礦用變壓器繼電保護裝置的硬件改造及動態(tài)試驗研究

李 鵬

（山西潞安配售電有限公司， 山西 襄垣 046200）

引言

供電系統(tǒng)是煤礦生產(chǎn)的動力源，采煤機、刮板輸送機、液壓支架等大型設(shè)備均由電力驅(qū)動。礦用變壓器作為煤礦供電系統(tǒng)的重要組成部分，其是否能夠穩(wěn)定運行直接關(guān)系著供電系統(tǒng)的穩(wěn)定性，也決定著綜采設(shè)備是否能夠穩(wěn)定、安全地運行。在實際生產(chǎn)中，需根據(jù)變壓器的容量等相關(guān)性能設(shè)計變壓器繼電保護裝置。目前，變壓器繼電保護裝置在實際應(yīng)用中受到其他元器件的干擾，導(dǎo)致其內(nèi)部電流不平衡，影響了繼電保護裝置正常功能的發(fā)揮[1]。因此，本文重點對礦用變壓器繼電保護裝置進行硬件改造，并對改造后裝置的性能開展動態(tài)性能試驗。

1 礦用變壓器繼電保護裝置硬件改造的總體設(shè)計

針對傳統(tǒng)變壓器繼電保護裝置存在電流不平衡的問題，本文將基于DSP 為核心實現(xiàn)對礦用變壓器的微機保護。目前，工業(yè)中常應(yīng)用的微機保護裝置硬件普遍采用插件式結(jié)構(gòu)，基于該種結(jié)構(gòu)可將礦用變壓器分為多個功能模塊，包括有雙CPU 模塊、輸入/輸出模塊、信號采集輸入模塊、人機接口模塊以及通信模塊等。礦用變壓器微機保護裝置的基本硬件結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

如圖1 所示，變壓器微機保護裝置由雙CPU 結(jié)構(gòu)為核心實現(xiàn)對變壓器的保護，一個CPU 承擔保護功能，具體對變壓器實現(xiàn)主保護和后備保護，另一個CPU 承擔監(jiān)控功能。其中，保護CPU 以DSP 處理器為核心實現(xiàn)對所采集信號的模數(shù)轉(zhuǎn)換、濾波處理以及通過保護算法實現(xiàn)對變壓器的保護。監(jiān)控CPU 以另一塊DSP 處理器為核心完成人機交互功能、通信功能以及保護啟動功能的實現(xiàn)[2]。結(jié)合當前工業(yè)中DSP 處理器的應(yīng)用類型，本工程選用的兩塊處理器型號為TMS320LF2407A，設(shè)計繼電保護裝置，實現(xiàn)對礦用變壓器的保護。

圖1 變壓器微機保護裝置硬件結(jié)構(gòu)框圖

2 變壓器微機保護裝置的硬件改造

2.1 變壓器微機保護裝置的硬件改造設(shè)計

針對變壓器微機保護裝置的硬件部分，重點完成信號采集電路、輸入/輸出電路、外設(shè)電路等硬件的設(shè)計。

2.1.1 信號采集轉(zhuǎn)換電路的設(shè)計

目前，可應(yīng)用的信號采集轉(zhuǎn)換電路方式分為直流采樣和交流采樣。其中，直流采樣電路具有算法簡單且便于濾波的優(yōu)勢，但是該種采樣電路成本較大，適用性并不強。而交流采樣電路具有較好的實時性、數(shù)據(jù)相位失真少且便于維護[3]。因此，本工程采用交流采樣電路對信號進行采集。交流采集轉(zhuǎn)換電路如圖2所示。

圖2 交流采集轉(zhuǎn)換電路圖

以圖2 所示的交流采集轉(zhuǎn)換電路為基礎(chǔ)，配置10 bit ADC 模塊，其中包含有16 個模擬輸入通道，并可實現(xiàn)自動排序功能。

2.1.2 輸入/輸出電路的設(shè)計

針對微機保護裝置控制信號的特殊性，必須將開關(guān)量信號轉(zhuǎn)換為微機可接收/發(fā)送的電平信號后才能夠傳輸。因此，需要為變壓器繼電保護裝置設(shè)計專用開關(guān)量輸入電路和開關(guān)量輸出電路，如圖3 所示。

圖3 開關(guān)量輸入/輸出電路

針對開關(guān)量輸入電路，采用型號為DLP521-1 的光耦電路，提高了整個回路的抗干擾能力。針對開關(guān)量輸出電路，采用型號為TLP521-1 的光耦隔離放大電路，能夠?qū)⑽C保護裝置的電源與數(shù)字系統(tǒng)實現(xiàn)相互隔離，解決了電源對數(shù)字系統(tǒng)造成的干擾，解決了保護裝置中電流不平衡的問題[4]。通過開關(guān)量輸出電路，能夠根據(jù)工況實現(xiàn)跳閘、合閘、驅(qū)動繼電器動作，并發(fā)出聲光報警。

2.2 微機保護裝置抗干擾設(shè)計

為進一步提升礦用變壓器微機保護裝置的抗干擾能力，有效避免因不穩(wěn)定電流存在而導(dǎo)致的保護裝置誤動作和延遲動作，在完成保護裝置基本功能設(shè)計的基礎(chǔ)上，還需強化抗干擾設(shè)計。結(jié)合設(shè)計和實踐生產(chǎn)的經(jīng)驗，針對保護裝置硬件抗干擾設(shè)計采取如下措施：

1）為變壓器保護裝置的電源增加一個匹配的電源濾波器，抑制電磁干擾對系統(tǒng)回路的耦合路徑。

2）鑒于傳統(tǒng)管腳接地布線的連續(xù)性較差，為了減少實際裝配時的過孔數(shù)目，本工程采用貼片封裝的方式對DSP 等元件進行封裝。

3）結(jié)合微機保護裝置的特點，將保護裝置的機殼、電源的共模濾波器通過靜電屏蔽層實現(xiàn)與大地的連接，保證接地電阻小于10 Ω。

此外，在上述基礎(chǔ)抗干擾措施之外，還存在少量干擾信號耦合進入微機保護裝置的可能性。因此，為了進一步提升微機保護裝置的抗干擾能力，還需對保護裝置的相關(guān)硬件和插件進行合理分配和布置。具體措施為：將變壓器保護裝置的核心部分包括CPU、ROM、RAM以及A/D 轉(zhuǎn)換器等放入屏蔽箱內(nèi)，實現(xiàn)干擾源與薄弱環(huán)節(jié)之間的空間隔離[5]。

3 變壓器保護裝置的動態(tài)試驗分析

為驗證所設(shè)計的變壓器微機保護裝置的動態(tài)性能，基于MATLAB 建立變壓器的故障模型，并將模型應(yīng)用于保護裝置中，重點對保護裝置的電流速斷保護功能的性能進行試驗。本文所設(shè)計的保護裝置針對電流速度保護包含有三個動作時間，分別為電流速斷保護時間為0.1 s，電流反時限速斷保護時間為0.8 s，定時限速斷保護時間為4.2 s。同時，所設(shè)計的繼電保護裝置的額定工作電流為3 A，設(shè)定電流值在5 A 和8 A 時動作，并對響應(yīng)能力進行仿真，仿真結(jié)果如表1 所示。

表1 微機保護裝置動態(tài)響應(yīng)特性

如表1 所示，微機保護裝置能夠?qū)崿F(xiàn)對變壓器可靠、有效的保護，在不同的電流保護范圍內(nèi)，系統(tǒng)動作電流值與整定值的相對誤差均控制在±3%之內(nèi)，達到了設(shè)計要求。

4 結(jié)語

變壓器為煤礦供電系統(tǒng)必不可少的電氣裝置，其工作的可靠性和穩(wěn)定性直接決定其是否能夠為采煤機、帶式輸送機等機電設(shè)備提供穩(wěn)定的電能。傳統(tǒng)變壓器繼電保護裝置存在容易被干擾的薄弱環(huán)節(jié)，導(dǎo)致其內(nèi)部存在不平衡的電流，進而造成保護裝置誤動作、延時動作。為解決上述問題，本文以雙DSP 處理器對傳統(tǒng)繼電保護裝置的硬件進行改造，并根據(jù)設(shè)計和實踐經(jīng)驗，增加了保護裝置的抗干擾設(shè)計。測試結(jié)果表明，微機保護裝置能夠?qū)崿F(xiàn)對變壓器可靠、有效的保護，在不同的電流保護范圍內(nèi)，系統(tǒng)動作電流值與整定值的相對誤差均控制在±3%之內(nèi)，達到了設(shè)計要求。