新型煤礦供電網(wǎng)防越級跳閘保護裝置的研制

張?zhí)禊i，范秋鳳*，束芳芳（.安陽工學院，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)防越級跳閘保護裝置的研制

張?zhí)禊i1，范秋鳳1*，束芳芳2
（1.安陽工學院，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)越級跳閘現(xiàn)象為研究對象，在分析電流縱聯(lián)差動保護、級聯(lián)閉鎖工作原理和防越級跳閘保護邏輯的基礎上，介紹了一種煤礦供電網(wǎng)防越級跳閘保護裝置的研制過程。保護裝置以32位ARM處理器MB9BF618S為控制核心，可以實時檢測供電網(wǎng)輸電線路的工作狀態(tài)，對輸電線路故障進行有效的保護。該保護裝置具有結構簡單、操作方便、可靠性高等特點，能夠滿足煤礦供電網(wǎng)防越級跳閘保護的要求，具有較高的應用價值。

煤礦供電網(wǎng)；越級跳閘；電流縱聯(lián)差動；級聯(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，建設可靠、穩(wěn)定的供電網(wǎng)是煤礦建設的關鍵任務之一。但因為煤礦生產(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控制干線式縱向網(wǎng)絡。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，當線路發(fā)生短路故障時，線路首端與線路末端的短路電流相差很小，導致相鄰各級微機保護裝置能夠同時檢測到故障電流［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，從而不能構成有效的縱向選擇性短路保護系統(tǒng)，引起“越級跳閘”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］。本文結合當前常用的煤礦供電網(wǎng)防越級跳閘保護方案的特點，提出了一種基于電流縱聯(lián)差動保護和級聯(lián)閉鎖相結合的保護方案，實現(xiàn)對煤礦井下供電網(wǎng)越級跳閘的防護。

1　保護原理和保護邏輯

1.1電流縱聯(lián)差動保護

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

圖1　電流縱聯(lián)差動保護示意圖

當線路正常運行或被保護線路MN外部K1點發(fā)生短路故障時，在理想情況下，通過線路M、N兩側的電流IM和IN的大小相等、方向相同，通過電流互感器兩次側的電流Im和In大小相等、方向相反，流入差動繼電器KD的電流為電流互感器兩次側電流之差，即

式（1）中的NTA表示電流互感器的變比。

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

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

1.2級聯(lián)閉鎖工作原理

級聯(lián)閉鎖是將具有縱聯(lián)關系的保護裝置連接起來，通過設置時間級差使各級保護裝置的動作時間錯開，當線路發(fā)生短路故障時，任何檢測到故障電流的保護裝置，在進行保護動作之前迅速向上一級保護裝置發(fā)出閉鎖信號，上級保護裝置利用收到的閉鎖信號快速閉鎖本身的保護功能，并向更上一級保護裝置發(fā)出閉鎖信號，從而實現(xiàn)選擇性跳閘，避免越級跳閘［6-7］。級聯(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)差動保護的工作原理，可以判斷短路故障發(fā)生在斷路器QF4之外，斷路器QF4的保護裝置在動作之前向斷路器QF3的保護裝置發(fā)出閉鎖信號，斷路器QF3的保護裝置在收到閉鎖信號后，將向斷路器QF2的保護裝置發(fā)出閉鎖信號，如此環(huán)環(huán)相扣，收到閉鎖信號的保護裝置將不會發(fā)出保護跳閘動作指令，從而防止了斷路器QF3、QF2、QF1的保護裝置先于斷路器QF4的保護裝置動作，避免了越級跳閘現(xiàn)象的發(fā)生?？紤]到斷路器QF4可能拒動，斷路器QF4的保護裝置發(fā)給上級保護裝置的閉鎖信號經(jīng)過相應的延時時間后會自動解除，此時由斷路器QF3的保護裝置動作，發(fā)出保護跳閘指令，切除故障線路。

圖2　級聯(lián)閉鎖基本工作原理

1.3保護邏輯

防越級跳閘保護功能的啟用由保護軟壓板控制，當保護軟壓板投入時，保護功能啟動；當保護軟壓板退出時，保護功能禁止，其保護邏輯如圖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)差動保護動作的整定值，Umin表示線路中線電壓的最小值，Ulset表示低電壓閉鎖值，U2表示線路中負序電壓值，Ufset表示負序電壓閉鎖值，Tdy表示保護動作時間整定值。復壓閉鎖包括低電壓閉鎖和負序電壓閉鎖，其主要作用是防止因變壓器過載而引起的誤動作，提高短路故障時保護出口的靈敏度。低電壓閉鎖Ulset和負序電壓閉鎖值Ufset可以整定。在設計時，Iset的整定范圍為0.05 A～200.00 A，步長為0.01 A；Tdy的整定范圍為0～200 s，步長為0.01 s；Ulset的整定范圍為1.00 V～200.00 V，步長為0.01 V；Ufset的整定范圍為1.00V～200.00V，步長為0.01V。

圖3　防越級跳閘保護邏輯圖

2　保護裝置的硬件電路設計

2.1硬件電路的總體結構

保護裝置的硬件電路設計采用模塊化設計思想，將整個電路分為微處理器模塊、電流/電壓輸入模塊、開關量輸入/輸出模塊、人機接口模塊、通信模塊、電源模塊等，其基本結構框圖如圖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個多功能串行口，16個基本定時器和3個多功能定時器，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)設置、電流/電壓采集、電氣量計算、保護判斷、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三相電壓和三相電流輸入信號的采集和變換；開關量輸入模塊的作用是采集斷路器的位置信號和接收級聯(lián)閉鎖輸入信號，開關量輸出模塊主要用于保護裝置的保護跳閘出口、信號告警出口和級聯(lián)閉鎖信號輸出；人機接口模塊用以保護裝置與外界進行信息交互；通信模塊用以實現(xiàn)保護裝置之間、保護裝置與監(jiān)控主機之間的數(shù)據(jù)通信。

圖4　硬件電路設計結構框圖

2.2電流/電壓輸入模塊設計

電流/電壓輸入模塊主要由電壓互感器、電流互感器和信號調(diào)理電路構成。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變換成弱電信號，并將強電信號和弱電信號隔離；信號調(diào)理電路的作用是將互感器輸出的交流弱電信號轉(zhuǎn)換成直流信號，并進行濾波，以供MB9BF618S內(nèi)部的A/D轉(zhuǎn)換器（輸入信號為0～5 V的電壓信號）使用。

電流/電壓輸入模塊電路設計的原理圖如圖5所示［10］。

圖5　電流/電壓輸入電路設計

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。電流輸入信號經(jīng)過電流互感器T1和510Ω的電阻后（電壓信號經(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，然后經(jīng)過由6.2 kΩ和1 kΩ電阻構成的分壓電路，將其變換成1.42 V，最后利用750Ω電阻和100 nF電容構成的濾波電路進行濾波，以消除高頻諧波的影響，并在1.5 V基準電壓的作用下，將互感器輸出的正弦交流信號轉(zhuǎn)變成 0.08 V～2.92 V的直流信號，送入MB9BF618S內(nèi)部A/D轉(zhuǎn)換器的輸入端。

2.3開關量輸入/輸出模塊設計

開關量輸入/輸出模塊電路設計如圖6所示［11］。圖6中的DIIN表示開關量輸入信號開關，DIOUT表示開關量輸入電路的輸出端，DO表示開關量輸出信號，DOJA、DOJB表示輸出繼電器的線圈和常開觸點，TLP181為光電耦合器件。當有外部開關量輸入信號時，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TLP181導通，DIOUT端子輸出低電平（低電平表示開關量輸入信號有效）。當保護裝置需要輸出控制信號時，DO變?yōu)榈碗娖剑琓LP181導通，在24 V直流電源的作用下，三極管導通，繼電器線圈DOJA得電，繼電器常開觸點DOJB閉合，外電路接通。

圖6　開關量輸入/輸出電路設計

2.4通信模塊電路設計

通信模塊電路是保護裝置與其它裝置之間實現(xiàn)運行狀態(tài)監(jiān)控、參數(shù)遠程設置、閉鎖信號傳遞等數(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數(shù)據(jù)收發(fā)器SN65LBC184D實現(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)絡插座變壓器HR911105實現(xiàn)，其中DP83849ID的部分接口電路如圖7所示。圖7中的DP83849ID被設置為RMII （Reduced Medium Independent Interface）模式，使用數(shù)據(jù)信號發(fā)送線（TXD1、TXD0）、數(shù)據(jù)接收信號線（RXD1、RXD0）、數(shù)據(jù)發(fā)送使能信號（TX_EN）、接收數(shù)據(jù)有效信號/載波偵測信號（CRS_DV）等端口與MB9BF618S內(nèi)部的以太網(wǎng)控制器進行數(shù)據(jù)交換。

3　防越級跳閘保護的程序設計

保護裝置的軟件設計按照模塊化設計思想，將具有不同功能的模塊分別進行編寫，采用C語言編程，其中防越級跳閘保護部分的程序設計流程如圖8所示。

圖7　DP83849ID接口電路設計

圖8　防越級跳閘保護程序流程圖

4　結論

保護裝置采用的基于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，大大提高了保護裝置的可靠性和經(jīng)濟性。保護裝置可以實現(xiàn)煤礦供電網(wǎng)短路保護的選擇性動作，有效防止越級跳閘現(xiàn)象的發(fā)生。保護裝置在使用過程中，當某一級保護裝置發(fā)生級聯(lián)閉鎖信號傳輸故障時，上一級保護裝置的定時限保護功能啟動，盡可能縮小越級跳閘的范圍，提高了煤礦供電網(wǎng)的安全性和可靠性。

［1］ 許丹，易曉鄭.煤礦井下6 kV供電系統(tǒng)防越級跳閘方案研究［J］.煤炭工程，2013，45（10）：24-25.

［2］ 董小秋，張偉.基于閉鎖控制的煤礦供電系統(tǒng)防越級跳閘新方案［J］.中州煤炭，2013（11）：14-16.

［3］ 王建文.防越級跳閘在煤礦供電系統(tǒng)的應用［J］.山西焦煤科技，2014（2）：51-53.

［4］ 馬星河，馬星煊，王永勝.基于數(shù)字化變電站技術的煤礦井下防越級跳閘方案研究［J］.煤礦機電，2013（5）：1-4.

［5］ 史麗萍，趙萬云，蔣朝明，等.煤礦井下防越級跳閘方案［J］.煤礦安全，2012，43（8）：115-117.

［6］ 羅娟，贠保記，雷富坤.防止煤礦供電越級跳閘新方法的研究［J］.西安科技大學學報，2014，34（1）：62-66.

［7］ 陳帥，于群，于夢瑤，等.基于C8051F020的煤礦防越級跳閘保護裝置的設計［J］.煤礦機電，2014（6）：20-25.

［8］ 張海波，胡大可.低成本高速率傳感器網(wǎng)絡的設計與實現(xiàn)［J］.傳感技術學報，2010，23（5）：732-737.

［9］ 張?zhí)禊i，翟亞芳，郝申軍.低壓電動機熱過載保護裝置的研究與設計［J］.電力系統(tǒng)保護與控制，2015，43（13）：100-106.

［10］劉洪星，翟亞芳，吳戰(zhàn)偉.低壓三相電動機多功能保護裝置的設計與應用［J］.電力系統(tǒng)保護與控制，2014，42（15）：100-106.

［11］張?zhí)禊i，翟亞芳，張修太，等.基于MB9BF618S的高壓電機微機保護裝置設計［J］.鄭州大學學報（理學版），2015，47（3）：110-115.

［12］馮星輝，張修太，翟亞芳.智能型低壓電動機保護裝置的研究與設計［J］.電子器件，2015，38（3）：671-675.

張?zhí)禊i（1980-），男，河南南陽人，碩士，講師，主要研究方向為電力系統(tǒng)自動化，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