):

（3）整定計(jì)算遇到的問題

隨著采煤技術(shù)的發(fā)展及高產(chǎn)高效工作面增多，采煤機(jī)械設(shè)備的功率越來越大，如采煤機(jī)、刮板輸送機(jī)及帶式輸送機(jī)的功率已達(dá)到了1000kW以上，同時(shí)工作面的走向也達(dá)到1～2km，給采掘工作面的開關(guān)設(shè)計(jì)帶來了一定的難度。由于設(shè)備功率增加，起動(dòng)電流隨著增大，因而使短路保護(hù)電流動(dòng)作值的整定產(chǎn)生了困難。若整定值過小，電機(jī)起動(dòng)時(shí)，造成保護(hù)誤動(dòng)；若整定值過大，電網(wǎng)末端短路時(shí)保護(hù)拒動(dòng)。同時(shí)，供電距離的增加，線路阻抗隨之增加，最小兩相短路電流隨之減小，也使動(dòng)作靈敏系數(shù)減小，短路保護(hù)裝置不能可靠動(dòng)作。

由此可見，僅以電流大小來區(qū)分電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)與短路電流是困難的。目前常采取的主要方法有:一是采用8s可返回的方法。即在起動(dòng)時(shí)如電流能在8s之內(nèi)降下來，則認(rèn)為是正常的起動(dòng)過程；如8s之內(nèi)沒有降下來，則認(rèn)為是發(fā)生了短路故障，這種方法不能滿足起動(dòng)時(shí)發(fā)生短路的動(dòng)作時(shí)限要求。另一種方法是采用在起動(dòng)時(shí)設(shè)置一高比較值，而在起動(dòng)后比較值降低，從而來區(qū)分滿足起動(dòng)的要求，這種方法也有不妥之處，例如，在起動(dòng)的時(shí)候發(fā)生短路就無法保護(hù)。

（4）相敏保護(hù)的實(shí)現(xiàn)

隨著近年來的研究發(fā)現(xiàn)，鼠籠型電動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)的電流雖然大，但起動(dòng)時(shí)的功率因數(shù)卻較低，一般在0.35～0.45左右，而在井下低壓供電系統(tǒng)最末端，其短路時(shí)功率因數(shù)卻較高，接近于1。由此可見，同樣出現(xiàn)峰值電流，但功率因數(shù)明顯不同，這樣通過檢測電流信號(hào)幅值大小和系統(tǒng)電壓、電流的相位差即功率因數(shù)，就可以有效的將起動(dòng)電流與短路電流區(qū)分開來，短路保護(hù)可靠性得到提高，這就是相敏保護(hù)的基本原理。

采用幅值與相位檢測相結(jié)合的保護(hù)方式，取樣信號(hào):

式中，u為保護(hù)裝置的取樣信號(hào)；I為電流信號(hào)；cosφ為功率因數(shù)。

式中，u為常數(shù)，I*為線路中實(shí)際電流與額定電流的比值，cosφ為功率因數(shù)。當(dāng)I*與cosφ的乘積大于u時(shí)，就可以斷定線路發(fā)生了短路故障。通過對(duì)u選擇不同的值，就可以得到不同的臨界動(dòng)作曲線。

另外，當(dāng)供電線路近端發(fā)生短路時(shí)，即電流超過8倍時(shí)，此時(shí)不需要對(duì)功率因數(shù)進(jìn)行檢測，即可斷定線路發(fā)生了短路故障。

4 斷相保護(hù)

三相異步電動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)中電源一相斷線，使電動(dòng)機(jī)在受到嚴(yán)重不對(duì)稱電壓的作用下運(yùn)行，稱為斷相運(yùn)行。發(fā)生斷相運(yùn)行時(shí)在噪音很大的車間或井下難以辨別電動(dòng)機(jī)是否正常運(yùn)轉(zhuǎn)，由于沒有足夠的重視，常常致使電動(dòng)機(jī)燒毀。據(jù)統(tǒng)計(jì)由于斷相運(yùn)行使電動(dòng)機(jī)燒毀事故約占電機(jī)燒毀事故的70%，因此有必要對(duì)斷相運(yùn)行進(jìn)行理論分析以引起對(duì)斷相運(yùn)行的重視，進(jìn)而設(shè)置有效的保護(hù)裝置。

發(fā)生斷相故障主要有以下五種原因:

①星星接法三相異步電動(dòng)機(jī)電源一相或繞組一相斷開；

②三角形接法三相異步電動(dòng)機(jī)電源一線斷開；

③三角形接法三相異步電動(dòng)機(jī)繞組一相斷開；

④供電電源變壓器原邊一相斷開；

⑤多臺(tái)三相異步電動(dòng)機(jī)公用供電母線斷開。

4.1 起動(dòng)前斷相

三相供電導(dǎo)線之一在電動(dòng)機(jī)起動(dòng)前斷開時(shí)，合閘后電動(dòng)機(jī)接在單相電源上。

（1）電動(dòng)機(jī)星形接法一相斷開

圖1 電動(dòng)機(jī)星形連結(jié)電源一相斷開

如圖1所示，此時(shí)兩相繞組串聯(lián)后接到線電壓上，假設(shè)每相阻抗為Zφ，則斷相后的電流

三相對(duì)稱運(yùn)行時(shí)，相電壓Uφ與線電壓UX的關(guān)系

于是可得電流

可見，斷相后起動(dòng)電機(jī)，星形連接電動(dòng)機(jī)的線電流IS約是三相運(yùn)行時(shí)起動(dòng)電流IS3的87%，斷相電流很大，且線電流的相位差為180°。

（2）供電變壓器接法為Y/Δ，電動(dòng)機(jī)接法為Y時(shí)一相斷開

供電變壓器原邊一相斷開，則副邊一相沒有電壓。假定C相斷開，

此時(shí)Uca=0。原邊由于兩相繞組串聯(lián)后接到線電壓上，每相電壓是電源電壓的一半，如圖1所示。此時(shí)，線電壓

式中，Uφ3為三相狀態(tài)下副邊的額定線電壓。

變壓器的副邊仍存在上述關(guān)系，因此

式中，UN為三相狀態(tài)下副邊額定線電壓。

變壓器副邊b相的電流

斷相時(shí)線電流等于三相起動(dòng)時(shí)線電流，其他兩相電流是Ib的一半，即:

當(dāng)供電變壓器為Δ/Y聯(lián)接時(shí)，情況與此相同。

圖2 供電變壓器原邊一相斷開

4.2 運(yùn)行中斷相

電動(dòng)機(jī)運(yùn)行中發(fā)生斷相時(shí)，電流大小與電動(dòng)機(jī)負(fù)載大小有關(guān)。

（1）定子繞組星形聯(lián)接電源一相斷開

這種情況下，兩相繞組串聯(lián)后接在線電壓上。以Iφd、IXd、cosφd和ηd分別表示斷相運(yùn)行時(shí)的相電流、線電流、電動(dòng)機(jī)的功率因數(shù)和效率，可得斷相運(yùn)行時(shí)的輸出功率:

三相運(yùn)行時(shí)的輸出功率:

若輸出保持三相狀態(tài)下負(fù)荷不變，則斷相運(yùn)行時(shí)的線電流:

斷相運(yùn)行時(shí)，由于有負(fù)序電流，電動(dòng)機(jī)的功率因數(shù)和效率均明顯下降。若取 cosφd=0.9cosφ3，ηd=0.87η3，由此可算出斷相運(yùn)行時(shí)的線電流IXd=1.2Iφ3。

（2）供電變壓器接法為Y/Δ，電動(dòng)機(jī)接法為Y時(shí)一相斷線

變壓器原邊一相斷開時(shí)如圖所示。由于原邊是兩相繞組串聯(lián)后接在線電壓上，所以副邊電壓下降到額定電壓的0.866倍。而且副邊輸出單相電壓Uab=Ucb。這時(shí)對(duì)電動(dòng)機(jī)來說，其等效電路如圖3所示。

圖3 變壓器原邊一相斷開時(shí)電動(dòng)機(jī)等效電路

斷相運(yùn)行時(shí)的輸出功率可表示為:

當(dāng)負(fù)荷保持不變時(shí)，斷相后的線電流為:

由上面的分析計(jì)算可知，斷相故障發(fā)生后，斷相電流最小值為額定電流的1.2倍，尤其是起動(dòng)前發(fā)生斷相，斷相電流更大，接近電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)電流，此時(shí)由于繞組中電流產(chǎn)生的磁場不是三相正弦磁場，電動(dòng)機(jī)將無法起動(dòng)，繞組中將一直流過起動(dòng)電流，因此必須對(duì)電動(dòng)機(jī)的斷相故障進(jìn)行保護(hù)。從以上分析可見，斷相故障發(fā)生后，最大的特點(diǎn)是流過電動(dòng)機(jī)的三相電流不對(duì)稱，且電流比較大和線電流相位差接近180°。

5 過載保護(hù)

電動(dòng)機(jī)在井下工作過程中，經(jīng)常會(huì)發(fā)生電動(dòng)機(jī)的實(shí)際負(fù)載超過其額定負(fù)載的情況，即過載。電動(dòng)機(jī)在過載狀態(tài)下運(yùn)行時(shí)，繞組溫度升高，長期運(yùn)行在此狀態(tài)，繞組絕緣會(huì)逐漸老化，直至擊穿，造成電動(dòng)機(jī)燒毀。因此必須對(duì)運(yùn)行在過載狀態(tài)下的電動(dòng)機(jī)加以保護(hù)，即所謂的過載保護(hù)。

電動(dòng)機(jī)過載時(shí)，其溫升時(shí)間與電動(dòng)機(jī)的過載倍數(shù)有關(guān)，不同倍數(shù)的過載電流，達(dá)到允許溫升的時(shí)間也不相同，從電動(dòng)機(jī)過載開始，到電動(dòng)機(jī)達(dá)到允許溫升的時(shí)間稱為電動(dòng)機(jī)的允許過載時(shí)間，允許過載時(shí)間與電動(dòng)機(jī)過載倍數(shù)的關(guān)系稱之為允許過載特性，過載反時(shí)限特性如圖4所示。

圖4 過載反時(shí)限特性曲線

6 結(jié)語

本文設(shè)計(jì)的礦用組合開關(guān)的電流保護(hù)，采用了交流采樣的方式，在進(jìn)行各種電流故障保護(hù)的同時(shí)，采用幅值和相位相結(jié)合的方式，提高了系統(tǒng)的安全和可靠性，經(jīng)過在井下的實(shí)際運(yùn)行，該種保護(hù)方式性能穩(wěn)定，維護(hù)方便，工作可靠，是煤礦井下采掘工作面電氣產(chǎn)品的理想保護(hù)系統(tǒng)。

［1］黃靜波，牟龍華.礦用組合開關(guān)主控單元的設(shè)計(jì)［J］.工礦自動(dòng)化，2007（2）:74－77.

［2］Beckhoff產(chǎn)品手冊(cè)［Z］.