煤礦高壓防爆開關(guān)保護(hù)裝置的設(shè)計(jì)應(yīng)用

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【摘 要】隨著我國科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，在煤炭行業(yè)中，高壓防爆開關(guān)保護(hù)裝置的研究工作有了一定的進(jìn)步。在實(shí)際的工作應(yīng)用中，仍然存在許多問題和不足。對這些保護(hù)裝置進(jìn)行深入的研究，有利于煤炭行業(yè)的供電安全。本文介紹了防爆開關(guān)在短路保護(hù)和漏電保護(hù)上的方法，詳細(xì)闡述了保護(hù)裝置的設(shè)計(jì)方案。

【關(guān)鍵詞】煤炭行業(yè)；高壓防爆開關(guān)；保護(hù)裝置；方案

煤礦開采的現(xiàn)代化程度不斷提高，要求井下供電系統(tǒng)要有更高的安全性和可靠性。由于井下工作環(huán)境惡劣，短路、漏電事故經(jīng)常發(fā)生，會危及到人身安全和正常的生產(chǎn)工作。所以，對高壓防爆開關(guān)進(jìn)行特別的保護(hù)和實(shí)時監(jiān)視，是必不可少的工作環(huán)節(jié)。

1 短路保護(hù)技術(shù)

就目前而言，煤礦高壓防爆開關(guān)在短路保護(hù)和過流保護(hù)方面的問題已經(jīng)得到了解決。但是，在實(shí)際的工作運(yùn)行中仍有一些難題。第一，開展煤礦井下工作中，每個開關(guān)輸電線路之間的距離并不大，在幾十米到幾百米之間。第二，作為線路中的下級，其末端的電流最小值往往高于上級的保護(hù)整定值。這樣一來，就會大大增加越級跳閘現(xiàn)象的發(fā)生，從而造成供電不穩(wěn)定和不可靠的局面，從側(cè)面影響到煤炭的正常生產(chǎn)工作。

針對于越級跳閘問題，經(jīng)過分析，得出主要存在的問題根源在于保護(hù)裝置的靈敏度不高。并且，很有可能不符合安全規(guī)范的要求。對此，要在不對電流保護(hù)整定方法進(jìn)行改動的前提下，采用通信閉鎖短路保護(hù)技術(shù)，來實(shí)現(xiàn)短路保護(hù)的目的。

通信閉鎖短路保護(hù)技術(shù)的工作原理在于：當(dāng)下級開關(guān)發(fā)生短路情況時，該裝置會迅速向上一級發(fā)出短路保護(hù)閉鎖信號，及時將短路故障信息傳遞給整個線路。當(dāng)短路保護(hù)閉鎖信號傳遞到上一級開關(guān)后，就會立即進(jìn)行短路保護(hù)閉鎖，從而及時解決短路故障。

另外，考慮到下級開關(guān)或保護(hù)裝置由于臨時故障而無法解決短路問題，對上級閉鎖功能的持續(xù)時間做出了嚴(yán)格的限制，一般為100—200毫秒。如果時間超出了這個范圍，不論閉鎖信號是否已經(jīng)解除，短路保護(hù)都會重新恢復(fù)為正常的工作狀態(tài)。

2 漏電保護(hù)技術(shù)

目前煤礦井下工作中采取的漏電保護(hù)技術(shù)都是以國家的相關(guān)規(guī)范制度進(jìn)行制定的。具體來說分為兩種：一是，零序電流型漏電保護(hù)；二是，零序功率方向型漏電保護(hù)。這兩種方法在漏電保護(hù)上具有針對性，應(yīng)用對象都是中性點(diǎn)不接地電網(wǎng)。

隨著煤礦內(nèi)供電距離的不斷增加，電網(wǎng)對地電容電流不斷增大，這就要求原來的煤礦供電方式要進(jìn)行調(diào)整。經(jīng)過運(yùn)行方式的調(diào)整與轉(zhuǎn)變，目前大多數(shù)采用的是中性點(diǎn)消弧線圈接地方式。原來的供電方式和目前的相比，其缺點(diǎn)有兩個方面：第一，不能滿足漏電保護(hù)的準(zhǔn)確性要求。第二，漏電故障接地電阻在一定程度上影響漏電保護(hù)裝置的正常運(yùn)行。采取中性點(diǎn)消弧線圈接地方式后，能夠顯著提升漏電保護(hù)的準(zhǔn)確性和適應(yīng)性。

如圖1所示，是煤礦高壓電網(wǎng)漏電零序網(wǎng)絡(luò)的示意圖，從圖中可以看出，第K條線路出現(xiàn)漏電情況，當(dāng)DL1處于打開狀態(tài)時，就是中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)；當(dāng)DL1處于閉合狀態(tài)時，就是中性點(diǎn)消弧線圈接地系統(tǒng)。Ln和Gn則表示消弧線圈電感和預(yù)調(diào)式消弧線圈。一般情況下，煤礦高壓電網(wǎng)的對地絕緣電阻比較大，所以在計(jì)算時，就不用對每個線路的對地電阻都進(jìn)行考慮。

當(dāng)中性點(diǎn)不接地電網(wǎng)出現(xiàn)了漏電問題時，對發(fā)生故障的線路進(jìn)行檢測，其零序電流與以下兩個因素有關(guān)：第一，電網(wǎng)對地電容；第二，漏電故障的接地電阻。目前所使用的高壓防爆漏電保護(hù)裝置，進(jìn)行整定的基礎(chǔ)依據(jù)是零序電流。如果整定的結(jié)果低于要求的水平，就會導(dǎo)致誤動問題的出現(xiàn)；如果整定的結(jié)果高于要求的水平，就會導(dǎo)致高阻接地的拒動問題出現(xiàn)。在實(shí)際的工作中，一旦發(fā)生漏電故障，電阻的阻值就會發(fā)生改變。因此，誤動問題和拒動問題的解決，不能僅僅依靠整定，而是應(yīng)該采取節(jié)點(diǎn)導(dǎo)納法（以電路中節(jié)點(diǎn)電壓為待求量，求解電路問題的方法）的漏電保護(hù)進(jìn)行處理。

判斷故障線路，可以通過檢測導(dǎo)納的大小和方向的方式來實(shí)現(xiàn)。在這個過程中，為了防止出現(xiàn)對沒有發(fā)生故障的線路進(jìn)行錯誤判斷，就會在方向拒判的前提下，對它的大小作出判斷。一般情況下，防爆開關(guān)的電纜長度是固定的，與整個電網(wǎng)相比，這部分電纜的導(dǎo)納可以忽略不計(jì)。對總的電容值進(jìn)行估算時，需要考慮的因素有互感器誤差、測量誤差、電網(wǎng)的電纜總長等。

除此之外，中性點(diǎn)消弧線圈接地電網(wǎng)和中性點(diǎn)不接地電網(wǎng)相比，對于沒有發(fā)生故障的線路進(jìn)行開關(guān)檢測零序電流特性而言，兩者的差別并不大。而對于發(fā)生故障的線路進(jìn)行檢測時，大小和方向的主要影響因素在于消弧線圈補(bǔ)償電流。

3 裝置設(shè)計(jì)方案

根據(jù)以上的保護(hù)原理為出發(fā)點(diǎn)，設(shè)計(jì)的高壓防爆開關(guān)保護(hù)裝置示意圖如圖2 所示。

從示意圖中可以看出，該裝置的設(shè)計(jì)中，主控單元的微控制器是DSP（TMS320F2812），其性能十分優(yōu)越。而邏輯控制單元選用的是CPLD，從而使分離元件的數(shù)量能夠得到有效的控制，PCB板的面積也會大大減小。通過這些設(shè)計(jì)，能夠大大提升本裝置的安全性。至于A/D芯片，則是14位高速模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片。整個裝置的零序電壓，由電壓互感器開口三角電壓提供。

最后，為了驗(yàn)證該高壓防爆開關(guān)綜合保護(hù)裝置的系統(tǒng)正確性，針對通信閉鎖式短路保護(hù)和中性點(diǎn)等不同的運(yùn)行方式，進(jìn)行漏電保護(hù)的實(shí)驗(yàn)。在實(shí)驗(yàn)的過程中，在同一時間，將大小相同的電流輸入到兩臺保護(hù)裝置中，從而驗(yàn)證越級跳閘問題的解決情況。在這個實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)中，主要涉及到的是上級保護(hù)和下級保護(hù)兩種類型，分別對應(yīng)的是保護(hù)1和保護(hù)2，且整定值分別設(shè)置為10A和8A。經(jīng)過實(shí)驗(yàn)，結(jié)果證明利用通信閉鎖方案，能夠防止出現(xiàn)越級跳閘故障的目的。

因此，短路保護(hù)和漏電保護(hù)新技術(shù)的提出，是在原有技術(shù)基礎(chǔ)上的改進(jìn)和創(chuàng)新。高壓防爆開關(guān)保護(hù)裝置的設(shè)計(jì)，也能夠?qū)崿F(xiàn)電力運(yùn)行過程中的安全性和可靠性需求。所以，該裝置可以應(yīng)用于煤礦開采的井下工作中。

4 結(jié)語

短路保護(hù)新技術(shù)和漏電保護(hù)新技術(shù)的提出，能夠有效解決當(dāng)前煤礦工作中短路越級跳閘和漏電保護(hù)不精準(zhǔn)的問題。這些新技術(shù)的應(yīng)用，一方面跳脫出漏電保護(hù)的制約性因素，另一方面也提高了適用范圍。采用新的裝置設(shè)計(jì)方案，能夠提高煤礦井下工作的安全性，提高工作效率，增加經(jīng)濟(jì)效益。

【參考文獻(xiàn)】

[1]高興斌.煤礦高壓防爆開關(guān)保護(hù)裝置的設(shè)計(jì)與研究[J].煤炭技術(shù)，2012（11）.

[2]王崇林，唐會祥，侯坤，金小強(qiáng)，崔鵬飛，范迪鵬.基于STM32F103的高壓防爆開關(guān)保護(hù)測控系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].煤礦安全，2009（01）.

[3]陳奎，張麗，孫常青.煤礦高壓防爆開關(guān)綜合保護(hù)新技術(shù)[J].電力系統(tǒng)保護(hù)與控制，2009（24）.

[4]陳奎，張麗，孫常青.煤礦高壓防爆開關(guān)漏電保護(hù)的研究[J].電氣應(yīng)用，2010（04）.

[5]張四海，吳紅斌.基于DSP的高壓防爆開關(guān)微機(jī)保護(hù)控制器的研制[J].合肥工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2011（02）.

[責(zé)任編輯：曹明明]