[工程科技]矿用隔爆型移动变电站低压保护系统的设计.doc

安徽理工大学毕业设计 本科毕业设计说明书本科毕业设计说明书 矿用隔爆型移动变电站低压保护系统矿用隔爆型移动变电站低压保护系统 FLP TRANSFORMER SUBSTATION LOW VOLTAGE PROTECTION SYSTEM DESIGN 学院（部）： 电气与信息工程学院 专业班级： 学生姓名： 指导教师： 年 月 日 安徽理工大学毕业设计 矿用隔爆型移动变电站低压保护系统的设计 摘要 移动变电站是煤矿井下用的可移动的成套供电设备，由隔爆型高压负荷开关、隔 爆型干式变压器和隔爆型低压馈电开关三个部分组成。由于煤矿井下工作环境非常恶 劣，低压电网中经常会发生短路，漏电等各种故障。为了保证矿井供电系统的可靠性， 作为综采工作面用电设备主电源的移动变电站除了提供电源以外，还必须具备保护测 控功能，用于实时监测井下低压电网的运行状态。移动变电站这种保护测控功能由矿 用移动变电站保护测控装置提供。 本课题研究的是研制一种基于 DSP（DSPIC30F6015）集多种保护、测控、通信功 能于一体的矿用隔爆型移动变电站低压保护系统。主要内容如下： 介绍了移动变电站在国内外的现状和发展趋势，以及国内现存移动变电站低压保 护系统存在的缺陷，分析了研究新型移动变电站低压保护系统的必要性。 结合传统移变高压侧保护测控装置存在的不足和缺点，根据移动变电站的特殊要 求，本文设计开发了一套多功能、高可靠性的移变高压侧保护测控与诊断系统。 针对测控系统的技术要求，论文中分析了井下低压电网中可能发生的各种故障， 并针对各种故障特征提出了相应的保护原理。 硬件设计对主要电路和器件进行分析，充分利用 DSP 外设口多的功能特点，简化 了系统。软件系统采用模块化的编程思想，具有很好的灵活性和可移植性。采用 RS485 串行通信实现系统的远程控制，满足了井下供电系统的网络化需求；保护测控 系统的双 CPU 结构，在技术上与速度上保证了系统对各种故障诊断的准确性与实时性。 关键字：煤矿关键字：煤矿，移动变电站移动变电站，DSPDSP，低压电网低压电网，保护系统保护系统 安徽理工大学毕业设计 I FLP TRANSFORMER SUBSTATION LOW VOLTAGE PROTECTION SYSTEM DESIGN ABSTRACT Movable Transformer Substation is the Complete Set Power Supply Equipment using under coal mind，which is made of FlameProof Type high voltage load-breaking switch，Flame-Proof Type drytype transformer and low voltage feeding switchNowadays，the movable Transformer Substations that are using in the Coal Industry in our country mainly contain two voltage grade，6KV and 10KVAs the working environment under the coal mind is very bad，the low voltage distribution network is easy to have faults such as short circuit，overload and current leakage and so onTo ensure the reliability of the power supply system，the movable transformer Substation which is the main power supply equipment should also supply protection，measure and monitor functions that are used to monitor the status of the low voltage distribution networkThese functions of the movable transformer substation are supplied by the protection，monitor and diagnosis system The research is based on the development of a DSP (DSPIC30F6015) set a variety of protection，monitoring and control，communications functions in one switch feed mine detection and protection systemsAre as follows: First introduced the movable transformer substations at home and abroad， the current situation and development trends，as well as the existing protection of movable transformer substations，analysis of research performance need to movable transformer substations Considering the deficiency and shortage and according to the new special requirements of the movable transformer substation，this paper develops a multifunctional and high reliability protection，monitor and diagnosis system for the movable transformer substation Measurement and control system for the technical requirements，and the second chapter focuses on an analysis of underground low-voltage power grids 安徽理工大学毕业设计 II in a variety of failures that may occur，and for a variety of failure characteristics of the protection of the corresponding principle Hardware design of the main circuit and device analysis，I take full advantage of multi-functional characteristics of DSP peripherals to simplify the systemModular software system for programming ideas has good flexibility and portabilityThe application of RS485 serial communication makes the remote control come true，which achieves network of the power supply under the coal mindThe double cpu structure ensure the accuracy and real time performance of the system on technique and speed KEY WORDS: :coal mines，movable transformer substation，DSP，low voltage power network，the protection system 安徽理工大学毕业设计 III 安徽理工大学毕业设计 目录 摘要 I ABSTRACT .II 1 绪论.1 1.1 研究矿用隔爆型移动变电站低压保护系统的目的和意义.1 1.2 国内外矿用隔爆型移动变电站低压保护系统的研究情况.1 1.2.1 国外研究情况 .1 1.2.2 国内研究情况 .2 1.3 矿用隔爆型移动变电站存在的问题.3 1.4 矿用隔爆型移动变电站的基本要求.3 1.5 本论文研究的主要内容.4 2 移动变电站变压器励磁涌流成因及解决方法.5 2.1 移动变电站的结构与作用.5 2.1.1 移动变电站结构 .5 2.1.2 移动变电站的作用 .5 2.2 移动变电站励磁涌流的成因分析.5 2.3 励磁涌流对移动变电站保护装置的影响.8 2.4 励磁涌流的抑制措施.8 2.4.1 影响变压器励磁涌流因素的分析 .8 2.4.2 励磁涌流的抑制措施 .9 2.5 本章小结10 3 低压电网故障保护原理12 3.1 概述12 3.2 漏电保护12 3.2.1 漏电保护装置的要求 12 3.2.2 漏电保护原理分析 12 3.3 短路保护14 3.3.1 短路故障 14 3.3.2 短路故障保护原理 14 3.4 过负荷保护20 3.4.1 过负荷 20 3.4.2 过负荷保护原理 20 3.5 过压与欠压保护20 安徽理工大学毕业设计 i 3.5.1 过压保护 20 3.5.2 欠压保护 21 4 移动变电站保护测控装置硬件系统与抗干扰措施22 4.1 系统功能简介22 4.2 系统硬件概述22 4.2.1 模拟量输入模块 23 4.2.2 微处理器核心部件模块 24 4.2.3 开关量输出电路 30 4.3 硬件电路设计30 4.3.1 漏电闭锁 30 4.3.2 短路保护的设计 31 4.3.3 过压、欠压保护 37 4.3.4 过载保护 37 4.3.5 跳闸电路 37 4.4 声光报警电路37 4.5 硬件抗干扰措施38 4.6 本章小结40 5 移动变电站保护测控装置软件设计41 5.1 系统软件构架介绍41 5.2 系统软件概述41 5.2.1 主程序 41 5.2.2 AD 中断程序43 5.2.3 通讯程序 44 5.2.4 液晶驱动程序 47 5.3 本章小结48 6 结论49 6.1 结论49 6.2 展望49 参考文献 .50 致谢 .51 安徽理工大学毕业设计 0 1 绪论 1.1 研究矿用隔爆型移动变电站低压保护系统的目的和意义 当今，高产高效集体化生产，代表着世界煤炭生产的发展方向。随着采煤机械单 机容量的增大，工作面总装机容量急剧增加，对供电设备的要求越来越高，而矿用隔 爆型移动变电站是高产高效综合机械化采煤的主要供电设备。因此，要发展煤炭事业， 满足日益增长的能源需求，必须在发展煤炭开采综合机械化的同时，加强移动变电站 的研究和开发工作，以满足煤炭开采业的发展需求。 随着我国科学技术的快速发展，煤炭工业在生产能力和技术水平方面都有了长足 的进步。但由于我国配套设备的发展相对滞后，致使所有电控设备全部依靠进口，这 种设备尽管整体质量高，但配件贵，供货周期长，这种局面大大制约了煤炭工业的发 展速度。煤矿企业为了降低成本，提高竞争能力，必须加强产品的高科技含量。因此， 利用微机技术研究具有自主知识产权的智能型移动变电站保护测控系统，以提高它的 稳定性、可操作性、维护性和智能性，实现变电站综合自动化具有非常重要的现实意 义。 1.2 国内外矿用隔爆型移动变电站低压保护系统的研究情况 1.2.1 国外研究情况 国外移动变电站发展至今已有几十年历史了，根据其发展特点，总体来说经历三 个阶段： 1）20 世纪 60 年代的研究开发起步阶段 20世纪60年代初期，英国、西德、苏联等采煤大国，已经开发并推广采用了移动 变电站。在这个时期，由于变压器绝缘技术以及移动变电站开关技术都比较落后，变 压器的电压等级与容量都比较小，开关分断能力有限。1965年我国从英国引进的却盘 纳采煤机组时，曾随同引进了移动变电站，其容量为180kVA，电压为660V，高压侧开 关为高压负荷开关，低压侧开关为空气断路器。 2）20世纪7080年代的发展阶段 20世纪7080年代，这个时期由于变压器绝缘技术以及移动变电站开关技术都有 了较大的发展，开始出现环氧树脂绝缘材料，移动变电站电压等级与容量开始增大， 且开始采用SF6开关。这个时期，我国从西德、英国、日本、苏联、波兰等国，引进了 大批采煤机械设备，也同时引进了这些国家制造的移动变电站。其容量高达750kVA， 二次电压达12kV，高压侧开关已采用SF6断路器。高压侧保护性能较完善，低压侧 开关己采用真空断路器，分断能力和寿命更高了。 3）20世纪90年代以来的相对成熟阶段 安徽理工大学毕业设计 1 20世纪90年代以后，随着变压器绝缘技术的进一步发展，开始出现耐高温的 Nomex芳香聚酰胺(Aramid)绝缘材料。移动变电站电压等级与容量大大提高。这个时期 的移动变电站主要呈现以下几个方面的特点： （1）大容量。变压器容量达几千千伏安并有继续上升的趋势。 （2）高电压。高压侧电压达十千伏以上，低压侧可达五千伏。 （3）变压器多绕组。多绕组可同时提供多种电压，从而减少工作面移动变电站的 数量，节省投资。 （4）低压侧开关多样化、多路化。低压侧开关有SF6馈电开关，真空馈电开关， 低压保护箱，负荷开关等型式，开关能力显著提高。 （5）微机监控。移动变电站的高压侧开关，低压侧开关，均用微机进行监测、控 制、保护和通讯。实现保护、控制与监控的一体化。 1.2.2 国内研究情况 先进的煤炭生产工艺过程要靠先进的煤矿机械装备来实现。矿用隔爆型变压器作 为是涉及人身和设备安全的特种煤矿机械装备，在国民经济中占有重要地位。因此， 矿用隔爆变压器的发展与进步与煤炭行业发展休戚相关。我国在 20 世纪 70 年代开始 研制矿用变压器，限于当时材料和技术的原因，生产厂家和产品很少。到了 20 世纪 90 年代中期以来，矿用变压器逐渐快速发展，矿用变压到了商业化生产的阶段，但同样 受技术和材料的限制，国产隔爆型变压器与国外相比体积大、成本高、性能差。到 2000 年，产品仍主要集中在电压等级 610kV，容量一般在 25000kVA 以下，我国煤 矿的成套供电设备呈进口为主，国产为辅的局面。 2000 年以来，政府加大了煤矿安全投入和技术改造力度，强化煤矿安全基础，提 高煤矿安全生产保障能力。给矿用变压器生产企业带来了良好的发展契机。目前全国 有矿用变压器生产资质的生产厂家约为 50 多家，但形成有一定规模的矿用隔爆变压器 厂不足 20 多家。企业的生产能力呈现金字塔型分布，第一类企业大中小型规格齐全， 产品覆盖全国主要产煤区，形成一定的生产能力和实力的厂家约占总数的 10%，国内 知名业内企业有中联电气、中电电气、华星电气、通化变压器、抚顺特变等为数不多 的几家；第二类企业以生产中小型容量产品为主，产品在区域市场具有一定竞争力， 厂家约占总数的 30%；第三类生产小型容量产品，厂家约占总数的 60%。第二、三类 企业的生产技术只相当于国际上 20 世纪 90 年代初期的水平。 目前国内中小容量市场竞争日趋激烈，行业集中度不高，而技术含量高的 2500kVA4000kVA 大容量变压器市场，由于行业准入门槛较高，市场被中联电气、 华星电气等企业垄断，基本将进口产品挤出了市场，竞争态势相对缓和。特别是中联 电气已成为了行业中发展最快，成长最好的企业，该企业是全行业中通过强制安标认 安徽理工大学毕业设计 2 证后，产品投入批量生产后型号最全，容量最大的企业。0507 年同类产品在全国销 量第一，约占全国市场份额的 18%。预计在 2007 年完成变压器产量 85 万 kVA 的基础 上，中联电气 2008 年有望达到 100 万 kV 平，生产容量将会翻番。从目前市场及技术 角度来看，中联电气的生产能力和技术装备水平在国内同行业中处于领先水平，部分 生产工艺已达到国际先进水平，2500kVA 以上等级大容量产品，已占据 60%左右的市 场份额，处于行业领跑，技术绝对领先的地位。2006 年江苏中联电气率先成功地研制 出了我国第一台 4000kV 矿用隔爆型变压器并已实现了批量生产，其运行指标与进口变 压器完全相当。该产品投产后减少了我国对大容量矿用变压器进口的依赖度，降低了 建设投资和生产成本，对促进煤炭待业发展起到重要的作用，行业龙头老大的地位不 可动揺。 1.3 矿用隔爆型移动变电站存在的问题 移动变电站发展到今天，基本上已经实现了微机化。然而，随着煤炭综合自动化 程度的不断提高以及移动变电站电压等级和容量的不断提升，传统移动变电站的一些 弊端逐渐显露出来。 （1）传统移动变电站没有解决变压器励磁涌流问题。当变压器空载合闸时，会产 生与变压器电压合闸初相角有关的励磁涌流，励磁涌流会引起移动变电站保护误动作。 早期的移动变电站电压等级不高，因此励磁涌流的影响表现并不明显，但随着移动变 电站电压等级的不断提高，励磁涌流己经成为一个不可忽视的问题。 （2）传统移动变电站微机保护主要采用传统全波傅氏算法，传统全波傅氏算法无 法滤除衰减直流分量。而矿井底下条件非常恶劣，各种电动机启动以及变压器合闸时 产生的涌流中都含有大量的衰减直流分量，导致测控装置采集的电压与电流量中含有 较大成分直流衰减分量，采用传统全波傅氏算法必然产生较大误差。同样，当变压器 电压等级以及容量比较小时，衰减直流分量含量也比较小，其作用并不明显，但是随 着移动变电站电压等级的提高，其影响己不可忽视。 （3）传统移动变电站采用低跳高模式，即当低压侧发生故障时，给高压侧一个馈 电开关信号使高压侧跳闸。这种“一刀切”的方式存在严重的弊端，因为低压侧发生故 障时，高压侧只获得低压侧的一个开关量信号，没有获取低压侧的具体故障信息，低 压侧出现误判时将直接引起移动变电站误动作。使移动变电站可靠性降低。 （4）传统的移动变电站微机保护主要采用一个CPU结构，但随着煤炭综合自动化 程度的不断提高，移变智能保护测控装置所需要的功能也越来越多，对速度的要求也 越来越高。使用单个CPD结构无论是在资源上还是速度上已经无法满足这种要求。 1.4 矿用隔爆型移动变电站的基本要求 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 安徽理工大学毕业设计 3 动变电站控制系统提出以下几点要求: （1）可靠性。移变保护测控系统必须能准确地判断故障类型，可靠地执行相应的 操作，并能在故障分闸后闭锁，防止故障状态下合闸。 （2）快速性。在保护范围内发生故障后，移变保护测控系统应快速反应。防止故 障范围扩大，降低电气设备的损坏程度。 （3）灵敏度。测控系统应具有较强的反应故障的能力。即不论在保护的始端还是 在保护范围的末端发生故障，测控系统均应准确反应，后备保护范围发生故障时，也 应具有一定的反应能力。 （4）选择性。保护动作应具有选择性，即有选择地切除配电网中发生故障支路， 保证非故障支路供电的连续性，尽量缩小中断供电的范围。 为了满足保护测控装置的可靠性与选择性要求，保护测控装置必须具备故障诊断 功能，通过故障信息准确诊断系统的故障类型从而做出相应的措施，保证系统高度的 可靠性与准确的选择性。为了满足系统的快速性与灵敏性要求，必须提高系统的运行 速度，尽量减少数据处理时间延迟以及装置动作时间延迟。结构上可以采用双 CPU 结 构以及多 CPU 结构。 1.5 本论文研究的主要内容 本文根据当今移动变电站的发展出现的新特点以及传统的移动变电站存在的不足 和缺点，在理论研究的基础上，开发出一套高精度，高可靠性且多功能的移动变电站 保护测控与诊断系统，满足当前煤炭工业的发展需求。本文内容主要有以下几个部分： （1）介绍了移动变电站的基本特点，分析了移动变电站空载合闸时产生励磁涌流 的原因及对移动变电站的影响，并提出了基于能耗比的变压器励磁涌流与故障电流的 识别新判据，并对结果进行仿真以及实验验证。分析了影响励磁涌流的两个主要因素， 并针对性的提出抑制励磁涌流的措施。 （2）介绍了矿井内移动变电站的分布及连接方式，分析了移动变电站低压电网故 障的特征，并针对性提出了各种措施。 （3）开发以数字信号处理为核心的测控系统，编制软件并建立液晶显示系统和通 讯系统。 （4）介绍了移动变电站保护测控与诊断系统的硬件结构，并分析了各个模块的功 能以及设计要点，并提出针对性抗干扰措施。 （5）介绍了移动变电站保护控制与诊断系统的软件结构。 （6）对全文进行总结，并对后续研究工作提出展望。 安徽理工大学毕业设计 4 2 移动变电站变压器励磁涌流成因及解决方法 2.1 移动变电站的结构与作用 2.1.1 移动变电站结构 矿用隔爆型移动变电站（简称移动变电站）由移动变电站用矿用隔爆型高压真空 开关（简称高压真空开关） 、矿用隔爆型干式变压器（简称干式变压器） 、矿用隔爆型 低压保护箱（简称低压保护箱）组成。其配电方式是采用移动变电站供电负载，如发 生短路、过载、欠压及漏电等故障，通过低压保护箱获得信号反馈至高压真空开关， 驱动高压侧断路器分闸。干式变压器本身故障也可由高压真空开关实施保护，不需切 断上一级配电装置。移动变电站高压侧可以显示电流、电压及功率等参数。由于采取 断高压的方式，故电流比低压小，克服了原移动变电站负责侧故障只能由低压馈电开 关保护，高压开关仅是一个隔离开关的弱点。 2.1.2 移动变电站的作用 移动变电站以其容量大、体积小、功能完善、安全可靠、运输方便的特点，在国 民经济特别是煤矿工业中越来越显现出其强大的优势。移动式变电站在煤矿供电系统 中主要应用有： （1）在突发自然灾害或设备事故而需立即进行抢险救灾供电的紧急状态下，如系 统无备用容量，可全部或部分替代某一常规变电站迅速投入供电。 （2）在采区供电中，采用移动式变电站，可以满足重型机械化采煤机组大容量、 高电压供电要求，并能随采掘工作面一起推进，能较好地解决供电压降过大或短路保 护灵敏度不足的问题。 （3）在电力需求快速增长，供电距离相对较远，超出预先电力建设的规划，建立 永久性变电所困难时，作为临时变电站投入运行，以缓解电力供应紧张局面，如煤矿 掘进延伸工程。 （4）在因资金短缺或由于其它原因某一区域永久变电站建设暂停，作为临时性变 电站投入运行。 （5）矿用移动式变电站不仅作为煤矿井下供电的设备，同样可扩展到地面供电系 统，井上井下可以通用，使设备综合利用率进一步提高。同时可节省征地、土建及变 电所设备安装等方面投入，运营成本降低。 安徽理工大学毕业设计 5 2.2 移动变电站励磁涌流的成因分析 变压器是移动变电站中重要设备，其安全与可靠运行非常重要。变压器在正常运 行时，励磁电流很小，通常只有额定电流的 3-8%，大型变压器甚至不到 1%。可是在 空载合闸时，就会产生与变压器合闸时电压初相角以及变压器特性有关的励磁涌流。 在最不利的情况下，励磁涌流可以达到额定电流的几倍。其最直接的影响就是导致变 压器保护装置误动作。早期的移动变电站由于容量与电压等级不高，励磁涌流造成的 影响很小。但随着现代煤炭工业的发展，综合机械化程度不断提高，所需要的移动变 电站的容量与电压等级越来越大。这种情况下，移动变电站励磁涌流问题己经不可忽 视。下面分析单台变压器空载合闸时励磁涌流形成原因。 单台变压器在空载合闸时，由于其磁链不能突变，如果在电压非过零点合闸时， 为了维持初始磁链不变，就会产生一个呈指数衰减的磁通分量。由于该瞬态磁通分量 衰减很慢，当与呈正弦变化的稳态磁场叠加时，在最大的时候可以达到正常励磁磁通 的两倍，导致变压器铁心迅速饱和，从而产生了远大于正常励磁电流的励磁涌流。 为了分析励磁涌流产生的机理，首先对单台变压器进行分析。单台变压器的模型 如图 2-1 所示。 图图 2-12-1 单台变压器励磁涌流分析等效模型单台变压器励磁涌流分析等效模型 根据图 2-1，建立电压方程式如下 （2-1） )sin(2)( tUirR dt d 式中：r为初级绕组的等效电阻；R为线路电阻；为初级绕组磁链；U为外施电压的有 效值；为外施电压的初相角；i为励磁电流的瞬时值。考虑到变压器的绕组电阻r及线 路电阻R较小，故，可以取正常时的平均电感： dt d irR )( （2-2） i Lav 作为整个瞬态过程的电感，即把电感视为常数。把式（2-2）代入式（2-1）得： Um K R r L T i 安徽理工大学毕业设计 6 （2-3） )sin(2)( dt d tU L rR av 解上式微分方程得： （2-4） t L rR av av av av Ce rR L t LrR U L )tansin( )()( 2 1 22 由于，则： av LrR （2-5） m av av av U LrR U L rR L 2 )()( 2 90tan 22 01 代入式（2-4）并根据初始值，式（2-4）可改写为： 0)0( （2- t L rR mm av et )cos()cos( 6） 由式（2-6）可知，磁通量 由一个按指数衰减的瞬态分量与稳态分量组成；现 分析两种极端情况： （1）当合闸初相角 =00时，瞬态分量的幅值最大。在这种情况下合闸后半个周 期，即 t=/ 时，磁通瞬态分量与稳态分量叠加可达到 2，此时变压器铁心已经严 m 重饱和，相应的激磁电流急剧增大，可达到正常激磁电流的几百倍，或者说可达到几 倍额定电流。 （2）如果初相角 =900时，这种情况下，不含有瞬态磁通分量，这就避免了冲击 电流。由（2-6）式求得变压器总磁通后，为了近似求取励磁涌流，把磁化曲线作折线 处理，经折线处理后励磁涌流可用如下近似表达式： （2-7） 0 m av s m i L i s s 其中为变压器饱和磁通，I 为励磁涌流。 s im0 s 0 t im 安徽理工大学毕业设计 7 图图 2-22-2 变压器变压器励磁涌流波形集合波形励磁涌流波形集合波形 由式（2-6） 、 （2-7）可根据图解法画出励磁涌流波形如图 2-2 所示。 2.3 励磁涌流对移动变电站保护装置的影响 励磁涌流由于持续的时间比较短，对变压器本身影响不大，但由于其幅值比较大， 对移变保护测控装置却有很大的影响，主要表现在以下几个方面： （1）由于励磁涌流幅值很大，可以达到额定电流的几倍，当其超过移变保护测控 装置的短路故障整定值时将引起保护误动作。 （2）励磁涌流中含有很大的衰减直流分量，而移变保护测控装置采用的全波傅氏 算法无法滤除衰直流分量，因而会使计算结果产生较大误差。 （3）励磁涌流会对与其串联与并联的相邻移动变电站产生和应涌流，和应涌流也 会使移变保护测控装置误判产生误动作。 （4）变压器励磁涌流使相邻变压器产生和应涌流时，其上级移变输出端电流为励 磁涌流与和应涌流的和电流，由于励磁涌流与和应涌流极性相反，交替出现，因此使 得前级电路的输出端接近正弦波，基波幅值显著增大，很容易使前级保护发生过流误 动作。 由于励磁涌流很容易引起保护测控装置发生误动作，而矿用移动变电站对保护测 控装置的可靠性要求很高。因此，必须采用可靠的措施防止励磁涌流引起保护误动作。 2.4 励磁涌流的抑制措施 励磁涌流除了使保护测控装置误动作外，还会对移变变压器产生很多不利的影响。 如果是单台变压器运行时，由于励磁涌流持续的时间极短，对变压器本身造成影响不 大。但如果是多台变压器串联或并联运行时，会在其相邻的串联或并联变压器上产生 和应涌流。当和应涌流出现以后，会使励磁涌流衰减速度大大降低，持续时间大大延 长。这将对变压器本身造成以下两个方面的影响：首先，长时间的涌流作用会使变压 器铜耗迅速上升，远远大于正常时的铜耗。这将使变压器绕组的温度急剧上升，对变 压器的绝缘造成不利的影响。其次，励磁涌流对变压器线圈产生电磁力，由于电磁力 的大小与电流的平方成正比，因此，当励磁涌流出现以后，电磁力大大增大，远远超 过正常值，容易使绕组受到损坏。因此，必须采取适当措施抑制励磁涌流，防止励磁 涌流对变压器自身造成的损害。为了抑制励磁涌流，必须首先分析影响变压器励磁涌 安徽理工大学毕业设计 8 流的因素。 2.4.1 影响变压器励磁涌流因素的分析 变压器瞬态衰减磁通分量与变压器串联电阻密切相关，当线路没有串联电阻时， 由于线路等效电阻远小于变压器等效阻抗，对变压器的瞬态衰减磁通分量初值影响不 大，此时变压器串联电阻主要影响变压器衰减磁通分量的衰减速度。但当变压器串联 电阻较大时，串联电阻不仅影响衰减直流分量的衰减速度，还影响衰减磁通分量的初 始值。 变压器不同的串联电阻对变压器励磁涌流具有抑制作用，主要表现两个方面： （a）减小变压器励磁涌流的副值。但由于线路变压器等小电抗的作用，削减副值的作 用并不是很明显。 （b）加快涌流的衰减速度。由(2-6)式可见，涌流的衰减速度主要是 串联电阻决定，电阻 R 对加快涌流衰减速度的作用明显。 变压器瞬态衰减磁通分量还跟变压器合闸初相角密切相关，但合闸初相角主要是 影响瞬态磁通的幅值，对瞬态磁通衰减速度无影响。变压器合闸初相角为0度时励磁涌 流幅值很大，随着合闸初相角的增大，励磁涌流逐渐减小，当变压器合闸初相角为90 度时，励磁涌流基本消失。另外随着合闸初相角增大，励磁涌流的衰减速度并没有受 到影响。 2.4.2 励磁涌流的抑制措施 通过以上两种情况分析可知，变压器串联电阻主要影响励磁涌流的衰减速度，而 变压器合闸初相角主要影响励磁涌流的幅值。为了抑制励磁涌流，许多专家学者提出 了许多措施，综合前人研究，本文根据以上两个方面针对性的提出两种行之有效且简 单可行的抑制励磁涌流的措施。 （1）为了加快励磁涌流的衰减速度，当变压器合闸时，在三相线路中各相串入适 当的串联电阻，在变压器合闸完毕后从线路中切除串联电阻。这种做法可以有效的抑 制励磁涌流，但遇到的难题是操作复杂，必须在三相电路中同时添加串联电阻，且变 压器合闸完毕后也不容易从线路中切除。为了克服这个缺点，可以采用内插电阻法， 其原理如图2-3所示。当变压器合闸时，先断开开关K，此时电阻R串入电路，由于电阻 R接在中性线上，因此对三相可以同时起作用，避免各相都添加串联电阻。当各相都合 闸完毕后，闭合开关K，从而方便的切除电路电阻R，由于中性点在正常情况下留过的 电流很小，因此很容易实现开关的切换。 系 统 电 压 抑制励磁涌流 的串联电阻 安徽理工大学毕业设计 9 图图2-32-3 利用串联电阻利用串联电阻抑制励磁涌流的配置方案抑制励磁涌流的配置方案 （2）为了减少变压器的励磁涌流的增幅，必须采取适当的措施来控制合闸初相角， 在最理想的情况下，当变压器合闸初相角为90度时励磁涌流接近于零，这种情况下合 闸最有利，因此可采用选相关合技术控制变压器合闸初相角。选相关合技术是随着开 关技术的发展而提出的一种新型电力设备关合手段。由于变压器的励磁涌流的幅值与 变压器投入时系统电压的相位有关，因此利用选相关合技术控制变压器空载投入时刻， 可有效地限制励磁涌流。 值得一提的是，由于三相变压器在三相相位并不一致，各相在相角上分别相差 1200。因此，如果三相同时合闸时，即使是在其中一相合闸初相角为 900的时刻合闸， 在另外两相上的合闸初相角也不会为 90。因此对于三相变压器，无论在任何瞬间合 闸，至少有两相会出现不同程度的励磁涌流。因此，在合闸时各相不能同时合闸，必 须在时间上错开，如图 2-4 所示。 由图 2-4 中可以看出，A 相先在最佳时间即在合闸角为 90时合闸，此时 A 相绕 组中产生的磁通较小，接近于零。BC 两相绕组中将产生感应磁通，也叫动态磁通，其 幅 值为磁通最大值的一半，相位超前 A 相 1800。1/4 工频周期后，B，C 两相的预期磁通 和 A 相在其内的感应磁通均相等，则 B，C 两相在此刻合闸将是一个最佳时间的合闸， 这时，B，C 两相绕组内的磁通都未达到饱和点，从而削减了励磁涌流。 t/ms 0 磁通 A 相合闸 B,C 相合闸 A相 B相 C相 A 相在B,C 两相的感应磁通 安徽理工大学毕业设计 10 图图 2-2- A A 相先合闸时，相先合闸时，B B、C C 两相动态磁通变化两相动态磁通变化 2.5 本章小结 本章主要介绍了移动变电站的结构和特点，重点分析了励磁涌流形成的原因及对 移动变电站保护测控装置产生的影响，针对传统识别励磁涌流方法上存在的弊端，提 出了基于能耗比的变压器励磁涌流与故障电流识别新判据。通过能耗比判据辨别故障 电流和励磁涌流的方法，原理简单，便于实现，且适合于微机保护应用。该方法独立 于各次谐波分析，避免了传统的利用二次谐波制动原理来识别故障电流和励磁电流的 方法因故障谐波干扰而导致故障动作延时；同时，无需考虑励磁涌流的间断角，从而 避免了因互感器饱和等因素造成的间断角缺失而产生误动作。该方法巧妙地综合利用 了电压和电流两个参数，同时采用高斯牛顿最小二乘法拟合励磁涌流的方法，避免 了傅立叶算法受频率变化影响较大，造成频谱泄露的不足。由于该算法只用到涌流产 生时的第一个工频周期，因此曲线拟合到第一个周期结束即可，提高了算法速度。由 于三相电力变压器的各相相似性，本方法完全可应用到三相变压器中。同时，由于本 章还分析了影响励磁涌流的各种因素，并在分析的基础上提出针对性的抑制励磁涌流 的措施。 安徽理工大学毕业设计 11 3 低压电网故障保护原理 3.1 概述 本文所设计的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 根据井下低压电网的各种故障有针对性的阐述了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的电压 下。 3.2 漏电保护 3.2.1 漏电保护装置的要求 据不完全统计，漏电事故占煤矿井下低压电气事故总数的 70%以上。漏电事故不 仅可以使电气设备受到损伤，致使人身触电伤亡，并会引燃煤矿瓦斯造成重大恶性事 故。因此对于井下低压电网必须装设漏电保护装置。 为了防止漏电故障的发生，煤矿井下低压电网的漏电保护装置应满足如下要求： （1）具有漏电跳闸和漏电闭锁双重功能，并不间断地监视被保护电网的绝缘状态； 安徽理工大学毕业设计 12 （2）当电网对地绝缘电阻降低到一定程度时，应及时动作，切断供电电源；或者 将电源开关闭锁起来，防止合闸送电将事故扩大； （3）动作要迅速，一般应满足 30mAS 的要求； （4）动作必须灵敏可靠，不能拒动，也不能误动。 3.2.2 漏电保护原理分析 从适用于井下低压电网的漏电保护原理来看，主要有以下几种：附加直流电源保 护原理；零序功率方向原理；旁路接地保护原理。本论文漏电保护装置采用附加直流 保护。 （1）馈电开关的漏电保护原理 馈电开关的漏电保护装置负责全电网的漏电保护和总漏电后备保护作用，可采取 附加直流电源的漏电保护原理，其原理如图 3-1 所示。 附加直流电源检测通道为：直流电源正端Rs大地电网绝缘电阻三相电网 三相电抗器直流电源负端。 图图 3-1 附加直流电源漏电保护原理附加直流电源漏电保护原理 C0，r各相对地电容、绝缘电阻 L三相电抗器 R限流电阻 RS 取样电阻 C隔直电容 U外加直流电压 由于井下低压馈电开关中皆不设零序电压互感器，故图 3-2 中增设了零序电压取 样回路，便于分支开关中零序功率方向漏电保护原理的实现。 其检测电流 I 可由下式求得 （3-1） rR U rRRR R U I EES L 3 -接地电阻，-三相电网对地总绝缘电阻。 E R r - + UC L A B C Us I Rs R C0 r C0 r C0 r 安徽理工大学毕业设计 13 3 r r ES L RRR R R 3 式中，仅 r为变量，故检测电流 I 直接反应了电网的绝缘情况。取样电阻上的电 压 Us 可表示为 （3-2） r SSs U UIRR R 三相电网对地的总绝缘电阻可由下式计算 （3-3）RR U U S S r 电网正常运行时，根据式（3-3）可实现对电网绝缘电阻的连续检测；当人身触电 或发生漏电故障，使r达到装置动作设定值时，迅速将电源切除。另外，即使电网的 绝缘电阻均匀下降，仍可将此故障检测出来，这是附加直流电源漏电保护原理的一大 优点。下表是不同电压等级下的漏电电阻整定值： 利用附加直流电源原理实现的漏电保护对总自动馈电开关而言，已经能满足漏电 保护的要求。 表表 3-1 不同电压等级下的漏电电阻整定值不同电压等级下的漏电电阻整定值 电压(V) 电阻() 1273806601140 最低绝缘电阻值 400070002200040000 整定值(动作值) 200035001100020000 3.3 短路保护 3.3.1 短路故障 短路是指供电系统中不等电位的导体在电气上被短接，在煤矿供电系统中，由于 环境比较恶劣，设备易受潮，以及绝缘自然老化、机械损伤等原因，造成供电线路和 设备的损坏，从而引起短路。短路故障是煤矿井下最常见的故障之一，直接影响着井 下供电的安全性、可靠性和连续性。因此， 煤矿安全规程要求在煤矿井下低压电网 中必须装设过电流保护系统。电网短路故障包括：三相短路、两相短路、两相接地短 路和单相接地短路等。三相短路是对称性短路，其它是不对称性短路。下面主要介绍 电网发生短路故障时所采取保护措施的原理。 3.3.2 短路故障保护原理 三相对称短路故障发生时，短路电流非常大，电网对称且功率因数比较高，为了 兼顾保护范围和灵敏度的要求，采用相敏保护原理。 （1）相敏保护原理 2 1 3 cos AC II cos 安徽理工大学毕业设计 14 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 0.00.20.40.60.81.0 cos L/Km I * I 图 3-2 鉴幅、鉴相保护特性 图 3-2 为一般相敏保护的保护特性。图中，1 为单独鉴相式保护特性，2 为单独鉴 幅式保护特性，显然存在保护死区，3 为鉴幅值和鉴相值相乘后所构成的保护特性，即: （3-4）cIcos 由式(3-4)可知，只要选择合适的常数c，其保护区较单独鉴幅、鉴相的保护区大。 为躲过大型电动机的起动电流，并能使保护在正常方式下，对在保护范围内发生 对称短路故障进行可靠动作，必须确定合理的保护动作区。 图3-3 短路点至电源的距离与短路电流、功率因数的关系曲线 图 3-3 给出了典型煤矿供电系统短路电流、功率因数和短路点距电源距离之间的 关系曲线，其中 （3-5） max sh s I I I 安徽理工大学毕业设计 15 式中，短路电流 ； sh I 供电系统最大短路电流。 max s I 图3-4给出了鼠笼式异步电动机起动电流与功率因数之间的关系曲线，其中 （3-6） N S S I I I 式中IS起动电流；IN电动机的额定电流。 图3-4 异步电动机起动电流与功率因数关系曲线 将图 3-2、图 3-3、图 3-4 画于同一坐标下可得到短路电流、起动电流和功率因数 之间的关系曲线，如图 3-5 所示。图 3-5 给出了典型煤矿供电系统短路电流、起动电流、 功率因数和短路点距电源距离之间的关系曲线。其中，A 为短路电流相对值与功率因 数的关系曲线，B、C 为不同起动电流相对值与功率因数的关系曲线，D 为鉴幅、鉴相 相乘的临界动作曲线，E 为时鉴幅、鉴相相加的临界动作曲线，F 为 1 21 cc ，时鉴幅、鉴相相加的临界动作曲线。 25 . 1 1 c9 . 0 2 c 在图3-5中，短路电流和起动电流相对值都是以供电系统可能发生的最大短路电流 为基准的。由此可见，传统的鉴幅式短路保护要躲过起动电流，将使保护范围大大缩 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 cos I 1 2 3 45 6 s s 安徽理工大学毕业设计 16 小。例如，电流动作值取=025时，保护范围小于500m。然而，对于单纯鉴相式保 I 护，若要保护线路全长，即动作整定值为，则电动机起动时可能产生误动作。4 . 0cos 若要躲过起动电流，则保护距离较小范围内发生短路时将得不到保护。综合考虑这两 个因数，则既能避免大型电动机起动时的误动作，又能保护线路全长，曲线D是两者相 乘为一常数所确定的临界动作曲线，即: （3-7） cI cos 可以看出，取不同的常数c，可得不同的临界动作曲线，只要常数选择合理就可以 取得满意的保护效果。图3-5中的曲线D是在时得到的。然而从图中也不难发现，1 . 0c 动作界限的选择余地是比较小的。将鉴幅、鉴相所得到的值分别与常数、相 1 c 2 c 乘后再相加即 (3-8) 1cos 21 cIc 选择不同的常数、可得到不同的临界动作直线，如图3-5中直线E，F所示。根据电 1 c 2 c 网负荷大小选择不同的常数、，可得到斜率不同的动作直线，这样可取得最佳的 1 c 2 c 保护效果，它不但有较宽的动作界限选择余地，而且有很高的动作灵敏度和可靠性。 图 3-5 短路电流、起动电流和功率因数的关系曲线 （2）负序保护原理 在煤矿井下保护系统中，相敏保护主要是保护对称短路故障，并不能保护不对称 故障，因为在供电线路发生不对称性故障时，线电流间的相位差将偏