井下6KV供電系統(tǒng)常見故障及其綜合保護(hù)器設(shè)計(jì)

山東能源集團(tuán)棗礦集團(tuán)蔣莊煤礦機(jī)電運(yùn)輸科 韓套輪

山東三河口礦業(yè)有限責(zé)任公司 孫德福

介紹了煤礦井下6KV供電系統(tǒng)在運(yùn)行過程中會(huì)出現(xiàn)的幾種故障及其保護(hù)原理，并設(shè)計(jì)了高壓防爆開關(guān)綜合保護(hù)器，給出了硬件和軟件上的設(shè)計(jì)方法。在抗干擾方面，也進(jìn)行了相應(yīng)的設(shè)計(jì)介紹。該綜合保護(hù)器具有保護(hù)動(dòng)作可靠、快速等優(yōu)點(diǎn)，對提高目前井下高壓供電系統(tǒng)的安全性具有很高的價(jià)值。

1 引言

目前我國部分煤礦企業(yè)采用了6kV小電流接地高壓供電系統(tǒng)，變壓器中性點(diǎn)不接地，或者經(jīng)消弧線圈接地，由地面變電所、井下中央變電所和采區(qū)變電所組成。而且隨著煤炭工業(yè)的發(fā)展和采煤自動(dòng)化技術(shù)的不斷提高,對煤礦井下供電系統(tǒng)的可靠性、安全性和連續(xù)性提出了越來越高的要求（石柏虎,煤礦井下高壓供電監(jiān)控系統(tǒng)研究[D],山東大學(xué),2012）。因此高壓防爆開關(guān)綜合保護(hù)器的設(shè)計(jì)非常重要和有意義。本文認(rèn)真地分析了低壓電網(wǎng)中漏電、短路、過載、過壓與欠壓等礦井高壓開關(guān)保護(hù)系統(tǒng)中常見故障,并介紹了相應(yīng)的故障檢測原理，設(shè)計(jì)了一種具有可靠性高、抗干擾能力強(qiáng)、方便操作、人機(jī)交互等功能的高壓防爆開關(guān)綜合保護(hù)器②。

2 井下供電系統(tǒng)常見故障

2.1 短路故障及其保護(hù)

短路就是不同電位的導(dǎo)電部分之間的低阻性短接，如相間短路、相與地之間短路等。煤礦井下一旦發(fā)生短路故障，較易引發(fā)嚴(yán)重的事故。因此短路保護(hù)是煤礦井下供電系統(tǒng)中的重要保護(hù)，不可或缺。傳統(tǒng)的短路保護(hù)采用鑒幅式繼電保護(hù)或電子式保護(hù)，其保護(hù)整定誤差大，動(dòng)作時(shí)間長，可靠性較低，遠(yuǎn)不能滿足現(xiàn)代化煤礦供電保護(hù)系統(tǒng)。

因此本設(shè)計(jì)的短路保護(hù)選擇相敏短路保護(hù)，它是采用功率因數(shù)檢測的原理。這是因?yàn)槊旱V井下的負(fù)載均為感性特性，即在大型電機(jī)啟動(dòng)時(shí)，電流值和功率因數(shù)呈現(xiàn)反比例關(guān)系，當(dāng)它的電流值較大，功率因數(shù)就很低，一般cosφ不超過0.5；但是當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)短路故障時(shí)，線路的功率因數(shù)值卻很高，基本達(dá)到0.9以上。相敏保護(hù)的保護(hù)特性如圖1所示.圖中3區(qū)是鑒相、鑒幅兩者相結(jié)合的短路保護(hù)，2區(qū)是只有鑒相短路保護(hù)，1區(qū)是只有鑒幅保護(hù)電路（唐會(huì)祥,侯坤,金小強(qiáng).基于RTOS的高壓防爆開關(guān)智能綜合保護(hù)器[J].煤礦機(jī)電,2008(6):93-97）。由圖分析可知，3區(qū)要明顯優(yōu)于1區(qū)和2區(qū)，因?yàn)?區(qū)和2區(qū)均存在保護(hù)死區(qū)的現(xiàn)象。

圖1 鑒相鑒幅保護(hù)特性

相敏保護(hù)的特性函數(shù)為：

可見，只要常數(shù)C的值大小適當(dāng)，保護(hù)區(qū)域都比單獨(dú)鑒幅和鑒相的保護(hù)區(qū)大。采用相敏保護(hù)，即使變壓器出口短路，功率因數(shù)很小，但是由于電流值很大，只要選擇合適的常數(shù)C，保護(hù)裝置也能可靠動(dòng)作。因此由于相敏保護(hù)只從兩個(gè)電氣參量進(jìn)行取樣，不僅有靈敏度高的特點(diǎn)，其動(dòng)作可靠性也很高。

2.2 越級跳閘

越級跳閘也是煤礦井下常發(fā)生的事故之一，而且嚴(yán)重的情況下會(huì)導(dǎo)致井下出現(xiàn)大面積停電，使煤礦生產(chǎn)系統(tǒng)陷入癱瘓。

井下發(fā)生越級跳閘的原因包括以下幾個(gè)：

（1）當(dāng)下級回路短路電流較大時(shí)，超過上級保護(hù)裝置的速斷整定值，就會(huì)同時(shí)啟動(dòng)跳閘保護(hù)。

（2）開關(guān)機(jī)構(gòu)機(jī)械原因。存在延遲跳閘，導(dǎo)致上一級的后備保護(hù)動(dòng)作越級跳閘。

（3）整定值設(shè)置不當(dāng)。計(jì)算出的整定值不夠準(zhǔn)確，或者不能隨情況進(jìn)行相應(yīng)地調(diào)整。

（4）保護(hù)裝置受到周圍環(huán)境或者自身壽命的影響，從而出現(xiàn)誤動(dòng)作。針對越級跳閘，結(jié)合技術(shù)和現(xiàn)場運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，有的學(xué)者在必要的線路上加裝電抗器，使得短路電流在兩級線路之間差距加大，避免縱向的越級跳閘事故；有的學(xué)者對重要負(fù)荷供電時(shí)采取獨(dú)立或者雙回路的方式；有的學(xué)者在容易發(fā)生越級跳閘的線路段，讓進(jìn)線開關(guān)的主保護(hù)采用帶有一定延時(shí)的過流保護(hù)；還有提出盡量避免電源的并列運(yùn)行。

本文設(shè)計(jì)采用如圖2所示的設(shè)計(jì)方案，即在每一級綜合保護(hù)裝置中，短路保護(hù)除末端外均設(shè)有10ms的延時(shí)，在延時(shí)階段，下級保護(hù)裝置將故障信息傳輸?shù)缴霞壉Ｗo(hù)裝置中。例如在K3點(diǎn)發(fā)生短路故障，該級綜合保護(hù)裝置將故障信息K32和K31通過CAN口通信傳輸?shù)缴霞壘C合保護(hù)裝置中。同理K2點(diǎn)發(fā)生短路故障后，該級保護(hù)裝置將故障信息傳輸?shù)缴霞壉Ｗo(hù)裝置中。當(dāng)上級保護(hù)裝置接到下級保護(hù)裝置發(fā)送過來的故障信息時(shí)，就會(huì)相應(yīng)的作出延遲，防止越級跳閘，提高保護(hù)裝置的可靠性。

圖2 6kV高壓供電系統(tǒng)

2.3 過載故障及其保護(hù)

當(dāng)電機(jī)工作時(shí)的電流超過其額定電流、電源電壓過低、重載啟動(dòng)都會(huì)使電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生過載情況，在相對時(shí)間內(nèi)的過載是可以的，但是較長時(shí)間內(nèi)過載會(huì)導(dǎo)致電纜的熱量積聚，造成定子繞組的絕緣老化，減小電動(dòng)機(jī)的使用年限（高俊嶺,王清靈,朱詠梅.礦用低壓饋電開關(guān)中相敏短路保護(hù)的研究[J].工況自動(dòng)化,2006,10(2):60-63）。

針對過載故障，本設(shè)計(jì)采取反時(shí)限過電流保護(hù)（郝文延,周晉陽,毛亞波.電機(jī)反時(shí)限過載保護(hù)在煤礦企業(yè)中的應(yīng)用研究[J].煤炭技術(shù),2013,32(12)L58-60）。在線路保護(hù)中主要使用的三種反時(shí)限特性方程如式(2)、式(3)、式(4)所示。

一般反時(shí)限特性：

非常反時(shí)限特性：

超反時(shí)限特性：

式中I為測量電流，Ip基準(zhǔn)電流，通常為額定電流值，t為反時(shí)限動(dòng)作時(shí)間，tp為時(shí)間常數(shù)。普通反時(shí)限特性保護(hù)動(dòng)作時(shí)間對過載電流值的敏感度較小，多用于一般線路中；超反時(shí)限特性保護(hù)的動(dòng)作時(shí)間對過載電流的敏感度較高，一般用在線路發(fā)生短路時(shí)，兩端的電流變化較大的時(shí)刻；非常反時(shí)限特性保護(hù)則在兩者中間，經(jīng)常用在線路首端或末端有可能出現(xiàn)大電流時(shí)。

2.4 欠壓、過壓故障及其保護(hù)措施

煤礦井下的故障電壓主要是內(nèi)部過電壓，因?yàn)樵谠摼€路的入井處會(huì)裝設(shè)防雷電裝置，通信線路也裝有熔斷保護(hù)器，所以大氣過電壓一般影響不到井下，另外過電壓還可分為暫態(tài)和穩(wěn)態(tài)，其中暫態(tài)過電壓可用阻容吸收裝置或壓敏電阻來進(jìn)行抑制。穩(wěn)態(tài)過電壓可用鑒幅保護(hù)。當(dāng)實(shí)際電壓小于等于額定電壓的60%-70%，就處于欠電壓狀態(tài)，系統(tǒng)就會(huì)進(jìn)入欠電壓保護(hù)。如果系統(tǒng)出現(xiàn)短暫的電壓閃變，可以對欠電壓保護(hù)增加延時(shí)功能，能顯著提高安全性和可靠性。

2.5 漏電保護(hù)

在井下供電系統(tǒng)中，漏電一般就是指接地故障，但是絕大部分屬于非金屬接地（徐柏松.井下低壓供電系統(tǒng)漏電保護(hù)優(yōu)化方案研究[J],煤礦現(xiàn)代化,2017(6):102-104）。常用的井下漏電保護(hù)原理可以分為零序電流型、零序功率方向型、零序電流5次諧波方向型、首半波型、零序電流有功分量方向型等。

對于中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)，此接地方式下的故障與非故障電流大小、方向均不相同，零序電流型、功率方向型保護(hù)原理在一定程度上適應(yīng)此系統(tǒng)。而對于經(jīng)消弧線圈接地的系統(tǒng)，零序電流型、功率方向型漏電保護(hù)原理已不適應(yīng)選擇性的要求。因?yàn)橄【€圈的電感補(bǔ)償作用的存在，使其故障饋線的零序電流可能比非故障線的零序電流還要小，也會(huì)影響故障饋線的零序電流方向。

因此，本設(shè)計(jì)采用采用一種基于自適應(yīng)算法的軟件相位鑒別法，其原理是發(fā)生接地故障時(shí)，結(jié)合零序電流與零序電壓的相位關(guān)系和幅值大小，設(shè)置零序電壓和零序電流的啟動(dòng)值，判斷是否發(fā)生漏電故障。這種方法的主要特點(diǎn)是母線零序電壓相位相對于非故障饋線零序電流相位始終滯后90°，故障饋線母線出處流過的零序電流與零序電壓的相位關(guān)系如圖3所示，零序電流始終在第三或第四象限。因?yàn)檫^補(bǔ)償可能會(huì)引發(fā)串聯(lián)諧振，導(dǎo)致過電壓，對電網(wǎng)安全運(yùn)行造成危害，所以實(shí)際應(yīng)用中，電網(wǎng)的消弧線圈采用過補(bǔ)償運(yùn)行狀態(tài)，使故障饋線的零序電流相對于母線零序電壓就落在第三象限。但是過補(bǔ)償運(yùn)行方式使故障饋線與非故障饋線的零序電流方向接近，難以區(qū)分，此時(shí)電網(wǎng)中多采用消弧線圈并電阻接地。因此零序電壓滯后故障饋線零序電流θ角為：90°＜θ ≤ 270°。

本設(shè)計(jì)理論清晰，算法簡單，是對零序電流型、零序功率方向型、零序電流有功分量方向型漏電保護(hù)原理的綜合與改進(jìn)，可以很好的應(yīng)用到各種不同的中性點(diǎn)接地方式中。

圖3 零序電流與零序電壓的相位關(guān)系

2.6 監(jiān)視線保護(hù)

監(jiān)視線保護(hù)就是監(jiān)視雙屏蔽電纜的監(jiān)視線和接地線之間有無短路或監(jiān)視線和接地線有無斷線故障的一種保護(hù)。常用的監(jiān)視線保護(hù)原理有三種，包括直接加整流二極管的直流絕緣監(jiān)視線保護(hù)、監(jiān)視電阻上增設(shè)直流電源，利用直流伏安法的絕緣監(jiān)視線保護(hù)，和在回路上增加整流二極管，利用二次諧波的絕緣監(jiān)視線保護(hù)。前兩種監(jiān)視線保護(hù)受雜散電流影響，經(jīng)常產(chǎn)生拒動(dòng)和誤動(dòng)的現(xiàn)象，第三種比前兩種的抗干擾能力有所提高，但依然受雜散電流影響產(chǎn)生拒動(dòng)和誤動(dòng)。

本設(shè)計(jì)終端加電阻的交流監(jiān)視線保護(hù)，其監(jiān)視線保護(hù)原理如圖4所示。

其中，Rj是監(jiān)視線電阻，Rr是監(jiān)視線和地線之間的絕緣電阻，Rd是地線電阻，Cr是監(jiān)視線和地線之間的分布電容，Rz是終端電阻，R1,R3是分壓電阻。本設(shè)計(jì)通過檢測電阻R2兩端電壓大小來判斷監(jiān)視線是否有故障。當(dāng)電壓大于正常電壓，則監(jiān)視線可能發(fā)生斷路故障，反之發(fā)生短路故障。

到英國的華工被直接安排去了前線，挖掘戰(zhàn)壕，修筑工事，掩埋尸體，清掃地雷，修路架橋……英國人用華工替代了自己國家的碼頭工人和運(yùn)輸工人，讓他們承擔(dān)了最艱苦、最繁重、最危險(xiǎn)的工作。

圖4 監(jiān)視線保護(hù)原理

3 高壓防爆開關(guān)綜合保護(hù)器的硬件設(shè)計(jì)

此保護(hù)器將和利時(shí)的LM3108G型PLC作為保護(hù)裝置的中央單元，該P(yáng)LC本身集成了A/D模塊、開關(guān)量輸入輸出模塊和通信模塊，有效簡化了系統(tǒng)，同時(shí)也提高了整個(gè)保護(hù)裝置的抗干擾能力。因此本文設(shè)計(jì)的高壓防爆開關(guān)的保護(hù)器具有測量、保護(hù)、控制、通信等功能，其硬件系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖5所示，由模擬量采集模塊、開關(guān)量輸入輸出模塊、人機(jī)接口模塊、通信模塊、電源模塊等組成。

圖5 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖

在電源單元模塊中，本保護(hù)裝置只需要+24VDC（對PLC、外部供電）、+5VDC（對液晶顯示器供電）、AC75V（25HZ）即可，取高壓防爆開關(guān)柜內(nèi)互感器二次側(cè)的100V（AC）作為供電電源。

在通信單元，其主要功能是負(fù)責(zé)保護(hù)裝置與上位機(jī)之間的通信，以做到遠(yuǎn)程監(jiān)控，有利于綜合自動(dòng)化的實(shí)現(xiàn)。在LM3108G中，本裝置通信模塊底層采用其自帶的RS-485通信接口，使用Modbus通信協(xié)議。

在人機(jī)交互模塊，采用一個(gè)小型紅外遙控器通過液晶屏進(jìn)行控制操作，并用OCM12864_4液晶模塊構(gòu)成顯示單元，對保護(hù)裝置的狀態(tài)及故障信息進(jìn)行顯示。

在采樣和A/D模塊中，本保護(hù)裝置采用RPT-202B電壓互感器和RCTRCT-201B電流互感器進(jìn)行信號的采集處理。兩種互感器均有體積小，重量輕、線性度較好的優(yōu)點(diǎn)。為了防止井下高壓電網(wǎng)發(fā)生故障時(shí)產(chǎn)生高次諧波，本裝置在采樣電路之前加了一個(gè)單反饋低通濾波器，可以將高頻分量濾除，保證采樣的準(zhǔn)確度。

4 綜合保護(hù)器的軟件設(shè)計(jì)

對于綜合保護(hù)器而言，硬件電路是基礎(chǔ)，軟件設(shè)計(jì)才能使所有功能穩(wěn)定可靠的運(yùn)行。只有兩者相互配合，才能完成相應(yīng)數(shù)據(jù)的采集、存儲(chǔ)、計(jì)算處理并精確的輸出各種指令等任務(wù)。本保護(hù)器采用“PowerPreV4”軟件，其相應(yīng)的流程圖如圖6所示。保護(hù)裝置上電或手動(dòng)復(fù)位之后，進(jìn)入主程序進(jìn)行初始化和自檢，如果檢出錯(cuò)誤，立刻通過液晶屏顯示，反之則進(jìn)行主循環(huán)，對參數(shù)進(jìn)行采集和處理，再根據(jù)處理結(jié)果調(diào)用相應(yīng)模塊，給出相應(yīng)的控制輸出。

初始化主要包括對寄存器、開關(guān)量輸入輸出接口、模擬量輸入接口、A/D模塊、通信、人機(jī)接口等各模塊進(jìn)行初始化。自檢主要包括處理器自檢、開關(guān)量模擬量自檢、整定值自檢、通信自檢等如果系統(tǒng)初始化或者自檢錯(cuò)誤，程序會(huì)發(fā)出相應(yīng)錯(cuò)誤警告，便于工作人員調(diào)試維修。

故障處理模塊中包括各種短路、漏電、過載、過壓和監(jiān)視線絕緣等保護(hù)，分別具有故障判斷、控制跳閘、報(bào)警顯示等功能。

通信模塊的功能包括讀取發(fā)送參數(shù)、整定值發(fā)送或修改、遠(yuǎn)程復(fù)位合閘等接收和發(fā)送控制命令、數(shù)據(jù)、系統(tǒng)狀態(tài)，是人員與設(shè)備、設(shè)備與設(shè)備間的橋梁。

5 硬件、軟件抗干擾設(shè)計(jì)

煤礦井下的干擾很多，并且沿著線路侵入到保護(hù)裝置中，也能以磁場的形式從空間輻射到保護(hù)裝置。這些干擾會(huì)影響保護(hù)裝置的正常工作，引發(fā)拒動(dòng)或誤動(dòng)，造成嚴(yán)重的后果。因此要從硬件和軟件兩方面進(jìn)行抗干擾設(shè)計(jì)，以保證其穩(wěn)定可靠的工作。

在硬件方面，PLC自身有相應(yīng)的抗干擾設(shè)計(jì)，包括輸入通道采用光電隔離技術(shù)、輸出通道采用繼電器隔離等；在電源模塊上會(huì)采用DC-DC電源、并聯(lián)瓷片電容去耦濾波等措施；

在軟件方面，有合理設(shè)計(jì)模塊化程序，有數(shù)字濾波技術(shù)，有上電自檢、用戶自檢、定時(shí)自檢等自動(dòng)檢測技術(shù)。

圖6 主程序流程圖

6 結(jié)語

本文詳細(xì)分析了煤礦井下6KV供電系統(tǒng)常見的幾種故障及其保護(hù)原理，包括短路故障、越級跳閘、過載故障、欠過壓故障、漏電故障等，在此基礎(chǔ)上，進(jìn)行了以LM3108G型PLC為核心的高性能高壓防爆開關(guān)綜合保護(hù)器的硬件和軟件設(shè)計(jì)，并給出了一些抗干擾設(shè)計(jì)方法，提高了煤礦井下高壓供電系統(tǒng)的安全性和可靠性，具有很高的應(yīng)用價(jià)值和前景。