礦用移動變電站低壓饋電開關測控系統設計

韓志勇

摘要：為提高煤礦低壓供電系統的可靠性，避免測控系統的誤動作，設計了一種適用于井下低壓饋電開關的測控裝置。介紹了采區低壓供電系統的供電方式和真空饋電開關的結構和工作原理，分析了測控系統保護原理，給出了基于雙DSP結構的測控系統軟件設計方案，分別設計了測控DSP軟件和管DSP軟件。試驗和應用結果表明該測控裝置數據準確，可靠性高，達到了設計要求。

關鍵詞：饋電開關;微機控制;移動變電站

中圖分類號：TM76 文獻標志碼：A 文章編號：1009—9492（2021）03—0189—03

0引言

近些年來，隨著煤礦井下生產設備容量的增大及采掘范圍的擴大，煤礦井下供電系統的供電容量和供電距離逐漸提高。另一方面，井下環境潮濕且空氣中含有瓦斯、煤塵等易燃易爆物質，極易誘發短路等故障，井下配電系統的安全性和可靠性受到了挑戰。作為井下饋電線路的主保護，移動變電站真空防爆饋電開關測控系統顯得至關重要，測控系統從傳統的保護裝置發展為現在以單片機、數字信號處理器和嵌入式控制器為核心的微機保護。目前我國大部分測控裝置存在靈敏度和保護范圍相互制約的缺點，動作整定復雜。本文研究了一種基于雙DSP結構的低壓真空饋電開關測控系統，試驗和應用結果表明該測控裝置數據準確，可靠性高，達到了設計要求。

1移動變電站饋電開關

采區變電所的位置一般是固定的，其通過高壓電纜和高壓開關向各移動變電站供電，井下電網結構呈放射狀，10 kV或6kV高壓電經移動變壓器降壓后，向總饋電開關K0和各分饋電開關K1、K2、K3配電，分別向采煤機、掘進機、運輸機配電，移動變電站饋電開關系統圖如圖1所示。

從圖1可以看出，饋電開關是整個井下供電系統的重要組成設備，當饋電線路或各用電設備發生過載、漏電、短路和欠壓等故障的情況時，饋電開關起到切除故障設備、隔離故障點，避免故障擴大發生爆炸、火災等嚴重安全事件的作用。一套真空饋電開關及其測控系統可分為主電路、控制電路和保護電路：主電路包括斷路器真空管及其連接負荷側和電源側的導電銅牌，額定電流為630 A，額定電壓為1140V;控制電路包括組合開關、輔助觸點、繼電器線圈等，當檢測到故障時，控制電路能夠在規定時間內驅動斷路器跳閘，控制回路的電源由主電路經降壓變壓器和整流器變換后提供，無需外接電源;保護電路指的是以DSP為核心的綜合保護裝置，其功能為故障檢測、數據存儲和遠方通信等。

2保護原理

根據《煤礦安全規程》相關規定和井下低壓電網的故障特征，饋電開關測控系統需要具備的基本保護功能有過流保護、短路保護、漏電保護和欠壓保護等?？傪侂婇_關測控系統結構如圖2所示，主電路高電壓、大電流經電流互感器和降壓變壓器轉換為信號采樣電路的低電壓、小電流信號，信號處理模塊接收采樣電路的輸出信號后，對此時饋電開關的狀態進行判斷，如果發生故障，向驅動發出跳閘信號，操作機構動作，跳開總饋電開關，并通過指示燈和蜂鳴器發出聲光報警。具體原理如下。

（1）過流保護。過流保護又稱為過載保護，指的是電網長期運行在額定電流以上，電纜、開關或用電設備會不斷積累熱量而觸發的保護動作。一方面，由于流過饋電開關的電流變化較大;另一方面，電氣設備熱量的積累為緩慢的過程，所以過流保護的設計要考慮熱量累計效應。過流保護的原理：檢測流過總饋電開關電流的幅值，如果被測電流大于額定電流，則在一定時間內動作跳閘，采用反時限原理，動作時間與過載倍數呈反比。本文設計的過載保護特性：過載1.2倍的動作時間為25 min，過載1.5倍的動作時間為3min，過載2倍的動作時間為90s，過載4倍的動作時間為45s，過載6倍的動作時間為8s。

（2）短路保護。由于井下環境潮濕、絕緣損傷等原因，井下低壓系統的不等電位會發生短接。短路保護分為對稱短路和不對稱短路，三相短路發生時三相電流急劇增大，這是最嚴重的短路狀態，因此要求保護裝置立即動作，三相短路的故障特征為三相對稱且功率因數高，考慮到保護范圍和保護靈敏度要求，三相短路采用相敏保護原理。兩相短路、單向斷線和單相接地均屬不對稱短路，不對稱短路的故障特征是故障電流中存在負序電流和零序電流，因此采用負序保護原理。

（3）漏電保護。井下低壓系統的電纜容易發生單相接地或漏電故障，極易發生人身觸電和瓦斯爆炸?！睹旱V安全規程》規定：不允許井下配電變壓器中性點接地運行，因此漏電保護針對中性點絕緣系統。漏電保護采用附加直流電源檢測原理，在電網與地之間附加一個恒定的直流電壓源，當電網發生不同類型的漏電故障時，直接反映在三相絕緣電阻并聯值上，進而反映在直流電流，的變化上，漏電保護的原理如圖3所示。

（4）欠壓保護。當系統出現短路時，供電電壓會出現暫降，欠壓時系統重載會引起過電流或者電機處于持續啟動階段，導致電流沖擊電源和用電設備，因此電壓跌落幅度達到額定電壓的25%以上，要求在規定時間內欠壓保護動作跳閘。欠壓保護的檢測原理：電壓互感器二次側電壓整流為直流電壓，經濾波后作為控制器輸入信號，此直流電壓信號與主電路交流電壓有效值成正比，比較直流電壓信號與值，如果低于給定值75%，則發出動作跳閘信號。

3系統軟件功能模塊

測控系統軟件框架如圖4所示，根據兩個不同控制器功能劃分，分為測控DSP軟件和管理DSP軟件兩部分。測控DSP軟件的功能以數據采集和處理為主，包括測控主程序模塊、自檢模塊、數據處理模塊、數據采集模塊、算法模塊和數據交換模塊。管理DSP軟件的功能以人機交互和通訊為主，包括管理主程序模塊、液晶屏顯示模塊、通訊模塊、鍵盤管理模塊、時鐘模塊和數據交換模塊。

保護原理的軟件實現是整個軟件部分的核心程序，圖5所示為漏電保護和負序保護流程圖。漏電保護程序開始后，讀取零序電流，將其移相90°，計算有功功率P，若有功功率為正，則發出“漏電故障”信號。負序保護程序開始后，計算負序電流I，若I大于，I，則發出“不平衡故障”信號。

4試驗結果及應用分析

對真空饋電開關測控系統進行了斷相故障、短路故障和過載故障試驗。試驗饋電開關的額定電流為180A，通過負序信號250A模擬斷相故障，通過升流器給定10倍額定電流模擬短路故障，過載故障同樣通過升流器實現，故障試驗數據如表1所示，通過規定動作時間和試驗跳閘時間比較可知，該測控系統能夠實現短線、短路和過載的保護。

經過實際運行一段時間，本系統能夠發揮微機保護動作可靠、性能穩定的優點，過載故障發生時，動作延時符合要求，避免了熱量積累效應。短路故障發生時動作靈敏，漏電保護迅速可靠，提高了井下低壓供電系統的安全性和可靠性。

5結束語

礦用移動變電站低壓真空饋電開關測控系統控制板采用雙DSP控制器結構，軟件設計時將測控系統和管理系統分別開發，提高了系統軟硬件的開發和維護效率，將本裝置應用于井下低壓供電系統，能夠對過載、短路、漏電和欠壓進行動作保護，各類故障判斷準確，動作時間符合要求，提高了井下低壓供電系統的安全性和可靠性。