礦用變壓器保護系統的改造與應用

張 杰

（山西焦煤西山煤電官地礦機電科三電辦， 山西 太原 030002）

引言

我國當前煤礦生產已經全部進入綜采時代，主要依靠采煤機、掘進機、刮板輸送機等大型機電設備完成生產任務，可想而知電能對煤炭工作面的重要性。礦用變壓器的主要功能是將電網所提供的高電壓根據工作面機電設備的電壓等級進行降壓操作。變壓器的穩定運行是保證工作面大型機電設備穩定運行的基礎。在實際生產中，為了保證變壓器的穩定運行，確保其在運行中不出現故障和事故，常用繼電器保護裝置實現對變壓器的保護[1]。近年來，隨著工作面綜采設備生產能力的提升、功能的不斷豐富，傳統繼電器保護裝置已經無法適應當前綜采工作面機電設備的生產要求。因此，急需對礦用變壓器的繼電器保護裝置進行改造設計。

1 礦用變壓器保護系統現狀分析

本文以官地礦變電站所采用的主變繼電器保護裝置為研究對象。該變電站是供電電壓等級為6 kV。

官地礦所采用主變壓器的型號為SF7-20000/35，該變壓器所連接線路的總長度為6.6 km，擔負著礦井的供電任務。隨著官地礦綜采設備采煤能力、采煤技術以及采煤工藝的不斷進步，當前的繼電器保護裝置存在如下問題：

1）目前，與該主變壓器相配套的高壓柜采用過電流繼電器保護裝置，其能夠實現對高壓的速斷和過流保護。但是，在實際應用中發現繼電器保護裝置的耗能較大且控制精度較低，常出現機械部件卡死的現象，嚴重威脅高壓柜的可靠性和穩定性，從而降低了工作面的生產效率[2]。

2）繼電器保護裝置的接線過于復雜，而且大部分元器件長期暴露在外，在外界環境的風蝕、水分等影響下導致繼電器保護裝置的接觸點出現被氧化的現象進而出現接觸不良的事故發生，從而降低保護裝置的靈敏度和可靠性。

3）隨著工作面用電量和用電種類的增加，使得變壓器所需轉化電壓的等級更多，從而要求其保護裝置對電壓等級的分類越細。基于繼電器保護裝置無法對更多電壓的等級進行區分，往往導致實際應用中出現跳閘的事故發生。

4）隨著工作面供電情況復雜程度的不斷增加，傳統繼電器保護裝置的靈敏度和選擇性無法滿足實際生產需求，無法對其配套設備進行監測。

綜上所述，繼電器保護裝置已經無法適應當前自動化水平高、產煤效率高、供電量和供電種類增加的現狀。在綜合分析當前工業生產中常用的保護裝置，官地礦擬采用微機式保護系統實現對繼電器保護裝置的改造。

2 礦用變壓器保護系統的改造設計

2.1 礦用變壓器保護系統的總體改造思路

為了確保對變壓器保護系統改造的有效性，要求微機保護系統除了滿足繼電器保護裝置的功能外，要求其能夠實現如下功能：瓦斯保護、電流速斷保護、縱聯差動保護、過電流保護、零序電流保護、過載保護、過勵磁保護以及非電量保護等[3]。將微機保護系統在主變壓器中的應用，實現對繼電器保護裝置的改造，主要從硬件和軟件兩個維度闡述。

2.2 微機保護系統的硬件設計

2.2.1 微機保護系統硬件的總體設計

微機保護系統各個模塊采用插件式結構組成為一體，在需求分析的基礎上設計如下頁圖1所示的微機保護系統硬件結構示意圖。

如圖1所示，微機保護系統采用雙CPU的結構形式，一套CPU系統為實現對變壓器的主保護和后備保護功能；另一套CPU主要功能為監控，且兩套CPU的處理器均為DSP數字處理器。其中，保護CPU能夠完成采樣模數轉換、數字濾波以及保護算法的實現等功能；監控CPU主要實現上位機與下位機的通信（RS232和RS485）、人機界面的實現（液晶顯示器和鍵盤）等。

圖1 微機保護系統硬件結構示意圖

雙CPU系統所采用DSP數字控制器的芯片類型為TMS320LF2407。

2.2.2 信號采集電路的設計

根據采樣原理，可將采樣所得信號的類型分為直流采樣和交流采樣。其中，直流采樣的成本較大且后期維護困難，更重要的是其無法實現對現場參數的實時采集；交流采樣具有較好的實時性且后期維護方便[4]。因此微機保護系統對現場信號采用交流采樣的方式完成，其對應的交流采樣電路設計如圖2所示。

圖2 交流采樣電路示意圖

2.2.3 開關量輸入輸出電路的設計

當變壓器在運行中出現故障時，需對現場設備進行控制，此時微機保護系統將以開關量的形式進行控制。但是，并不能夠直接將開關量信號與微機進行通信，中間還需經專用的電路轉換電路才行。為此，為微機保護系統與開關量的通信設計專用的轉換電路，該電路示意圖如圖3所示。

圖3 開關量轉換電路

2.3 微機保護系統的軟件設計

微機保護系統中含有雙CPU結構，包含有保護CPU和監控CPU。因此，需為微機保護系統的保護和監控功能的程序分別進行設計。

1）保護功能的主程序設計。微機保護系統中保護CPU根據主程序在固定采樣周期內進行模擬量的采集和濾波、開關控制量的采集以及設備的自檢等。通過對所采集信息和參數進行判斷后決定是否具備啟動條件，從而進入正常運行程序和故障計算程序。根據控制需求，完成對主程序流程的設計。

2）監控功能的程序設計。微機保護系統中的監控功能主要對數字控制器的運行狀態進行監測和控制，基于該程序完成對測試結果進行分析，完成對數字控制器的參數設置、故障分析和定值操作等功能。而且，當監測到數字控制運行出現故障時基于其中斷程序實現系統與DSP之間的通信[5]。

3 微機保護系統的應用效果分析

為驗證微機保護系統在礦用變壓器保護功能的性能，著重對保護系統中的速斷保護性能進行驗證。速度保護性能為當變壓器電流超過其整定值時，對其進行速斷操作。針對速斷性能驗證結果如表1所示。

表1 微機保護系統速斷保護性能驗證結果

如表1所示，微機保護系統速斷的實際電流值與整定電流值之間的誤差均小于3%，滿足《煤炭安全規程》的要求，即證明所設計微機保護系統的有效性。

4 結語

變壓器作為煤礦生產的關鍵設備，其運行的穩定性和可靠性直接決定著綜采機電設備運行的穩定性，進而決定工作面煤炭的生產效率。隨著工作面供電量以及供電電壓種類的增加，加之其供電系統的復雜性對其保護系統提出了更高的要求和挑戰。本文針對官地礦繼電器保護系統采用微機保護系統對其進行改造。經實踐表明，微機保護系統能夠實現對礦用變壓器的有效保護。