??? 摘 要： 在分析目前煤礦井下" title="井下">井下安全現(xiàn)狀的基礎上,，深入實際地研究了煤礦井下供電系統(tǒng)各種常見故障的特征、相關保護原理及算法,，研制出一套針對井下采區(qū)變電所的微機綜合保護,、監(jiān)控裝置,，給出了具體實現(xiàn)方案。實踐證明,，該裝置經(jīng)濟效益和社會效益顯著,，具有良好的推廣應用前景。
??? 關鍵詞： 煤礦井下? 無人值守變電所? 保護監(jiān)控裝置
?
??? 相對于傳統(tǒng)的繼電保護,，微機保護" title="微機保護">微機保護具有明顯的優(yōu)越性,。對于煤礦供電系統(tǒng),，雖然微機保護和監(jiān)控系統(tǒng)也得到了應用，但主要是針對地面供電系統(tǒng),，井下微機保護和監(jiān)控裝置應用還不多,。由于井下供電網(wǎng)絡結構復雜，采區(qū)變電所和工作面配電點供電服務對象主要為采煤,、掘進,、運輸以及排水等主要生產(chǎn)環(huán)節(jié)，供電負荷種類繁多,、區(qū)域分布廣,、負荷工作場所地質(zhì)條件復雜，且存在著瓦斯,、煤塵,、水等有害介質(zhì)，影響供電系統(tǒng)運行的不確定因素也較多,，事故發(fā)生率高,，故障排查,、停送電周期長。盡管近年來,，煤礦供電管理部門在改進井下配電裝備,、應用新技術成果的同時，不斷強化人員素質(zhì)的管理,，煤礦井下供電系統(tǒng)的可靠性得到了提高,，但由于人為因素造成的供電事故時有發(fā)生，影響了煤礦的安全生產(chǎn),，并且導致供電部門每天用于值班和線路維護的工作人員較多,，降低了勞動生產(chǎn)率。因而,，對井下供電系統(tǒng)實施微機保護和監(jiān)控也十分迫切,。
1 綜合保護系統(tǒng)的功能及井下常見故障分析
1.1 綜合保護系統(tǒng)的功能
??? ·測控功能：本系統(tǒng)具有“遙測、遙信,、遙控,、遙調(diào)”四遙功能。遙測是指本系統(tǒng)能檢測采區(qū)變電所每次出線的電流,、電壓,、功率、COSФ,、開關內(nèi)溫度等模擬量,。遙信是指本系統(tǒng)能檢測開關的位置狀態(tài)及實驗按鈕狀態(tài)。遙控是指本系統(tǒng)能對開關進行正常分,、合閘操作,。遙調(diào)是指本系統(tǒng)能在上位機對饋電開關進行保護動作值整定。
??? ·保護功能" title="保護功能">保護功能：本系統(tǒng)具有漏電保護,、過載保護,、短路保護、欠壓保護,、斷相保護等保護功能。
??? ·絕緣監(jiān)測功能：本系統(tǒng)能對低壓饋電線路絕緣狀況進行實時監(jiān)測并且具有漏電閉鎖功能,。
??? ·故障記憶功能：漏電,、過載、短路等故障發(fā)生時,，本系統(tǒng)在上位機或下位機均可記憶故障發(fā)生的時刻和類型,。
??? ·通信功能：所內(nèi)采區(qū)開關智能監(jiān)控單元采用RS-485現(xiàn)場總線通信方式，并且與采區(qū)工控主機進行實時通信,。
??? ·現(xiàn)場顯示功能：每個開關均采用帶背光的漢字液晶顯示模塊顯示各種信息,。包括監(jiān)測參數(shù)顯示,、通信情況顯示（上行、下行）,、故障類型,、系統(tǒng)正常指示、電源指示及系統(tǒng)自檢情況等,。
1.2 井下電網(wǎng)常見故障特性分析
??? 煤礦井下供電系統(tǒng)在運行時,，可能會出現(xiàn)各種故障和不正常運行狀態(tài)。常見的主要故障是相間短路以及變壓器,、電動機繞組的匝間短路等,。不正常運行狀態(tài)主要是指過負荷、斷相,、欠電壓,、過電壓以及單相接地等不正常工作情況。對于系統(tǒng)的保護常用故障特征量進行分析與綜合,。如電網(wǎng)中發(fā)生兩相短路時,，系統(tǒng)中不但存在正序分量，還存在負序分量,，但零序分量為零,，并且兩故障相電流大小相等、方向相反,。這是兩相短路的重要特征,。單相斷相時線路中會出現(xiàn)負序電流，但負序電流的大小與兩相短路時不同,，因此可通過判斷負序電流的大小來區(qū)分兩相短路故障和單相斷相故障,。單相接地是煤礦井下電網(wǎng)中出現(xiàn)頻率最高的故障形式。若某一支路發(fā)生漏電或人身觸電,，最大的特點是會有零序電流產(chǎn)生,，非故障支路零序電流由支路流向母線，其大小為：
??? 
??? 式（1）中：r和C分別為各支路每相對地絕緣電阻和分布電容,。非故障支路零序電流超前零序電壓,，超前角度α<π/2，當r=∞時,，α=π/2,。而非故障支路零序電流則從母線流向支路，為：
??? 
??? 故障支路和非故障支路中零序電流不僅大小不同,，而且相位相反,。根據(jù)零序電流的方向可以區(qū)分故障支路和非故障支路，從而實現(xiàn)橫向選擇性漏電保護。三相短路和過負荷屬于煤礦井下電網(wǎng)對稱性故障和不正常運行狀態(tài),，它們共同的特點是：故障后三相電流仍然對稱,，系統(tǒng)中只存在正序電流分量，并且幅值增大,。過負荷通常是因為整定不當,、違章操作、重載啟動等原因造成的,。但只要設備的運行溫度沒有超過其允許升溫,，電網(wǎng)還允許繼續(xù)運行，否則就要進行保護,。煤礦井下大多數(shù)電氣設備,，如變壓器、電動機等,，都具有一定的允許過載能力,，時間越短，允許通過的過載電流越大,。因此,，為了充分發(fā)揮被保護元件的效益，又不至于因長時間過熱而造成損壞,，對過載的保護應具有反時限特性,。
??? 為了適應井下電網(wǎng)在不同負載條件下對過載保護的要求，本保護裝置可以選擇如圖1所示的7條不同的反時限過載保護特性曲線,。
?
2?綜合保護系統(tǒng)所用算法
??? 算法是微機保護研究的重點之一,。目前已提出的算法有很多種，例如兩點乘積算法,、導數(shù)算法,、傅里葉算法、沃爾什函數(shù)算法,、解微分方程算法以及最小二乘算法等,。分析和評價各種不同算法優(yōu)劣的標準是精度和速度。人們已經(jīng)進行了大量的研究,，提出了許多適用于微機保護的算法[1][2],，各種算法各有其應用價值，具體選擇哪一種算法需根據(jù)對保護功能的要求,、應用場合來具體確定,。
2.1 故障檢測" title="故障檢測">故障檢測算法
??? 故障檢測算法要盡量簡單并且運算量小，又要能對所監(jiān)視范圍內(nèi)的故障做出靈敏的反應,。電力系統(tǒng)正常運行與故障狀態(tài)的區(qū)別，特別體現(xiàn)在故障前后電流的變化上。因此采用電流故障分量來檢測故障具有足夠的靈敏度[3],。電流故障分量的提取可采用以下算法：
??? 
??? 式（3）中：Δi(t)為電流故障分量,；i(t)為實測電流；T工頻" title="工頻">工頻周期,；n=±1,，±2，…
??? 將式（3）離散化可得：
??? 
??? 其中N為每工頻周期采樣點數(shù),。
??? 這種算法雖不精確,，但基本上能滿足要求，且簡單易行,。采用電流故障分量作為故障檢測方法時,，具有下列優(yōu)點：
??? （1）在穩(wěn)定狀態(tài)下電流中的諧波分量被自然濾出，Δi(t)中不平衡輸出??；
（2）輸出Δi(t)存在時間是固定的,，不隨故障電流的大小而變化,；
（3）輸出Δi(t)的波形沒有衰減,。
??? 令式（4）中的n分別為1和2,，就可得到半周比較法和周-周比較法。但無論是周-周比較法還是半周比較法,，都存在一個問題,，那就是在電網(wǎng)頻率波動時，會產(chǎn)生一定的不平衡電流,。因此為了消除電網(wǎng)頻率波動所帶來的誤差,，可采用雙周比較法和雙半周比較法。
??? 雙周比較法防止了因頻率偏移引起的誤動作,，但它需要較長的數(shù)據(jù)窗（兩個工頻周期）,，使數(shù)據(jù)存儲量增大，并且它仍受系統(tǒng)頻率的影響,，當振蕩周期很小時仍有可能誤動作,。為了縮短數(shù)據(jù)窗，本系統(tǒng)采用式（4）所示的雙半周比較法：
??? 
??? 式（5）中i(k)為某一瞬間的相電流采樣值,，i(k-N/2)為半周期前同一相電流采樣值,，i(k-N)為一周期前同一相電流采樣值。該方法數(shù)據(jù)窗短,，計算簡單,。取整定值?著為正數(shù)，則故障檢測元件判別式為：
??? 
??? 當滿足式（6）時，故障檢測元件動作,。ε的選擇原則是在保證可靠檢測出所監(jiān)測范圍內(nèi)所有故障的前提下,，盡量使非故障擾動（如負荷波動）時不起動。此外,，為提高抗干擾能力,，程序設計中當有連續(xù)三次|Δi(k)|≥ε時才確認有故障發(fā)生，從而保證了保護起動的準確性,。
2.2 濾序算法
??? 煤礦井下低壓電網(wǎng)中的負載大多是起動電流很大的鼠籠型電動機,，這就使得保護裝置需要區(qū)分線路末端的短路電流和大型電動機的起動電流。對于三相短路電流,，可以利用相敏保護原理加以區(qū)分,；但對于兩相短路，相敏保護就無能為力了,。這就需要利用兩相短路時出現(xiàn)的負序電流分量來檢測,。此外，斷相故障也會產(chǎn)生負序電流,，因而也可利用它來進行斷相故障檢測,。
??? 負序分量的計算大致上可分為兩種方法：向量法和采樣點計算法。本文主要討論本系統(tǒng)所采用的采樣點計算法,。
??? (1)裝有三相電流互感器的線路的負序分量的計算
??? 根據(jù)負序分量的基本公式：
??? 
??? 式（8）中N為工頻周期內(nèi)的采樣次數(shù),。
??? 這種算法所需數(shù)據(jù)窗寬度為
,。當N=12時的計算公式為：
??? 
??? (2)裝有兩相電流互感器的線路負序分量的計算
??? 
??? 離散化后得：
??? 
??? 這種算法要求數(shù)據(jù)窗的寬度為1/3個工頻周期,，取N=12時有：
??? 
??? 通過上述算法求出負序電流瞬時值后，可采用全波傅氏算法或其他方法來計算負序電流[4],。
??? 采用負序算法輸出一般受負荷,、諧波分量和系統(tǒng)頻率偏差等因素的影響，因此會有一定的不平衡輸出,，而且系統(tǒng)在發(fā)生三相短路時也會有暫態(tài)輸出[5],。軟件設計時，需要進行一定的補償,。
3 系統(tǒng)的總體設計及硬件電路框圖
3.1 硬件電路
?? ?本文所討論的綜合保護裝置是針對煤礦井下真空饋電開關而設計的,，必須放置于真空饋電開關內(nèi)。由于真空開關內(nèi)的空間有限,，因而該裝置的各功能以模塊方式設計,，以盡可能減小體積。本綜合保護裝置將所有功能模塊分別集中于兩塊板上,。
??? ·模擬輸入變換與控制出口繼電器板
??? 該插件板的功能主要有兩個：一是負責將由被保護線路一次PT,、CT輸入的幅值為100V和5A的交流電壓,、電流信號轉(zhuǎn)換為微機保護所要求的信號幅值；二是通過該插件板上的分合閘繼電器執(zhí)行CPU發(fā)出的分合閘命令,。
??? ·CPU主插件板
??? 該插件板以高性能的80C196KB[6]為核心,，集中了CPU主系統(tǒng)、模擬量采集,、開關量輸入輸出、通信,、人機接口,、溫度測量、頻率和功率因數(shù)測量以及漏電保護等功能模塊,，負責本系統(tǒng)幾乎所有的保護和監(jiān)控功能,。本系統(tǒng)以Intel公司高性能的80C196KB單片機為核心，集保護,、監(jiān)控功能于一體,，并配有靈活、友好的人機對話接口和RS-485遠方通信接口,，可以方便地實現(xiàn)保護定值的就地和遠方整定,、監(jiān)測數(shù)據(jù)的就地和遠方實時監(jiān)測。
??? 該系統(tǒng)總體框圖如圖2所示,。
?
3.2 軟件設計流程圖
??? 本軟件的設計可以采用C語言,、匯編語言混合編寫，程序框圖如圖3所示,。
?
??? 該保護可應用在BGP9L——6G型礦用隔爆型高壓真空配電開關和礦用低壓饋電開關,。該裝置在保護功能方面的主要特點為：
??? (1)采用負序保護原理對井下不對稱故障進行保護，可大大提高兩相短路保護和斷相保護的靈敏度及保護范圍,。
??? (2)采用基于功率因數(shù)的相敏保護原理對井下低壓三相
??? 短路故障進行保護,，并且可根據(jù)電網(wǎng)負荷的大小選擇不同的臨界動作曲線，以取得最佳的保護效果,，從而可使大型電機起動造成的誤動現(xiàn)象大大減少,。
??? (3)能夠?qū)崿F(xiàn)保護參數(shù)的就地和遠方整定與操作，實現(xiàn)故障信息及故障類型的實時顯示與上傳,。
參考文獻
1 楊奇遜. 微型機繼電保護基礎. 北京：水利電力出版社,， 1989
2 陳德樹,尹項根. 計算機繼電保護原理與技術.北京：水利電力出版社，1992
3 葛耀中.新型繼電保護與故障測距原理與技術.西安:西安交通大學出版社,，1996
4 羅士萍.微機保護實現(xiàn)原理與裝置.北京：中國電力出版社,，2001
5 王文雄,何奔騰.數(shù)字式負序濾過器的不平衡輸出.北京：中國電力，1999
6 孫涵芳,王良啟.Intel 16 位單片機.北京：北京航空航天大學出版社,，1995