智能型相敏保护在煤矿中的开发及应用

1、- Page 1- 山东农业大学硕士学位论文 摘要 在煤矿供电中，由于井下设备所处的环境恶劣，设备易受潮、绝缘 自然老化、机械损失及过电压击穿、人为的误操作等原因都极易引起供 电线路及设备缺相或短路。如不及时切除故障线路及设备，往往造成严 重事故。因此，在出现短路及断相事故时应立即切除故障线路或设备， 以防事故蔓延。因此，煤矿安全规程要求，在煤矿井下低压供电系统的 真空馈电开关中必须装设过电流保护，它是保证井下供电可靠性、连续 性和安全性必不可少的保护措施。然而，在我国煤矿井下供电系统中至 今仍未脱离传统的鉴幅式继电保护或电子保护，其短路保护是按系统最 大运行方式下线路末端三相短路电流整定，过

2、负荷保护按线路的最大负 荷整定。尽管这种整定方法能保证在所有可能的正常和故障条件下保护 都不会错误地切除被保护线路，但在其他运行方式下保护特性并非最佳， 而且在最小运行方式或最不利的短路条件下，保护性能严重变差，甚至 失效。若短路保护按最小运行方式下，保护范围末端最小短路电流整定， 在大型电动机起动时易造成保护误动作，严重影响着煤矿井下的正常生 产。 本课题就是针对上述缺陷，研究了以单片机为核心的基于功率因数 检测的相敏对称保护、基于负序电流检测的不对称短路保护和具有白适 应性能的过负荷保护，分析了过电流的特征及过电流保护的电流值整定， 建立了数学模型，分析了其作用原理，设计了硬件和软件电路，

3、并将其 应用于矿用隔爆型真空馈电开关中，组成智能化综合保护系统。它与矿 用隔爆型真空馈电开关相比，具有很大的优越性： (1)用相敏保护原理来实现井下长线路发生三相短路故障的主保护，解 决了大容量鼠笼型异步电动机起动电流与线路末端最小两相电流难以区 分的问题，提高了三相短路保护的灵敏度。 (2)两相不对称短路和断相故障采用负序保护原理，其动作时限分别为 50ms和6s，所以，保护可以速断，提高了过流保护的灵敏度。 (3)采样信号通过v，f转换器送到80C51中，采用了半波傅式算法的改 进方法一一种新型的微机保护交流采样快速算法，该算法理论上可以完 - Page 2- 智能型相敏保护在煤矿中的开发

4、及应用 全消除任意衰减时间常数的非周期分量对基波分量的影响，提高了运算 速度，从而提高动作的快速性，满足了继电保护的要求。 (4)过载保护采用反时限动作原理。 将相敏保护原理应用到矿用隔爆型真空馈电开关中，因井下电网电 压和负荷电流波动较大，谐波分量比较复杂，再考虑到杂散电流、断路 器操作、强电场和磁场都会产生较强的干扰信号，为此需设计相应的抗 干扰措施，以提高保护系统的可靠性。 关键词：单片机、过流、相敏对称保护、不对称保护、过负荷保护 1l - Page 3- 山东农业大学硕士学位论文 Abstract In coal mine power supply，the well descends

5、 the environment of the equipments bad，the equipments affects by damp and cold， insulates the nature easily aging，the machine loses and conducts electricity to press to broke through，artificial mistake operation etcthese easily causes powersupply circuit and equipmentses lack phase or short circuitI

6、f such breakdown circuit and equipments can not be out off in time，this usually results serious troubleTherefore，while the accidents of shortcircuit and phasebreaking happened，the breakdown circuit or equipments should be cut off immediately，in order to prevent the trouble spreadsTherefore，the safe

7、rules in coal mine requesis that，the switches of the lowpressure power supply system must be equipped with the protection of overcurrentIt is a essential protection to guarantee the power supply of the wel 1 dependabl e，consecut ive and safeHowever，in our country the power supply system inside the c

8、oal mine well has not yet changed from the vicetype in traditional protect after the electricity or the、electronics protects，its shortcircuit protection i s according to presses system biggest circulate way bottom circuit bitter end three mutually shortcircuit electric currents are whole to settle，o

9、ver carry the protection presses circuit biggest to carry whole settlingThough thi s method of settl ing can guarantee in may of normal wi th break down term next the protect i on carlt cut off to is protected by mistake circuit，under the other movement method protect the characteristic not the best

10、and circulate in the least way or the most disadvantageous and shortcircuit term next， protect the function to become seriously bad，even expired。If the shortcircuit protection minimum movement method next，protect 1II - Page 4- 智能型相敏保护在煤矿中的开发及应用 the minimum and shortcircuit electric current in bitter

11、 end in scope the whole settlingThe starts of the large electric motor usually results in mistake protect actions，affecting the normal production of coal mine well seriously Aiming at the above blemi sh， whi le regarding monol ithie microcomputer as the core，this lesson studied the symmetry protecti

12、on of phasedetection based Oil detecting power factor，the dissymmetry shortcircuit protection based on detecting negativepreface current and the overcarried protection with the ability of selfadaption，analyzed the character of overcurrent and the currentsettling of overcurrent protection，buiit the m

13、athematical model，analyzed its function principle，designed the hardware and the software circuit，verifled its usefuliless and function，then put forward the measure of the antiinterference Keywords：Monolithic microcomputer， Overcurrent， Symmetry protection based Oil phasedetection，Dissymmetry protect

14、ion， Overcarried protection IV - Page 5- X601606 关于学位论文原创性和使用授权的声明 本人所呈交的学位论文，是在导师指导下，独立进行科学研 究所取得的成果。对在论文研究期间给予指导、帮助和做出重要 贡献的个人或集体，均在文中明确说明。本声明的法律责任由本 人承担。 本人完全了解山东农业大学有关保留和使用学位论文的规 定，同意学校保留和按要求向国家有关部门或机构送交论文纸质 本和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权山东农业大学可 以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可 以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文和汇编本学位论文。 保

15、密论文在解密后应遵守此规定。 论文作者签名： 导师签名： 日 期： - Page 6- 山东农业大学硕士学位论文 符号说明 0 故障电流 0 正序电流 0忙 负序电流 l 零序电流 & 正序网络等值电势 Zs(。) 正序网络故障13的等值阻抗 Z：(：) 负序网络故障口的等值阻抗 Z础) 零序网络故障口的等值阻抗 ，d3 三相短路电流 d2 两相短路电流 L ” 单相接地短路电流 L 单相断相故障电流 己 过流保护装置的电流整定值 乇 容量最大的电动机的额定电流 U。 负序滤波器的输出电压 ，。(n) n次谐波的幅值 西。 n次谐波的初相位 基波周期的角频率 V - Page 7- 智能型相敏

16、保护在煤矿中的开发及应用 每个周期的采样点数 足 从故障开始时的采样点序号 8 过负荷倍数 f船 容许过负荷时间 - Page 8- 山东农业大学硕士学位论文 1引言 11煤矿井下供电的现状 在煤矿供电中，由于井下电气设备所处的环境恶劣，设备易受潮、 绝缘自然老化、机械损伤及过电压击穿、人为的误操作等原因，都极易 引起供电线路及设备缺相或短路，如不及时切除故障线路或设备，往往 造成严重事故，因此，在出现短路及断相事故时，应立即切除故障线路 及设备，以防事故蔓延。目前，这种故障状态的保护是靠过流保护来实 现的，其过流保护动作值是按躲过最大容量电动机的起动电流及其它同 时运行设备额定电流之和为依据

17、整定的。此种整定方式在供电线路短路 电流较大时，较容易满足过电流保护灵敏度及电动机起动电流的要求。 但El前使用的电动机，其起动电流很大(可达额定电流的610倍)，与 线路发生短路故障时的电流相接近，因而使短路时电流值的整定发生困 难，有的保护装置将短路电流的整定值设定为电动机额定电流的10倍以 躲开起动电流，这样当起动电流较大时，不能分辨出是发生了三相短路 还是电动机正常起动，容易发生误动作。也有些保护装置利用延时几秒 钟的方法，以躲开正常起动过程，这样也是不妥的，因为当起动过程中 正好发生短路故障时，无法对故障线路进行保护。为此利用单片机控制 的相敏保护装置，克服了上述保护装置的缺点，达到

18、了很好的保护目的。 这种相敏过流装置在煤矿井下供电的综合保护中具有广阔的前景，它较 模拟电子电路组成的保护器及其它的相敏保护装置在准确性、可靠性等 方面有显著的优点，它的应用与推广必将带来巨大的经济效益和社会效 益。 12本课题研究的目的和意义 调查统计表明，全国国有重点煤矿平均每年发生400-600次电缆着 火事故，损坏电缆约500kin(按16 mm2计算)，经济损失严重。造成此 原因的关键技术问题是过流保护不过关，拒动、误动现象时有发生，以 致有些场合将保护甩掉不用。同时，随着矿井开采进度的不断延伸和机 - Page 9- 智能型相敏保护在煤矿中的开发及应用 械化程度的逐渐提高，矿井的采

19、掘工作面离供电变电所距离越来越远， 通常都超过2000 m。由于掘进机械化装备不断提高，导致供电负荷不断 加大，给安全供电带来一定的难度。相敏短路保护装置的保护是基于电 动机启动时和电缆线路发生短路故障时电压与电流之间的相位差具有较 大差距这一原理，正确地判断出电缆发生的短路故障，尤其是随着采煤 机械化程度的提高，工作面电气设备单机功率的增大，其优越性更能体 现出来，本课题正是基于过电流特征分析和相敏保护的原理，设计出一 种新型微机综合保护。 13研究内容和方法 对称短路保护：在煤矿井下低压供电系统中，对称短路保护用于切 除馈电线路的对称故障状态，如三相短路。由于井下负载均为感性负载， 在大型

20、电动机起动时，功率因数比较低。而在对称短路故障下，功率因 数则很高，所以，采用基于功率因数检测的相敏保护原理不但可提高对 称短路保护的灵敏度，而且还能保证其动作的可靠性。 不对称短路保护：在煤矿井下低压电网中，不对称故障状态有两相 短路、断路、单相接地等，相敏保护并不能保护这种不对称故障。在电 网发生不对称故障时，其重要的特征是线路中存在负序电流，而且两相 短路和一相断线时的负序电流大小不同，也即通过检测负序电流的大小 可以判断不对称故障状态，对于单相接地故障，可采用零序电流方向保 护。 过负荷保护：过负荷是煤矿井下供电系统中常见的不正常运行状 态，长期过负荷运行不仅降低了电气设备的使用寿命，

21、而且在电缆接头 处易产生热能量积聚，造成煤尘、瓦斯爆炸事故，在该保护系统中设计 自适应性反时限负荷保护。 硬件电路和软件设计：以单片机为中央控制单元，再配合相应的波 形处理、信号变换、滤波器等电路，可完成矿井供电系统的相敏对称短 路保护、负序不对称故障保护、自适应过负荷保护等功能。 - Page 10- 坐壅查些查堂堡主堂焦堡塞 2过电流特征分析和电流的整定 21过电流特征分析 在矿井低压电网中，过电流有过载和短路两种状态。过载属于不正 常运行状态，允许设备在一定时间内继续运行。短路属于故障状态，要 求保护立即切断电路。常见的故障形式有三相短路、两相短路、单相接 地、单相断线等。不论哪种故障，

22、故障点的电流均可分析成正序、负序 和零序3个相序分量。 R R F 爻 火。2户。(0)Fh(o)p。(o) (a) (b) (C) 图21对称分量 (a)正序分量：(b)负序分量：(c)零序分量 Fig21 Symmetricla Heft (a)Positive Sequence Heft (b)Negative Sequence Heft (c)Zero Sequence Heft 图21(a)、(b)、(c)表示三组对称的三相相量。第一组F。0)、，(】)、 F(1)幅值相等，相位为a超前b120。，b超前e120。，称为正序；第二 组F。(z)、Fa cz)、F硼，幅值相等，但相序与

23、正序相反，成为负序；第三 组F椰】、，一(0)、F c(0)幅值和相位均相同，称为零序。将每一组带下标a 的三个相量F。(1)、F)、F。(o)合成为F。，带下标b的三个相量F州)、 - Page 11- 智能型相敏保护在煤矿中的开发及应用 声)、户)合成为F，带下标c的三个相量F叩)、声加)、F。co)合成 为F。，显然F。、F。、F。是三个不对称的相量，即三组对称的相量合 成得三个不对称的相量。写成数学表达式为： F。=F(1)+F口(2)+Fa(o Fb=F“1)+Fb2+FbOO (21) Fc=Fc(1)+Fc(2)+Fcco 由于每一组是对称的，故有下列关系 F=e“o F目(1)

24、=口2 F。(1) Ff(1)=ejl20 F dC1)=口F。(1) F 6(21=P J120 F口(2)2口F口(2) (22) Fff 21-P，Fat2)2盯2 F口(2) 户(o】=F。(o)=户。(o) 热一圭+，譬=，每。 将式(22)代入式(2-I)可得 F口=F。(1)+Fa(2)+F口(o) F6= 2声。【1)+口声。(2)+F。(o) (23) F。=盯F。(1)+口2声。(2)+声。(o) 、，J 此式表示上述三个不对称相量与三组对称的相量中a相量的关系 由上述的对称分量法便可求出其故障电流。故障电流和各相序电流之间 的关系为 4 - Page 12- 山东农业大学

25、硕士学位论文 0U | 0怛 (24) 艮 ，矿臼 ，臼扩 ； 0 式中：1 erI,b71,of：流电障故的相三包岛为别分 C ，(1)，(2)，I，【o)分别为正序、负序、零序电流。 211对称短路 三相系统中短路的种类有三相短路、两相接地短路、两相短路及单 相短路。在供电线路或设备发生三相短路时，线路的短路电流保持对称， 但其电流和电压的相位显著增大，线路电压下降严重，其电流和电压相 量图如图22所示。在短路点其电压为零，在始端略高，其三相电流和 电源电压同相，和大容量电动机起动时引起的电流增大有明显的区别。 UA 图22 三相短路时电流和电压相量图 Fi922 Phasor Diagr

26、am of Current and Voltage under Three Phase Short Circuit 对称短路就是电网中的三相短路，发生三相短路时，其稳态电流急 剧增大，但相位对称，所以不存在负序和零序电流，序网图中仅有正序 - Page 13- 智能型相敏保护在煤矿中的开发及应用 阻抗。故障点的正序电流。 。m一急 泣s， 式中：Ezu)为正序网络等值电势； Z(1)为正序网络故障口的等值阻抗； 三相短路电流，；3=州) 212两相短路 当发生两相短路时，假定BC相短路，其电流和电压相量图如图23 。 所示。 图23 BC相短路时电流和电压相量图 Fi923 Phasor Di

27、agram of Current and Voltage under BC Short Circuit 此种状态下，供电系统的对称性遭到严重破坏，电源到短路点的网 络总阻抗减小，短路回路中的短路电流比正常工作电流显著增大，其B 相电流为iBc，由于电缆的电抗值较小，iBc几乎和UBC同相，在故障点B - Page 14- 山东农业大学硕士学位论文 相电压和c相电压仅为原来的l2，在线路的始端其电压略高，但其电 流和电压的相位显著改变，雨A相电流和电压相位差改变较小。 在矿井低压电网中发生两相短路时，系统处于不对称状态，故障点 除正序电流外，还存在负序电流，而且两电流幅值相等，相位相反，但 零序

28、电流为零，这是两相短路的重要特征。 正序电流 (2-6) fO)-一(Zzm生+业Zz(t) 负序电流 =(1) 故障电流 ，笋1=3J，m。 式中，z(：)为负序网络故障口的等值阻抗。 两相接地短路和两相短路相似。 213单相接地 单相接地是煤矿井下电网中出现概率最高的故障形式，约为全部电 气故障的70。发生单相接地后，系统的线电压仍然对称，若没有接地 保护，设备还能继续运行，但其绝缘承受的电压是正常运行的3倍。更 为严重的是在设备运行期间，接地点的间歇性电弧有可能引起瓦斯和煤 尘爆炸，危及矿井安全。所以，对单相接地故障必须装设单独的保护装 置选择性漏电保护装蔑。单相接地也属不对称短路故障状态，其最 大的特征是电网中存在零序电流 I0)2，口r2，t。，2一j：ii；纛 2_7 其中，z：f0)为零序网络故障口的等值阻抗。 故障电流，“=3，(o) 21。4供电线路缺相或设备断相 在供电线路缺相或设备断相时，电动机单相运行，尽管此种状态不 - Page 15- 智能型相敏保护在煤矿中的开发及应用 会危及供电系统的安全，但会造成电机的电流增大，电机温度升高，故 障长期存在，会造成电动机因温度过高而损坏。在此种状态下，假设C 相断线，其电流和电压的相