新型煤礦供電網(wǎng)防越級(jí)跳閘保護(hù)裝置的研制

張?zhí)禊i，范秋鳳*，束芳芳（.安陽工學(xué)院，河南安陽455000；.許繼電氣股份有限公司，河南許昌46000）

新型煤礦供電網(wǎng)防越級(jí)跳閘保護(hù)裝置的研制

張?zhí)禊i1，范秋鳳1*，束芳芳2
（1.安陽工學(xué)院，河南安陽455000；2.許繼電氣股份有限公司，河南許昌461000）

以煤礦供電網(wǎng)越級(jí)跳閘現(xiàn)象為研究對(duì)象，在分析電流縱聯(lián)差動(dòng)保護(hù)、級(jí)聯(lián)閉鎖工作原理和防越級(jí)跳閘保護(hù)邏輯的基礎(chǔ)上，介紹了一種煤礦供電網(wǎng)防越級(jí)跳閘保護(hù)裝置的研制過程。保護(hù)裝置以32位ARM處理器MB9BF618S為控制核心，可以實(shí)時(shí)檢測(cè)供電網(wǎng)輸電線路的工作狀態(tài)，對(duì)輸電線路故障進(jìn)行有效的保護(hù)。該保護(hù)裝置具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作方便、可靠性高等特點(diǎn)，能夠滿足煤礦供電網(wǎng)防越級(jí)跳閘保護(hù)的要求，具有較高的應(yīng)用價(jià)值。

煤礦供電網(wǎng)；越級(jí)跳閘；電流縱聯(lián)差動(dòng)；級(jí)聯(lián)閉鎖

煤礦供電網(wǎng)的可靠性和穩(wěn)定性十分重要，直接影響著煤礦的生產(chǎn)安全和人身安全，建設(shè)可靠、穩(wěn)定的供電網(wǎng)是煤礦建設(shè)的關(guān)鍵任務(wù)之一。但因?yàn)槊旱V生產(chǎn)的特殊性，煤礦井下高壓供電網(wǎng)大多采用多段短電纜所組成的逐級(jí)控制干線式縱向網(wǎng)絡(luò)。在該供電模式下，供電線路距離短、截面積大，每段電纜的阻抗較小，當(dāng)線路發(fā)生短路故障時(shí)，線路首端與線路末端的短路電流相差很小，導(dǎo)致相鄰各級(jí)微機(jī)保護(hù)裝置能夠同時(shí)檢測(cè)到故障電流［1-2］，都無法按照電流整定值來判斷短路故障發(fā)生的區(qū)域，從而不能構(gòu)成有效的縱向選擇性短路保護(hù)系統(tǒng)，引起“越級(jí)跳閘”現(xiàn)象，造成煤礦井下大面積停電，極大地影響了煤礦井下供電網(wǎng)的安全［3］。本文結(jié)合當(dāng)前常用的煤礦供電網(wǎng)防越級(jí)跳閘保護(hù)方案的特點(diǎn)，提出了一種基于電流縱聯(lián)差動(dòng)保護(hù)和級(jí)聯(lián)閉鎖相結(jié)合的保護(hù)方案，實(shí)現(xiàn)對(duì)煤礦井下供電網(wǎng)越級(jí)跳閘的防護(hù)。

1　保護(hù)原理和保護(hù)邏輯

1.1電流縱聯(lián)差動(dòng)保護(hù)

電流縱聯(lián)差動(dòng)保護(hù)是按比較被保護(hù)線路各端電流的大小和相位的原理實(shí)現(xiàn)的，是以基爾霍夫電流定律為依據(jù)的，其保護(hù)示意圖如圖1所示［4-5］。為了實(shí)現(xiàn)電流縱聯(lián)差動(dòng)保護(hù)，需要在輸電線兩側(cè)裝設(shè)性能和變比完全匹配的電流互感器，且電流互感器一次側(cè)同名端（圖中用“*”表示）均接在靠近母線的一側(cè)，二次側(cè)同名端用導(dǎo)線聯(lián)接，差動(dòng)繼電器KD接于電流互感器二次側(cè)的差動(dòng)回路中。

圖1　電流縱聯(lián)差動(dòng)保護(hù)示意圖

當(dāng)線路正常運(yùn)行或被保護(hù)線路MN外部K1點(diǎn)發(fā)生短路故障時(shí)，在理想情況下，通過線路M、N兩側(cè)的電流IM和IN的大小相等、方向相同，通過電流互感器兩次側(cè)的電流Im和In大小相等、方向相反，流入差動(dòng)繼電器KD的電流為電流互感器兩次側(cè)電流之差，即

式（1）中的NTA表示電流互感器的變比。

當(dāng)被保護(hù)線路MN內(nèi)部K2點(diǎn)發(fā)生短路故障時(shí)，在理想情況下，通過線路M、N兩側(cè)的電流IM′和IN′的大小相等、方向相反，通過電流互感器兩次側(cè)的電流Im′和In′大小相等、方向相同，流入差動(dòng)繼電器KD的電流為電流互感器二次側(cè)電流之和，即

式（2）中的Ik表示歸算到電流互感器兩次側(cè)的總短路電流。如果Ik大于差動(dòng)繼電器的動(dòng)作電流，則差動(dòng)繼電器動(dòng)作，將線路兩端的斷路器QF1和QF2斷開，切斷供電線路，從而起到保護(hù)的作用。

1.2級(jí)聯(lián)閉鎖工作原理

級(jí)聯(lián)閉鎖是將具有縱聯(lián)關(guān)系的保護(hù)裝置連接起來，通過設(shè)置時(shí)間級(jí)差使各級(jí)保護(hù)裝置的動(dòng)作時(shí)間錯(cuò)開，當(dāng)線路發(fā)生短路故障時(shí)，任何檢測(cè)到故障電流的保護(hù)裝置，在進(jìn)行保護(hù)動(dòng)作之前迅速向上一級(jí)保護(hù)裝置發(fā)出閉鎖信號(hào)，上級(jí)保護(hù)裝置利用收到的閉鎖信號(hào)快速閉鎖本身的保護(hù)功能，并向更上一級(jí)保護(hù)裝置發(fā)出閉鎖信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)選擇性跳閘，避免越級(jí)跳閘［6-7］。級(jí)聯(lián)閉鎖的基本工作原理如圖2所示。假定圖2所示系統(tǒng)中K3處發(fā)生短路故障，按照電流縱聯(lián)差動(dòng)保護(hù)的工作原理，可以判斷短路故障發(fā)生在斷路器QF4之外，斷路器QF4的保護(hù)裝置在動(dòng)作之前向斷路器QF3的保護(hù)裝置發(fā)出閉鎖信號(hào)，斷路器QF3的保護(hù)裝置在收到閉鎖信號(hào)后，將向斷路器QF2的保護(hù)裝置發(fā)出閉鎖信號(hào)，如此環(huán)環(huán)相扣，收到閉鎖信號(hào)的保護(hù)裝置將不會(huì)發(fā)出保護(hù)跳閘動(dòng)作指令，從而防止了斷路器QF3、QF2、QF1的保護(hù)裝置先于斷路器QF4的保護(hù)裝置動(dòng)作，避免了越級(jí)跳閘現(xiàn)象的發(fā)生。考慮到斷路器QF4可能拒動(dòng)，斷路器QF4的保護(hù)裝置發(fā)給上級(jí)保護(hù)裝置的閉鎖信號(hào)經(jīng)過相應(yīng)的延時(shí)時(shí)間后會(huì)自動(dòng)解除，此時(shí)由斷路器QF3的保護(hù)裝置動(dòng)作，發(fā)出保護(hù)跳閘指令，切除故障線路。

圖2　級(jí)聯(lián)閉鎖基本工作原理

1.3保護(hù)邏輯

防越級(jí)跳閘保護(hù)功能的啟用由保護(hù)軟壓板控制，當(dāng)保護(hù)軟壓板投入時(shí)，保護(hù)功能啟動(dòng)；當(dāng)保護(hù)軟壓板退出時(shí)，保護(hù)功能禁止，其保護(hù)邏輯如圖3所示。圖3中的Ik表示線路中的短路電流，Iset表示電流縱聯(lián)差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作的整定值，Umin表示線路中線電壓的最小值，Ulset表示低電壓閉鎖值，U2表示線路中負(fù)序電壓值，Ufset表示負(fù)序電壓閉鎖值，Tdy表示保護(hù)動(dòng)作時(shí)間整定值。復(fù)壓閉鎖包括低電壓閉鎖和負(fù)序電壓閉鎖，其主要作用是防止因變壓器過載而引起的誤動(dòng)作，提高短路故障時(shí)保護(hù)出口的靈敏度。低電壓閉鎖Ulset和負(fù)序電壓閉鎖值Ufset可以整定。在設(shè)計(jì)時(shí)，Iset的整定范圍為0.05 A～200.00 A，步長(zhǎng)為0.01 A；Tdy的整定范圍為0～200 s，步長(zhǎng)為0.01 s；Ulset的整定范圍為1.00 V～200.00 V，步長(zhǎng)為0.01 V；Ufset的整定范圍為1.00V～200.00V，步長(zhǎng)為0.01V。

圖3　防越級(jí)跳閘保護(hù)邏輯圖

2　保護(hù)裝置的硬件電路設(shè)計(jì)

2.1硬件電路的總體結(jié)構(gòu)

保護(hù)裝置的硬件電路設(shè)計(jì)采用模塊化設(shè)計(jì)思想，將整個(gè)電路分為微處理器模塊、電流/電壓輸入模塊、開關(guān)量輸入/輸出模塊、人機(jī)接口模塊、通信模塊、電源模塊等，其基本結(jié)構(gòu)框圖如圖4所示［8-9］。

微處理器模塊以32 bitARM處理器MB9BF618S為核心，MB9BF618S的主頻可達(dá)144MHz，內(nèi)部集成24通道12 bit A/D轉(zhuǎn)換器、2路以太網(wǎng)控制器、8個(gè)多功能串行口，16個(gè)基本定時(shí)器和3個(gè)多功能定時(shí)器，具有足夠多的I/O接口和快速處理數(shù)據(jù)能力，在電路中主要起參數(shù)設(shè)置、電流/電壓采集、電氣量計(jì)算、保護(hù)判斷、輸出控制等作用；電流/電壓輸入模塊的作用是利用電壓互感器和電流互感器完成對(duì)三相電壓和三相電流輸入信號(hào)的采集和變換；開關(guān)量輸入模塊的作用是采集斷路器的位置信號(hào)和接收級(jí)聯(lián)閉鎖輸入信號(hào)，開關(guān)量輸出模塊主要用于保護(hù)裝置的保護(hù)跳閘出口、信號(hào)告警出口和級(jí)聯(lián)閉鎖信號(hào)輸出；人機(jī)接口模塊用以保護(hù)裝置與外界進(jìn)行信息交互；通信模塊用以實(shí)現(xiàn)保護(hù)裝置之間、保護(hù)裝置與監(jiān)控主機(jī)之間的數(shù)據(jù)通信。

圖4　硬件電路設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)框圖

2.2電流/電壓輸入模塊設(shè)計(jì)

電流/電壓輸入模塊主要由電壓互感器、電流互感器和信號(hào)調(diào)理電路構(gòu)成。電流互感器和電壓互感器將輸電線路的三相電壓和電流信號(hào)變換成弱電信號(hào)，并將強(qiáng)電信號(hào)和弱電信號(hào)隔離；信號(hào)調(diào)理電路的作用是將互感器輸出的交流弱電信號(hào)轉(zhuǎn)換成直流信號(hào)，并進(jìn)行濾波，以供MB9BF618S內(nèi)部的A/D轉(zhuǎn)換器（輸入信號(hào)為0～5 V的電壓信號(hào)）使用。

電流/電壓輸入模塊電路設(shè)計(jì)的原理圖如圖5所示［10］。

圖5　電流/電壓輸入電路設(shè)計(jì)

圖5中的T1為100 A/20mA的電流互感器，T2為2mA/2mA的電流型電壓互感器。電流輸入信號(hào)經(jīng)過電流互感器T1和510Ω的電阻后（電壓信號(hào)經(jīng)過50 kΩ的電阻、電壓互感器和5.1 kΩ的電阻后），變換成10.2 V的正弦交流信號(hào)，然后經(jīng)過由6.2 kΩ和1 kΩ電阻構(gòu)成的分壓電路，將其變換成1.42 V，最后利用750Ω電阻和100 nF電容構(gòu)成的濾波電路進(jìn)行濾波，以消除高頻諧波的影響，并在1.5 V基準(zhǔn)電壓的作用下，將互感器輸出的正弦交流信號(hào)轉(zhuǎn)變成 0.08 V～2.92 V的直流信號(hào)，送入MB9BF618S內(nèi)部A/D轉(zhuǎn)換器的輸入端。

2.3開關(guān)量輸入/輸出模塊設(shè)計(jì)

開關(guān)量輸入/輸出模塊電路設(shè)計(jì)如圖6所示［11］。圖6中的DIIN表示開關(guān)量輸入信號(hào)開關(guān)，DIOUT表示開關(guān)量輸入電路的輸出端，DO表示開關(guān)量輸出信號(hào)，DOJA、DOJB表示輸出繼電器的線圈和常開觸點(diǎn)，TLP181為光電耦合器件。當(dāng)有外部開關(guān)量輸入信號(hào)時(shí)，DIIN閉合，24 V直流電源經(jīng)過DIIN、3.9 kΩ、680Ω和3.9 kΩ的電阻，680Ω電阻兩端的電壓驅(qū)動(dòng)TLP181導(dǎo)通，DIOUT端子輸出低電平（低電平表示開關(guān)量輸入信號(hào)有效）。當(dāng)保護(hù)裝置需要輸出控制信號(hào)時(shí)，DO變?yōu)榈碗娖剑琓LP181導(dǎo)通，在24 V直流電源的作用下，三極管導(dǎo)通，繼電器線圈DOJA得電，繼電器常開觸點(diǎn)DOJB閉合，外電路接通。

圖6　開關(guān)量輸入/輸出電路設(shè)計(jì)

2.4通信模塊電路設(shè)計(jì)

通信模塊電路是保護(hù)裝置與其它裝置之間實(shí)現(xiàn)運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)控、參數(shù)遠(yuǎn)程設(shè)置、閉鎖信號(hào)傳遞等數(shù)據(jù)通信功能的接口，包括RS485總線接口和以太網(wǎng)通信接口，RS485總線接口電路使用差分?jǐn)?shù)據(jù)收發(fā)器SN65LBC184D實(shí)現(xiàn)，以太網(wǎng)接口使用以太網(wǎng)物理層雙端收發(fā)器DP83849ID和網(wǎng)絡(luò)插座變壓器HR911105實(shí)現(xiàn)，其中DP83849ID的部分接口電路如圖7所示。圖7中的DP83849ID被設(shè)置為RMII （Reduced Medium Independent Interface）模式，使用數(shù)據(jù)信號(hào)發(fā)送線（TXD1、TXD0）、數(shù)據(jù)接收信號(hào)線（RXD1、RXD0）、數(shù)據(jù)發(fā)送使能信號(hào)（TX_EN）、接收數(shù)據(jù)有效信號(hào)/載波偵測(cè)信號(hào)（CRS_DV）等端口與MB9BF618S內(nèi)部的以太網(wǎng)控制器進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。

3　防越級(jí)跳閘保護(hù)的程序設(shè)計(jì)

保護(hù)裝置的軟件設(shè)計(jì)按照模塊化設(shè)計(jì)思想，將具有不同功能的模塊分別進(jìn)行編寫，采用C語言編程，其中防越級(jí)跳閘保護(hù)部分的程序設(shè)計(jì)流程如圖8所示。

圖7　DP83849ID接口電路設(shè)計(jì)

圖8　防越級(jí)跳閘保護(hù)程序流程圖

4　結(jié)論

保護(hù)裝置采用的基于Cortex-M3內(nèi)核的32位ARM處理器MB9BF618S，具有接口多、性能高、功耗低、成本低等優(yōu)點(diǎn)，大大提高了保護(hù)裝置的可靠性和經(jīng)濟(jì)性。保護(hù)裝置可以實(shí)現(xiàn)煤礦供電網(wǎng)短路保護(hù)的選擇性動(dòng)作，有效防止越級(jí)跳閘現(xiàn)象的發(fā)生。保護(hù)裝置在使用過程中，當(dāng)某一級(jí)保護(hù)裝置發(fā)生級(jí)聯(lián)閉鎖信號(hào)傳輸故障時(shí)，上一級(jí)保護(hù)裝置的定時(shí)限保護(hù)功能啟動(dòng)，盡可能縮小越級(jí)跳閘的范圍，提高了煤礦供電網(wǎng)的安全性和可靠性。

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張?zhí)禊i（1980-），男，河南南陽人，碩士，講師，主要研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)自動(dòng)化，zhangtp@ayit.edu.cn。

范秋鳳（1978-），女，河南安陽人，碩士，講師，主要研究方向電氣工程及其自動(dòng)化，fqf_god@163.com。

Developmentof Protection Device to PreventOverride Tripping in Power Supp ly Network of CoalM ines

ZHANG Tianpeng1，F(xiàn)AN Qiufeng1*，SHU Fangfang2
（1.Anyang Institute of Technology，Anyang He'nan 455000，China；2.XJELECTRICCO.，LTD，Xuchang He'nan 461000，China）

Based on theworking principle analysisof current longitudinal differentialprotection，and cascade blocking ofworking principle and protective logic for anti-override tripping，an anti-override tripping protection device is presented in considering the override trip in power supply network of coalmines.This protection device uses the 32-bit ARM processor MB9BF618Sas the core component，it is able tomonitor the transmission line status，to provide protection for the power supply network of coalmines.This protection device couldmeet the requirements of power supply system in coalmineson anti-override tripping protection and hashigher application value，which has the featuresofsimple structure，easy operation，and high reliability.

power supply network of coalmines；override trip；current longitudinaldifferential；cascade blocking

TD611；TM 774

A

1005-9490（2016）04-1015-05

2015-11-22修改日期：2016-01-10

EEACC:814010.3969/j.issn.1005-9490.2016.04.049