煤礦低壓饋電開關智能保護技術研究

朱宏博

（晉能控股煤業(yè)集團，山西 大同037003）

引言

在煤礦開采過程中，低壓配電系統(tǒng)經(jīng)常出現(xiàn)負荷端的切入與切出，同時由于配電電線自身的絕緣性問題、維修人員操作不當都會引發(fā)低壓配電網(wǎng)出現(xiàn)漏電、短路、過載以及欠電壓等。如不能及時將故障排除，將出現(xiàn)線路被擊穿故障，進而造成嚴重的電路故障。鑒于配電電網(wǎng)出現(xiàn)的問題，設計一套礦用低壓饋電開關智能保護系統(tǒng)，以對低壓配電電網(wǎng)中出現(xiàn)的短路、漏電以及過載等進行檢測，當出現(xiàn)故障時可以進行跳閘保護，同時可以切出故障，以有效提高供電系統(tǒng)的安全性。

1 煤礦井下低壓配電網(wǎng)常見故障分類

1）漏電故障：經(jīng)過實地調(diào)查發(fā)現(xiàn)在工作位置出現(xiàn)墜落物砸壞電纜或者擠壓損壞絕緣層從而導致故障，通常使用附加直流以及零序電流的方式進行檢測。

2）短路故障：通常對于三相短路而言，其屬于對稱短路故障，一般選用相敏檢測方式，而對于不對稱檢測而言，其包括兩相短路、單相接地短路、兩相接地短路，其往往可以產(chǎn)生負序電流分量，故可以采用負序檢測方法。

3）斷相故障：主要是指饋電開關接線端子掉線引起不良的通斷現(xiàn)象，其也屬于不對稱現(xiàn)象，因此可以選用負序檢測方法。

4）過載故障：當工作電流超過了正常值，假如煤礦井下低壓電網(wǎng)出現(xiàn)嚴重的不對稱、負載過多等現(xiàn)象，那么線路就會出現(xiàn)過載故障，對與此類型的故障可以選用反時限檢測。

5）過電壓：可以劃分為內(nèi)外部電壓，其中內(nèi)部過電壓主要是指系統(tǒng)中存在的操作故障，而外部則是由雷電引起的。

6）欠電壓：主要是來源于短路故障，當線路出現(xiàn)故障時，電壓將會出現(xiàn)短暫的下降，可以選用鑒幅式檢測。

2 低壓饋電開關智能保護系統(tǒng)總體設計方案

圖1表示煤礦低壓饋電開關智能保護系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要包括如下幾個單元：上位機、多個低壓饋電開關、多個智能保護器。其中，核心單元為智能保護器，包括如下幾個子單元：微控制器、開關量、有功功率檢測單元、故障保護采集、液晶顯示單元以及相應的電源管理等[1-2]。

圖1 低壓饋電開關智能保護系統(tǒng)總體方案

3 硬件電路設計與選型

3.1 控制器PLC選擇

依據(jù)該系統(tǒng)的功能需要，本設計的主控制器選用西門子57-300系列PLC，該系統(tǒng)具有性能穩(wěn)定、便于操作、響應快以及坑干擾性強等優(yōu)點。與此同時，中央處理器單元反應速度快，能夠滿足系統(tǒng)的需要，而處理器的型號為CPU315-2DP。在該系統(tǒng)中，保護系統(tǒng)的模擬量比較多，分別有模擬輸入與輸出，對應型號為SM331、SM332。與此同時，系統(tǒng)供電電源選用PS307。

3.2 不對稱故障保護設計

當電路處于故障狀態(tài)時，由于兩相短路屬于不對稱故障，因此可以選用負序電流進行檢測，從而可以通過負序電流的數(shù)值來判斷兩相短路故障。為了能夠有效檢測到不對稱故障負序電流分量，設計負序電流提取電路，圖2表示負序電流提取的硬件電路圖。通過分析圖2可以發(fā)現(xiàn)，為了能夠得到三相電流的負序電流分量，這時保護電路可以將A相電壓UIA超前120°，B相電壓UIB保持不變，C相則滯后120°。接著，可以將得到的電壓值進行相加，對莫逆電流值進行整流，最后輸送給模擬單元。UIA、UIB、UIC表示三相電流輸送給電流互感器轉換之后小電壓信號。

圖2 負序電流提取的硬件框圖

3.3 過壓、欠壓保護電路設計

由于過電壓與欠電壓的漏電形式選擇鑒幅式檢測原理，也就是將采集到的電網(wǎng)電壓與設定的電壓值進行對比，假如測定的電壓低于設定值，那么表明是欠電壓，假如測定的電壓高于設定值，那么表明是過電壓。在PLC接收到采樣電壓之后，與額定電壓進行比較，判定為欠電壓，與此同時設定能夠保護系通過的額定電壓。電信號傳輸給PLC之前必須對其進行整流濾波，以及轉化成為模擬信號，圖3表示相應的線電壓整流濾波采集電路，Uab表示相應的低壓電網(wǎng)線電壓通過電壓互感器轉換后的電壓，Uout表示相應的輸出電壓[3-4]。

圖3 線電壓整流濾波采集電路

4 下位機程序設計

在設計時選用西門子公司的STEP7 V5.4軟件，程序選用梯形圖。同時程序選用模塊化的思想，主程序控制下位機，以及完成對各個子程序的調(diào)用，實現(xiàn)電網(wǎng)參數(shù)的檢測、運算以及顯示，從而實現(xiàn)判斷故障以及跳閘保護功能。圖4為該系統(tǒng)主程序監(jiān)控流程圖[5]。

圖4 智能保護系統(tǒng)的主程序監(jiān)控流程

5 結論

低壓饋電開關智能保護系統(tǒng)以PLC為控制系統(tǒng)核心，同時對各個模塊進行調(diào)用，因此可以實現(xiàn)對低壓配電網(wǎng)的全實時動態(tài)檢測以及相應的保護，防止電路出現(xiàn)大規(guī)模的故障，從而可以有效地提高供電系統(tǒng)的穩(wěn)定性。