煤礦井下采區無人值守變電所微機保護系統的研究

摘要：在分析目前煤礦井下安全現狀的基礎上，深入實際地研究了煤礦井下供電系統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變電所的微機綜合保護、監控裝置，給出了具體實現方案。實踐證明，該裝置經濟效益和社會效益顯著，具有良好的推廣應用前景。

相對于傳統的繼電保護，微機保護具有明顯的優越性。對于煤礦供電系統，雖然微機保護和監控系統也得到了應用，但主要是針對地面供電系統，井下微機保護和監控裝置應用還不多。由于井下供電網絡結構復雜，采區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環節，供電負荷種類繁多、區域分布廣、負荷工作場所地質條件復雜，且存在著瓦斯、煤塵、水等有害介質，影響供電系統運行的不確定因素也較多，事故發生率高，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，不斷強化人員素質的管理，煤礦井下供電系統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生，影響了煤礦的安全生產，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，降低了勞動生產率。因而，對井下供電系統實施微機保護和監控也十分迫切。

1 綜合保護系統的功能及井下常見故障分析

1.1 綜合保護系統的功能

·測控功能：本系統具有“遙測、遙信、遙控、遙調”四遙功能。遙測是指本系統能檢測采區變電所每次出線的電流、電壓、功率、COSΦ、開關內溫度等模擬量。遙信是指本系統能檢測開關的位置狀態及實驗按鈕狀態。遙控是指本系統能對開關進行正常分、合閘操作。遙調是指本系統能在上位機對饋電開關進行保護動作值整定。

·保護功能：本系統具有漏電保護、過載保護、短路保護、欠壓保護、斷相保護等保護功能。

·絕緣監測功能：本系統能對低壓饋電線路絕緣狀況進行實時監測并且具有漏電閉鎖功能。

·故障記憶功能：漏電、過載、短路等故障發生時，本系統在上位機或下位機均可記憶故障發生的時刻和類型。

·通信功能：所內采區開關智能監控單元采用RS-485現場總線通信方式，并且與采區工控主機進行實時通信。

·現場顯示功能：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。包括監測參數顯示、通信情況顯示(上行、下行)、故障類型、系統正常指示、電源指示及系統自檢情況等。

1.2 井下電網常見故障特性分析

煤礦井下供電系統在運行時，可能會出現各種故障和不正常運行狀態。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。對于系統的保護常用故障特征量進行分析與綜合。如電網中發生兩相短路時，系統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中出現頻率最高的故障形式。若某一支路發生漏電或人身觸電，最大的特點是會有零序電流產生，非故障支路零序電流由支路流向母線，其大小為：

Ioi=3U0(1/r+jwc) (1)

式（1）中：r和C分別為各支路每相對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απ/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。根據零序電流的方向可以區分故障支路和非故障支路，從而實現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對稱性故障和不正常運行狀態，它們共同的特點是：故障后三相電流仍然對稱，系統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，電網還允許繼續運行，否則就要進行保護。煤礦井下大多數電氣設備，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、導數算法、傅里葉算法、沃爾什函數算法、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劣的標準是精度和速度。人們已經進行了大量的研究，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對保護功能的要求、應用場合來具體確定。

2.1 故障檢測算法

故障檢測算法要盡量簡單并且運算量小，又要能對所監視范圍內的故障做出靈敏的反應。電力系統正常運行與故障狀態的區別，特別體現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：

△i(t)=i(t)-(-1)ni(t-nT/2) (3)

式（3）中：△i(t)為電流故障分量；i(t)為實測電流；T工頻周期；n=±1,±2,…

將式（3）離散化可得：

△i(k)=i(k)-(-1)ni(k-nN/2) (4)