高压防爆开关微机保护技术研究

卢艳君

（西山煤电东曲煤矿，山西 古交 030200）

引言

煤矿井下供电系统常采用6 kV 或10 kV 小电流接地系统，系统中井下中央变电所、采区变电所和移动变电站中，均有高压防爆开关的应用。自20世纪90 年代以来，高压防爆开关继电保护技术逐渐采用微机保护，随着控制器和局域网络通信技术的更新换代，其功能和性能都在不断完善和提高，因此，研究现阶段高压防爆开关微机保护的设计思路和关键技术，对煤矿供电系统的可靠性具有重要意义。

1 井下高压防爆开关

1.1 井下供电系统

在我国煤矿井下供电系统中，6 kV 小电流接地高压供电系统是一种常见的方式，变压器中性点不接地或经消弧线圈接地，图1 为其示意图[1-2]。地面变电所从电网取电，送入井下中央变电所，井下中央变电所对采区变电所供电，采区变电所向移动变电站供电。在井下的中央变电所、采区变电所和移动变电站等不同场合的高压电气设备中，高压防爆开关均有应用。

图1 煤矿井下6 kV 供电系统示意图

1.2 矿用高压防爆开关

矿用高压防爆开关适用于爆炸性危险气体环境中，对10 kV 或6 kV 电力系统进行控制和保护，除此以外还可以作配电或电机启动之用。在煤矿井下供电系统中，高压防爆开关的作用有：在中央变电所，高压防爆开关向采区变电所配电，或将数台高压防爆开关并联起来起动控制主排水泵等高压电气设备并对其供电。在采区变电所，高压防爆开关向采、掘、运工作面供电或向皮带输送机等运输设备供电。在移动变电站，安装在顺槽的高压防爆开关、干式变压器和低压馈电开关向综采、综掘工作面供电。

矿用高压防爆开关一般由防爆箱、断路器和保护装置三部分构成[3-4]。防爆箱内用隔板分为作用不同的三个小室，分别是引入高压电缆的布线室、设有观察窗的隔离开关室、电压电流互感器和真空断路器室，防爆箱右侧配置了一个放置操作手柄和机电锁定装置的盒子。断路器一般采用单稳永磁断路器，通电15 s 后按下合闸按钮，动铁芯移动到下端盖形成磁回路，合闸动作完成，然后对分闸弹簧储能，为分闸准备。分闸时分闸弹簧将动铁芯拉至上端盖，强磁回路断开，实现分闸。

2 高压防爆开关微机保护技术

高压防爆开关是煤矿井下继电保护的重要组成部分。近些年来，局域网通信技术和微机保护技术更新换代，传统的微机保护技术已经不能满足需求，因此多功能、智能化的综合保护器成为高压防爆开关微机保护的发展趋势。

2.1 综合保护器功能

1）基本保护功能。实现线路和变压器电路保护是综合保护器的基本功能，包括短路保护、过载保护、选择性漏电保护和绝缘监视保护。

2）电能质量监测功能。为了分析电能质量，综合保护器一般具有电能质量监测功能，通过采用高精度A/D 芯片采集数据，经过傅里叶算法和频率跟踪技术得到电压和电流信息，进而计算出被保护高压防爆开关的功率情况。

3）数据存储与故障录波功能。为了方便运维人员跳闸后检查系统的运行情况，综合保护器能够将故障跳闸时的相关数据存储在SD 卡中，在保护器失去电源后也不回丢失，工作人员通过按键操作能够查看故障波形和事件信息。

4）人机交互功能。人机交互功能一般采用两种方式，一是工作人员通过红外遥控器调整定值，二是通过液晶显示器显示高压防爆开关的警告指示信息。

2.2 软硬件设计

综合保护器的硬件部分主要包括核心控制器及其外围电路，核心控制器的选择多种多样，从最初成本较低的单片机，发展到现在运算速度快、数字信号处理能力强的PLC、ARM、DSP 等[5-6]，其特点各不相同，但其总体结构类似，图2 是以TMS320LF2407 型号的DSP 为主控制器，以AT89C55 单片机为辅助处理器的双CPU 系统硬件结构图，两个CPU 通过双口RAM电路进行通信，具有运算速度快、计算精度高的特点[7]。DSP 外围电路有模拟量输入电路、绝缘监视保护电路、开关量输入电路、开关量输出电路、CAN 通信电路等，单片机负责按键输入、液晶显示、通信接口等辅助功能。软件设计能够使综合保护器稳定运行实现各项功能，不同的控制器软件设计方法也不同，大多数软件设计思路采用模块化设计语言，将整个软件系统分为初始化模块、故障处理模块和通信模块，初始化模块完成寄存器、开关量和模拟量接口、人机接口的初始化和自检。故障处理模块对故障类型判断并动作，以及报警和显示等，通信模块负责接收和发送远程指令。

图2 以DSP 为核心的综合保护器硬件系统结构图

3 关键技术研究

3.1 漏电保护技术

一般而言，漏电指的是非金属接地故障，对于中性点不接地系统的漏电保护，多采用零序电流型和功率方向型漏电保护原理，对于中性点经消弧线圈接地系统，在消弧线圈电感的补偿作用下，使故障馈线的零序电流可能变得很小，不能采用零序电流型原理进行漏电保护，因此漏电保护技术是综合保护器的一项关键技术，有学者提出用依据零序电流和零序电压的相位和幅值设定启动值来判断是否发生漏电故障，不受中性点运行方式的影响[7]。漏电保护动作不准确难以用单一方法解决，有的学者提出采用暂稳态和参数识别方法，结合电网模型特征的多判据融合处理，提高矿用防爆高压开关综合保护器漏电保护动作的准确性[8]。

3.2 防越级跳闸技术

越级跳闸是煤矿井下供电系统经常发生的故障，如果上级开关供电范围大，可能使整个生产系统瘫痪，危及人身安全。引起越级跳闸的常见情况有：电路电流过大、开关机构存在延迟、整定值设置不准确；保护装置误动作。防止越级跳闸的手段有：加装电抗器加大短路电流差、避免电源并列、采取双回线供电。防越级跳闸措施是高压防爆开关综合保护装置的一项关键技术，有的学者采用短路保护延时技术，有学者采用GOOSE 技术传递闭锁信号，防止越级跳闸[9]。

3.3 故障诊断技术

故障诊断技术是综合保护器通过采集的数据在线分析矿用防爆开关的故障类别和运行状态的技术。高压防爆开关在发生不同故障时的特性不同，主要包括分合闸线圈电流、储能电容电压、断路器动作状态、真空灭弧室真空度等，利用各种传感器采集相应状态发送给综合保护器，以便进行综合分析。

4 结语

在高压防爆开关微机保护系统的研究中，在实现基本电路保护功能的基础上，其他高级功能越来越完善，综合保护器的硬件设计也越来越先进。漏电保护技术、防越级跳闸技术和故障诊断技术是高压防爆开关微机保护系统的三种关键技术，能够显著提高煤矿高压防爆开关及井下电力系统的可靠性。