高壓防爆開關微機保護技術研究

盧艷君

（西山煤電東曲煤礦，山西 古交 030200）

引言

煤礦井下供電系統常采用6 kV 或10 kV 小電流接地系統，系統中井下中央變電所、采區變電所和移動變電站中，均有高壓防爆開關的應用。自20世紀90 年代以來，高壓防爆開關繼電保護技術逐漸采用微機保護，隨著控制器和局域網絡通信技術的更新換代，其功能和性能都在不斷完善和提高，因此，研究現階段高壓防爆開關微機保護的設計思路和關鍵技術，對煤礦供電系統的可靠性具有重要意義。

1 井下高壓防爆開關

1.1 井下供電系統

在我國煤礦井下供電系統中，6 kV 小電流接地高壓供電系統是一種常見的方式，變壓器中性點不接地或經消弧線圈接地，圖1 為其示意圖[1-2]。地面變電所從電網取電，送入井下中央變電所，井下中央變電所對采區變電所供電，采區變電所向移動變電站供電。在井下的中央變電所、采區變電所和移動變電站等不同場合的高壓電氣設備中，高壓防爆開關均有應用。

圖1 煤礦井下6 kV 供電系統示意圖

1.2 礦用高壓防爆開關

礦用高壓防爆開關適用于爆炸性危險氣體環境中，對10 kV 或6 kV 電力系統進行控制和保護，除此以外還可以作配電或電機啟動之用。在煤礦井下供電系統中，高壓防爆開關的作用有：在中央變電所，高壓防爆開關向采區變電所配電，或將數臺高壓防爆開關并聯起來起動控制主排水泵等高壓電氣設備并對其供電。在采區變電所，高壓防爆開關向采、掘、運工作面供電或向皮帶輸送機等運輸設備供電。在移動變電站，安裝在順槽的高壓防爆開關、干式變壓器和低壓饋電開關向綜采、綜掘工作面供電。

礦用高壓防爆開關一般由防爆箱、斷路器和保護裝置三部分構成[3-4]。防爆箱內用隔板分為作用不同的三個小室，分別是引入高壓電纜的布線室、設有觀察窗的隔離開關室、電壓電流互感器和真空斷路器室，防爆箱右側配置了一個放置操作手柄和機電鎖定裝置的盒子。斷路器一般采用單穩永磁斷路器，通電15 s 后按下合閘按鈕，動鐵芯移動到下端蓋形成磁回路，合閘動作完成，然后對分閘彈簧儲能，為分閘準備。分閘時分閘彈簧將動鐵芯拉至上端蓋，強磁回路斷開，實現分閘。

2 高壓防爆開關微機保護技術

高壓防爆開關是煤礦井下繼電保護的重要組成部分。近些年來，局域網通信技術和微機保護技術更新換代，傳統的微機保護技術已經不能滿足需求，因此多功能、智能化的綜合保護器成為高壓防爆開關微機保護的發展趨勢。

2.1 綜合保護器功能

1）基本保護功能。實現線路和變壓器電路保護是綜合保護器的基本功能，包括短路保護、過載保護、選擇性漏電保護和絕緣監視保護。

2）電能質量監測功能。為了分析電能質量，綜合保護器一般具有電能質量監測功能，通過采用高精度A/D 芯片采集數據，經過傅里葉算法和頻率跟蹤技術得到電壓和電流信息，進而計算出被保護高壓防爆開關的功率情況。

3）數據存儲與故障錄波功能。為了方便運維人員跳閘后檢查系統的運行情況，綜合保護器能夠將故障跳閘時的相關數據存儲在SD 卡中，在保護器失去電源后也不回丟失，工作人員通過按鍵操作能夠查看故障波形和事件信息。

4）人機交互功能。人機交互功能一般采用兩種方式，一是工作人員通過紅外遙控器調整定值，二是通過液晶顯示器顯示高壓防爆開關的警告指示信息。

2.2 軟硬件設計

綜合保護器的硬件部分主要包括核心控制器及其外圍電路，核心控制器的選擇多種多樣，從最初成本較低的單片機，發展到現在運算速度快、數字信號處理能力強的PLC、ARM、DSP 等[5-6]，其特點各不相同，但其總體結構類似，圖2 是以TMS320LF2407 型號的DSP 為主控制器，以AT89C55 單片機為輔助處理器的雙CPU 系統硬件結構圖，兩個CPU 通過雙口RAM電路進行通信，具有運算速度快、計算精度高的特點[7]。DSP 外圍電路有模擬量輸入電路、絕緣監視保護電路、開關量輸入電路、開關量輸出電路、CAN 通信電路等，單片機負責按鍵輸入、液晶顯示、通信接口等輔助功能。軟件設計能夠使綜合保護器穩定運行實現各項功能，不同的控制器軟件設計方法也不同，大多數軟件設計思路采用模塊化設計語言，將整個軟件系統分為初始化模塊、故障處理模塊和通信模塊，初始化模塊完成寄存器、開關量和模擬量接口、人機接口的初始化和自檢。故障處理模塊對故障類型判斷并動作，以及報警和顯示等，通信模塊負責接收和發送遠程指令。

圖2 以DSP 為核心的綜合保護器硬件系統結構圖

3 關鍵技術研究

3.1 漏電保護技術

一般而言，漏電指的是非金屬接地故障，對于中性點不接地系統的漏電保護，多采用零序電流型和功率方向型漏電保護原理，對于中性點經消弧線圈接地系統，在消弧線圈電感的補償作用下，使故障饋線的零序電流可能變得很小，不能采用零序電流型原理進行漏電保護，因此漏電保護技術是綜合保護器的一項關鍵技術，有學者提出用依據零序電流和零序電壓的相位和幅值設定啟動值來判斷是否發生漏電故障，不受中性點運行方式的影響[7]。漏電保護動作不準確難以用單一方法解決，有的學者提出采用暫穩態和參數識別方法，結合電網模型特征的多判據融合處理，提高礦用防爆高壓開關綜合保護器漏電保護動作的準確性[8]。

3.2 防越級跳閘技術

越級跳閘是煤礦井下供電系統經常發生的故障，如果上級開關供電范圍大，可能使整個生產系統癱瘓，危及人身安全。引起越級跳閘的常見情況有：電路電流過大、開關機構存在延遲、整定值設置不準確；保護裝置誤動作。防止越級跳閘的手段有：加裝電抗器加大短路電流差、避免電源并列、采取雙回線供電。防越級跳閘措施是高壓防爆開關綜合保護裝置的一項關鍵技術，有的學者采用短路保護延時技術，有學者采用GOOSE 技術傳遞閉鎖信號，防止越級跳閘[9]。

3.3 故障診斷技術

故障診斷技術是綜合保護器通過采集的數據在線分析礦用防爆開關的故障類別和運行狀態的技術。高壓防爆開關在發生不同故障時的特性不同，主要包括分合閘線圈電流、儲能電容電壓、斷路器動作狀態、真空滅弧室真空度等，利用各種傳感器采集相應狀態發送給綜合保護器，以便進行綜合分析。

4 結語

在高壓防爆開關微機保護系統的研究中，在實現基本電路保護功能的基礎上，其他高級功能越來越完善，綜合保護器的硬件設計也越來越先進。漏電保護技術、防越級跳閘技術和故障診斷技術是高壓防爆開關微機保護系統的三種關鍵技術，能夠顯著提高煤礦高壓防爆開關及井下電力系統的可靠性。