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1、煤矿井下采区无人值守变电所微机保护系统的研究摘要：在分析目前煤矿井下平安现状的根底上，深化实际地研究了煤矿井下供电系统各种常见故障的特征、相关保护原理及算法，研制出一套针对井下采区变电所的微机综合保护、监控装置，给出了详细实现方案。理论证明，该装置经济效益和社会效益显著，具有良好的推广应用前景。 关键词：煤矿井下 无人值守变电所 保护监控装置相对于传统的继电保护，微机保护具有明显的优越性。对于煤矿供电系统，虽然微机保护和监控系统也得到了应用，但主要是针对地面供电系统，井下微机保护和监控装置应用还不多。由于井下供电网络构造复杂，采区变电所和工作面配电点供电效劳对象主要为采煤、掘进、运输以及排水等
2、主要消费环节，供电负荷种类繁多、区域分布广、负荷工作场所地质条件复杂，且存在着瓦斯、煤尘、水等有害介质，影响供电系统运行的不确定因素也较多，事故发生率高，故障排查、停送电周期长。尽管近年来，煤矿供电管理部门在改良井下配电装备、应用新技术成果的同时，不断强化人员素质的管理，煤矿井下供电系统的可靠性得到了进步，但由于人为因素造成的供电事故时有发生，影响了煤矿的平安消费，并且导致供电部门每天用于值班和线路维护的工作人员较多，降低了劳动消费率。因此，对井下供电系统施行微机保护和监控也非常迫切。1 综合保护系统的功能及井下常见故障分析1.1 综合保护系统的功能测控功能：本系统具有“遥测、遥信、遥控、遥调
3、四遥功能。遥测是指本系统能检测采区变电所每次出线的电流、电压、功率、COS、开关内温度等模拟量。遥信是指本系统能检测开关的位置状态及实验按钮状态。遥控是指本系统能对开关进展正常分、合闸操作。遥调是指本系统能在上位机对馈电开关进展保护动作值整定。保护功能：本系统具有漏电保护、过载保护、短路保护、欠压保护、断相保护等保护功能。绝缘监测功能：本系统能对低压馈电线路绝缘状况进展实时监测并且具有漏电闭锁功能。故障记忆功能：漏电、过载、短路等故障发生时，本系统在上位机或下位机均可记忆故障发生的时刻和类型。通信功能：所内采区开关智能监控单元采用RS-485现场总线通信方式，并且与采区工控主机进展实时通信。现
4、场显示功能：每个开关均采用带背光的汉字液晶显示模块显示各种信息。包括监测参数显示、通信情况显示(上行、下行)、故障类型、系统正常指示、电源指示及系统自检情况等。1.2 井下电网常见故障特性分析煤矿井下供电系统在运行时，可能会出现各种故障和不正常运行状态。常见的主要故障是相间短路以及变压器、电动机绕组的匝间短路等。不正常运行状态主要是指过负荷、断相、欠电压、过电压以及单相接地等不正常工作情况。对于系统的保护常用故障特征量进展分析与综合。如电网中发生两相短路时，系统中不但存在正序分量，还存在负序分量，但零序分量为零，并且两故障相电流大小相等、方向相反。这是两相短路的重要特征。单相断相时线路中会出现
5、负序电流，但负序电流的大小与两相短路时不同，因此可通过判断负序电流的大小来区分两相短路故障和单相断相故障。单相接地是煤矿井下电网中出现频率最高的故障形式。假设某一支路发生漏电或人身触电，最大的特点是会有零序电流产生，非故障支路零序电流由支路流向母线，其大小为：Ioi=3U0(1/r+jwc)(1)式1中：r和C分别为各支路每相对绝缘电阻和分布电容。非故障支路零序电流超前零序电压，超前角度故障支路和非故障支路中零序电流不仅大小不同，而且相位相反。根据零序电流的方向可以区分故障支路和非故障支路，从而实现横向选择性漏电保护。三相短路和过负荷属于煤矿井下电网对称性故障和不正常运行状态，它们共同的特点是
6、：故障后三相电流仍然对称，系统中只存在正序电流分量，并且幅值增大。过负荷通常是因为整定不当、违章操作、重载启动等原因造成的。但只要设备的运行温度没有超过其允许升温，电网还允许继续运行，否那么就要进展保护。煤矿井下大多数电气设备，如变压器、电动机等，都具有一定的允许过载才能，时间越短，允许通过的过载电流越大。因此，为了充分发挥被保护元件的效益，又不至于因长时间过热而造成损坏，对过载的保护应具有反时限特性。为了适应井下电网在不同负载条件下对过载保护的要求，本保护装置可以选择如图1所示的7条不同的反时限过载保护特性曲线。2 综合保护系统所用算法算法是微机保护研究的重点之一。目前已提出的算法有很多种，
7、例如两点乘积算法、导数算法、傅里叶算法、沃尔什函数算法、解微分方程算法以及最小二乘算法等。分析和评价各种不同算法优劣的标准是精度和速度。人们已经进展了大量的研究，提出了许多适用于微机保护的算法【1】【2】，各种算法各有其应用价值，详细选择哪一种算法需根据对保护功能的要求、应用场合来详细确定。2.1 故障检测算法故障检测算法要尽量简单并且运算量小，又要能对所监视范围内的故障做出灵敏的反响。电力系统正常运行与故障状态的区别，特别表达在故障前后电流的变化上。因此采用电流故障分量来检测故障具有足够的灵敏度【3】。电流故障分量的提取可采用以下算法：i(t)=i(t)-(-1)ni(t-nT/2)(3)式
8、3中：i(t)为电流故障分量；i(t)为实测电流；T工频周期；n=1,2,将式3离散化可得：i(k)=i(k)-(-1)ni(k-nN/2)(4)其中N为每工频周期采样点数。这种算法虽不准确，但根本上能满足要求，且简单易行。采用电流故障分量作为故障检测方法时，具有以下优点：(1) 在稳定状态下电流中的谐波分量被自然滤出，i(t)中不平衡输出小；(2)输出i(t)存在时间是固定的，不随故障电流的大小而变化；(3)输出i(t)的波形没有衰减。令式(4)中的n分别为1和2，就可得到半周比拟法和周-周比拟法。但无论是周-周比拟法还是半周比拟法，都存在一个问题，那就是在电网频率波动时，会产生一定的不平衡
9、电流。因此为了消除电网频率波动所带来的误差，可采用双周比拟法和双半周比拟法。双周比拟法防止了因频率偏移引起的误动作，但它需要较长的数据窗(两个工频周期)，使数据存储量增大，并且它仍受系统频率的影响，当振荡周期很小时仍有可能误动作。为了缩短数据窗，本系统采用式(4)所示的双半周比拟法：i(k)=i(k)+i(k-N/2)-i(k-N/2)+i(k-N) (5)式(5)中i(k)为某一瞬间的相电流采样值，i(k-N/2)为半周期前同一相电流采样值，i(k-N)为一周期前同一相电流采样值。该方法数据窗短，计算简单。取整定值为正数，那么故障检测元件判别式为：i(k) (6)当满足式(6)时，故障检测元
10、件动作。的选择原那么是在保证可靠检测出所监测范围内所有故障的前提下，尽量使非故障扰动(如负荷波动)时不起动。此外，为进步抗干扰才能，程序设计中当有连续三次i(k)时才确认有故障发生，从而保证了保护起动的准确性。2.2 滤序算法煤矿井下低压电网中的负载大多是起动电流很大的鼠笼型电动机，这就使得保护装置需要区分线路末端的短路电流和大型电动机的起动电流。对于三相短路电流，可以利用相敏保护原理加以区分；但对于两相短路，相敏保护就无能为力了。这就需要利用两相短路时出现的负序电流分量来检测。此外，断相故障也会产生负序电流，因此也可利用它来进展断相故障检测。负序分量的计算大致上可分为两种方法：向量法和采样点计算法。本文主要讨论本系统所采用的采样点计算法。1装有三相电流互感器的线路的负序分量的计算要饭负序分量的根本公式：
煤矿井下采区无人值守变电所微机保护系统的研究
