礦井變電站電網(wǎng)系統(tǒng)接地選線裝置設(shè)計(jì)及測(cè)試

王春瑜

（山西明卓勘測(cè)設(shè)計(jì)有限公司， 山西 太原 030012）

引言

供電系統(tǒng)為煤礦生產(chǎn)的動(dòng)力源，供電系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性直接影響綜采工作面的正常運(yùn)行，并可減少由于供電不穩(wěn)定而對(duì)設(shè)備造成的沖擊和損壞。供電系統(tǒng)的接地方式尤為重要，部分煤礦的供電系統(tǒng)采用中性點(diǎn)非有效接地的方式，主要包括有中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)和中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)。在實(shí)際生產(chǎn)中上述接地系統(tǒng)容易發(fā)生短路故障從而導(dǎo)致綜采工作面大面積的停電，在制約煤礦生產(chǎn)的同時(shí)，對(duì)煤礦設(shè)備的安全性也帶來(lái)極大的隱患。導(dǎo)致上述隱患的主要因素之一為接地線選擇不合理[1]。因此，急需設(shè)計(jì)一款接地選線裝置保證供電系統(tǒng)接地線，充分保護(hù)電網(wǎng)的正常運(yùn)行。

1 需求分析

隨著煤礦綜采工作面生產(chǎn)能力的提升，對(duì)應(yīng)綜采設(shè)備的綜合耗能增加，供電系統(tǒng)的供電規(guī)模和用電負(fù)荷也明顯增加。實(shí)踐表明：煤礦供電系統(tǒng)由于接地故障所導(dǎo)致的問題占據(jù)所有問題的80%以上，而其余問題絕大部分也是由于接地故障而引起的，包括短路和電纜著火等。目前，煤礦供電系統(tǒng)所采用的選線裝置對(duì)應(yīng)準(zhǔn)確率最高僅為50%；同時(shí)，傳統(tǒng)選線裝置無(wú)法對(duì)線路中的故障類型和故障點(diǎn)進(jìn)行精確判斷，只能夠通過拉線的方式逐一排查?？偟膩?lái)講，傳統(tǒng)選線裝置不僅耗時(shí)耗力，而且在實(shí)際生產(chǎn)中的應(yīng)用效果也較差[2]。

煤礦供電系統(tǒng)傳統(tǒng)接地選線系統(tǒng)的問題可總結(jié)如下：

1）傳統(tǒng)接地選線裝置主要基于“功率方向型”和“電流方向型”的原理實(shí)現(xiàn)其功能；上述接地選線裝置中一旦上一級(jí)變電所出現(xiàn)接地類故障，極容易導(dǎo)致下一級(jí)出現(xiàn)選線錯(cuò)誤甚至出現(xiàn)故障報(bào)錯(cuò)的情況。

2）針對(duì)煤礦供電系統(tǒng)中的環(huán)網(wǎng)供電方式，當(dāng)綜采工作面的饋線支路發(fā)生相關(guān)的接地故障時(shí)，采用傳統(tǒng)的接地選線系統(tǒng)無(wú)法確定出發(fā)生故障的位置及其類型。

3）經(jīng)實(shí)踐表明，煤礦供電系統(tǒng)的接地故障絕大多數(shù)均是由于線纜老化或者劣化所導(dǎo)致的。因此，需對(duì)煤礦供電系統(tǒng)線纜的絕緣情況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，避免接地故障的發(fā)生。

2 接地選線裝置的總體設(shè)計(jì)

接地選線裝置的核心在于準(zhǔn)確掌握煤礦供電系統(tǒng)不同接地故障對(duì)應(yīng)的零序電壓和零序電流的波形；根據(jù)實(shí)際監(jiān)測(cè)中零序電流和電壓的波動(dòng)與理想波形對(duì)比，判斷變電站電網(wǎng)中是否出現(xiàn)接地故障，并通過進(jìn)一步分析確定接地故障，準(zhǔn)確選擇接地線路。因此，變電站電網(wǎng)接地選線裝置包括有上位機(jī)和下位機(jī)兩大部分。

上位機(jī)主要為嵌入式系統(tǒng)，主要實(shí)現(xiàn)其與變電站RTU 的通信，并對(duì)相關(guān)的零序電壓、電流等波形進(jìn)行記錄存儲(chǔ)；

下位機(jī)為DSP 系統(tǒng)，主要對(duì)供電系統(tǒng)線纜的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和相關(guān)故障信息進(jìn)行采集，并對(duì)應(yīng)的完成故障線路的實(shí)時(shí)、精準(zhǔn)選線。

基于上述需求分析和接地選線系統(tǒng)的功能要求，設(shè)計(jì)如下頁(yè)圖1 所示的礦用變電站電網(wǎng)系統(tǒng)接地選線裝置的結(jié)構(gòu)：

如圖1 所示的電網(wǎng)接地系統(tǒng)故障選線裝置具備對(duì)電網(wǎng)中單相接地故障的識(shí)別和診斷，可對(duì)電纜的絕緣狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)和顯示，完成單相接地故障的選線功能，并對(duì)故障波形進(jìn)行記錄。

圖1 礦用變電站電網(wǎng)接地系統(tǒng)選線裝置結(jié)構(gòu)示意圖

此外，為了保證接地選線裝置精確對(duì)故障波形進(jìn)行檢測(cè)，鑒于分布式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)具有較強(qiáng)的抗干擾特性和實(shí)時(shí)響應(yīng)性能，本方案中接地系統(tǒng)選線裝置采用分布式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。同時(shí)，工作面環(huán)境相對(duì)惡劣容易導(dǎo)致數(shù)據(jù)傳輸時(shí)受到干擾，為了減少數(shù)據(jù)通信和傳輸過程中被干擾，采用CAN 總線進(jìn)行通信。

3 接地選線裝置的設(shè)計(jì)

3.1 接地選線裝置的硬件設(shè)計(jì)

接地選線裝置的硬件主要包括有中央單元、采集模塊、電源模塊、人機(jī)接口單元、通信單元以及相關(guān)的零序電流互感器、故障錄波分析裝置等。

針對(duì)中央單元的選型，考慮到功能、開發(fā)環(huán)境以及通訊等功能，本裝置采用型號(hào)為80C198 單片機(jī)為其核心處理；

對(duì)于采集模塊而言，其選型首選需考慮與80C198 單片機(jī)匹配性，本裝置將采用以AD7575A 芯片為核心的采集模塊；

針對(duì)電源模塊而言，為保證其均能夠適應(yīng)交直流電源的應(yīng)用環(huán)境，本裝置采用型號(hào)為SPA5-220S12W的電源模塊為本裝置供電；

零序電流互感器采用工程中常用的WF-LJ 零序電流互感器，該型電流互感器在環(huán)境溫度、使用海拔以及相對(duì)濕度等方面均能夠滿足煤礦的生產(chǎn)。

從接地選線裝置的功能實(shí)現(xiàn)和成本兩個(gè)方面綜合考慮，選用型號(hào)為ZH-3D 型數(shù)字故障錄波分析裝置對(duì)信號(hào)進(jìn)行存儲(chǔ)和簡(jiǎn)單的處理。

3.2 接地選線裝置的軟件流程設(shè)計(jì)

接地選線裝置主要對(duì)接地故障進(jìn)行判斷，并對(duì)相關(guān)電纜的絕緣狀況進(jìn)行監(jiān)測(cè)。針對(duì)接地故障判斷對(duì)應(yīng)診斷和處理流程如圖2 所示。

圖2 接地故障診斷與處理流程

當(dāng)選線裝置采集到線路中中性點(diǎn)電壓升高后，具體對(duì)出現(xiàn)故障的線路進(jìn)行確定，并調(diào)用相關(guān)線路診斷算法綜合電流值具體確定出現(xiàn)故障的線路，并對(duì)故障信息進(jìn)行報(bào)警顯示于上位機(jī)；與此同時(shí)，上位機(jī)對(duì)故障類型和故障點(diǎn)進(jìn)行記錄。

4 接地選線裝置功能測(cè)試

采用綜診配置軟件對(duì)礦井變電站電網(wǎng)系統(tǒng)接地選線裝置的功能進(jìn)行測(cè)試，經(jīng)測(cè)試得出如下結(jié)論：

1）接地選線裝置能夠完成配置更新操作；上位機(jī)能夠完成相關(guān)執(zhí)行系統(tǒng)的操作更新。

2）接地系統(tǒng)選線裝置對(duì)線路中的故障進(jìn)行判斷，判斷結(jié)果如表1 所示。

表1 接地選線裝置故障判斷準(zhǔn)確率結(jié)果

如表1 所示，基于所設(shè)計(jì)的接地選線裝置可對(duì)線路中發(fā)生頻率較高的故障進(jìn)行100%的準(zhǔn)確診斷和判斷。