矿用移动变电站低压真空馈电开关测控系统的研制

张同林

[摘要]由于煤矿井下环境比较恶劣，低压电网经常会出现漏电、短路等各种故障，而传统的移动变电站低压馈电开关保护电路过于复杂，插件较多，满足不了安全供电的要求。因此研究高性能、大容量的低压馈电开关测控系统对保障人身安全和提高供电质量具有重要的现实意义。

[关键词]工矿变电站馈电开关

中图分类号：TM7文献标识码；A文章编号：1671－7597(2009)0210046－01

一、研究移动变电站低压馈电开关的意义及微机型测控系统的必要性

随着现代采煤机械化程度的提高，采煤工作面使用的机械装置用电容量越来越大，致使传统的由采区变电所向采煤工作面供电的供电方式已不能满足矿井安全供电的要求。所以现代高档机械化采煤工作面，特别是综采工作面，大多采用高压深入负荷中心的移动变电站供电方式。在这种供电方式中，尽管高压电缆有所增加，但可大大减少低压电缆，节省铜材，减少电能损失，最为重要的是可提高采掘工作面的供电质量，保证采掘机械电动机的正常运转，降低电动机的烧损概率。

煤矿井下工作环境恶劣，空气潮湿，温度较高，低压电网经常会出现漏电和单相接地故障，故障若不及时排除，电网绝缘将会承受线电压，长期运行将导致绝缘击穿，发展成三相或两相短路故障。另外，在接地点出现的电弧和电火花能量会导致煤尘、瓦斯爆炸，直接危及人身安全。而矿用隔爆型移动变电站主要用于有甲烷混合气体、煤尘和爆炸危险的矿井中，作为煤矿井下综合机械化采掘设备配电装置。该装置包括矿用隔爆型干式变压器、隔爆型高压负荷开关、隔爆型低压馈电开关。其中，低压馈电开关主要是对低压电网在运行中出现的漏电、过载、短路、失压和过压等故障进行保护，因此，其性能的好坏直接影响着煤矿井下供电的可靠性、安全性和连续性。

随着煤矿井下机械化和自动化水平的提高，供电方式的改变与容工改的增大，对控制单元的要求也相应提高。从1997年国际煤炭博览会上可以看出，国外矿用控制开关不断更新，大多采用微机控制，充分发挥计算机灵活、快速、准确的特点，使其在性能和功能方面都显著优于传统的保护系统。而我国在这一方面的研究工作相对比较落后，只有少量的馈电开关采用微机控制，但无论在性能还是人机交互方面都明显存在缺陷。首先是开关的分断能力小、速度慢，保护动作时间长，性能不稳定，尤其是过载动作时间具有阶段性；其次短路故障大多采用鉴幅式保护原理，在保护范围和灵敏度方面存在冲突；第三是系统参数的整定极不方便，使微机的许多功能没有发挥出来。针对以上这些情况，研制移动变电站低压馈电开关测控系统，将微机保护推广应用于煤矿井下，进一步提高保护性能，满足煤矿生产发展的需要，成为本课题的研究目的。

二、移动变电站低压馈电开关测控系统的基本要求

根据移动变电站在煤矿井下供电系统中的枢纽作用，参考《煤矿安全规程》，对移动变电站低压馈电开关测控系统提出以下几点要求：

1、可靠性保护系统能准确判断电网的故障类型，可靠执行相应的操作。2、大容量移动变电站主要是把高压电能转换成低压电能，向用电量较大的采煤工作面机械设备供电，因此其配套低压馈电开关应有较大的容量。3、快速性当保护范围内发生故障后，保护系统衍映速反应，防止故障范围扩大，降低电气设备的损坏程度。4、灵敏度保护系统应具有较强反应故障的能力。即不论在保护范围的始端还是在保护范围的末端发生故障，保护系统均应准确反应，甚至在后备保护范围发生故障时，也应具有一定的反应能力。

三、低压电网故障保护原理

本文所设计的移动变电站低压馈电开关测控系统主要用于保护煤矿井下低压电网。因此本章在分析电网各种故障特征的基础上，着重阐述了针对各种故障所采取的保护原理，大致如下：

1、漏电保护：采用附加直流电源检测原理，有漏电闭锁和漏电保护两种功能；2、对称短路保护：采用相敏保护原理，在扩大保护范围的同时又能提高保护的灵敏度；3、不对称故障保护：采用负序保护原理，可以处理不对称短路和断相等多种不对称故障；4、过载保护：采用鉴幅式方法，应用反时限动作原理，可靠地保证了电网的正常工作；5、过压、欠压保护：采用鉴幅式原理，避免了电网长时间工作在不正常电压下。

四、测控系统硬件设计

该测控系统是井下移动变电站的重要组成部分，是针对煤矿井下低压电网而设计的。系统能够独立完成对低压电网各物理量参数的检测、计算和逻辑处理，并能够与上位机进行数据交换，完成“测量、监控、保护”等功能，具体如下：

(一)数据采集功能

1、模拟量采集：即实时采集低压电网的电流、电压、负序和漏电的模拟信号，作为电网中各种故障的判断依据。

2、频率量采集：即通过单片机的高速输入口采集一系列脉冲信号，计算电网的功率因数。

(二)人机对话界面

采用拨码盘输入电网各项参数整定值，输入参数有：电网额定电流、对称短路倍数和不对称短路倍数：通过液晶显示器实时显示电网的工作电压、工作电流和对地绝缘电阻，发生故障时显示故障类型及故障参数。另外还有电源指示灯和故障指示灯，以方便工作人员识别和检修。

(三)保护功能

保护功能是测控系统的重点。对电网的短路故障、漏电故障和人身触电，要求速断保护；当电网出现过载故障时，采用反时限延时保护：当电网电压低于额定电压的75％时，进行欠压保护：当电网电压超过额定电压的110％时，进行过压保护。

(四)通讯功能

测控系统通过RS-232口与上位机进行串行通讯，从而实现远方监控功能。

(五)自检功能

为了减少微机系统出错的概率，在系统投入运行之前，先进行自检，如果有故障就发出警告，并做出相应的处理。

五、测控系统软件设计

1、软件结构。系统软件采用模块化结构，循环扫描方式。整套软件分初始化模块、额定参数检测模块、起动前故障检测模块、合闸后故障检测模块、数据处理模块、漏电闭锁检测模块、中断响应模块和液晶显示模块等几部分。这些功能模块分别进行独立设计、编程和测试，最后链接在一起进行系统调试。这样设计的优点是单个模块比较容易编写、测试和维护，也便于修改、更新和扩充，某些功能模块还可供其它程序调用，所以提高了应用程序的编写效率。

2、主控程序。主控程序也就是监控程序，是整个系统软件的调度中心，它将各功能模块按一定的逻辑关系组合在一起，来完成整个保护任务。主要完成子程序的调用、断路器的开合闸及故障判断、液晶显示终端显示等功能。