煤矿井下33 kV移动变电站漏电保护的方案设计

第３期２００４年６月工矿自动化Ｎｏ．３ＩｎｄｕｓｔｒｙａｎｄＭｉｎｅＡｕｔｏｍａｔｉｏｎＪｕｎ２００４文章编号：１６７ｌ一２５ｌＸ（２００４）０３—０００４—０４煤矿井下３．３ｋＶ移动变电站漏电保护的方案设计张继红１，梁锁锋１，池艾文１，赵建民２，宋建成１（１．太原理工大学电气与动力工程学院，山西太原０３００２４；２．晋城煤业集团公司寺河矿，山西晋城０４８００６）摘要：文章重点介绍了３．３ｋｖ移动变电站漏电保护工作原理及动作电阻值的确定方法，给出了系统硬件设计方案，并在仿真环境下进行了模拟试验。试验结果表明：系统保护方案可行，参数选择合理，动作灵敏可靠。关键词：矿井；移动变电站；漏电保护；绝缘电阻中图分类号：ＴＤ６１ｌ文献标识码：ＢＤｅｓｉｇｎｏｆＬｅａｋａｇｅＰｒｏｔｅｃｔｉｏｎｏｆ３．３ｋＶＭｏｖａｂｌｅＳｕｂｓｔａｔｉｏｎｉｎＭｉｎｅＵｎｄｅｒｇｒｏｕｎｄＺＨＡＮＧｊｉ—ｈｏｎ９１，ＬＩＡＮＧＳｕｏ—ｆｅｎ９１，ＣＨＩＡｉ—ｗｅｎｌ，ＺＨＡＯＪｉａｎ—ｍｉｎ２，ＳＯＮＧＪｉａｎ—ｃｈｅｎ９１（１．ＣｏｌｌｅｇｅｏｆＥｌｅｃｔｒｉｃａｌａｎｄＤｙｎａｍｉｃａｌＴａｉｙｕａｎＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＴａｉｙｕａｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，０３００２４，Ｃｈｉｎａ．２．ＳｉｈｅＣｏａｌＭｉｎｅｏｆＪｉｎｃｈｅｎｇＭｉｎｉｎｇ（Ｇｒｏｕｐ）Ｃｏｍｐａｎｙ，Ｊｉｎｃｈｅｎｇ０４８００６，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅｗｏｒｋｉｎｇｐｒｉｎｃｉｐｌｅａｎｄｄｅｔｅｒｍｉｎｉｎｇｍｅｔｈｏｄｏｆａｃｔｉｏｎｒｅｓｉｓｔａｎｃｅｖａｌｕｅｏｆｌｅａｋａｇｅｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎｏｆ３．３ｋＶｍｏｖａｂｌｅｓｕｂｓｔａｔｉｏｎｗｅｒｅｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄｉｎｔｈｉｓｐａｐｅｒ．Ｔｈｅｓｙｓｔｅｍ’Ｓｈａｒｄｗａｒｅｃｉｒｃｕｉｔｏｆ３．３ｋＶｌｅａｋａｇｅｐｒｏ—ｔｅｃｔｉｏｎｗａｓｇｉｖｅｎａｎｄｔｈｅｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｔｅｓｔｗａｓｃａｒｒｉｅｄａｒｅｏｕｔｕｎｄｅｒａｒｔｉｆｉｃｉａｌｃｏｎｄｉｔｉｏｎ．Ｔｈｅｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｔｅｓｔｓｈｏｗｅｄｔｈａｔｔｈｅｔｅｃｈｎｉｃａｌｓｃｈｅｍｅｉｓｆｅａｓｉｂｌｅ，ｐａｒａｍｅｔｅｒｓＫｅｙｒｅａｓｏｎａｂｌｅａｎｄｔｈｅｔｒｉｐｐｉｎｇｉｓｒｅｌｉａｂｌｅａｎｄｓｅｎｓｉｔｉｖｅ．ｗｏｒｄｓ：ｍｉｎｅ，ｍｏｖａｂｌｅｓｕｂｓｔａｔｉｏｎ，ｌｅａｋａｇｅｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ，ｉｎｓｕｌａｔｉｏｎｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ０引言综合保护系统中的漏电保护进行了仿真研究，并得出了一些有意义的结论。漏电保护是保证煤矿井下安全供电的三大保护之一，是防止人身触电、确保供电系统可靠运行的重要措施…。移动变电站是用于把煤矿井下来自采区变电所的高压电能转换为低压电能、并向采区工１３．３ｋＶ漏电保护方案的确定矿井电网漏电保护按原理分主要有零序电压保护、零序电流保护、零序电流方向保护和附加直流检测保护。作面生产机械驱动设备提供电能的移动式馈电装置。采煤技术发达的英国、德国早在８０年代就将工作面工作电压提升为３．３ｋＶ，不仅提高了工作面的生产能力，而且降低了能耗。随着科学技术的发展，我国煤炭工业在生产能力和技术水平方面都有了长足的进步。到目前为止，我国已有部分矿业集团将采煤工作面的工作电压由１１４０零序电压保护的优点是可以检测电网中的不对称漏电故障，但不能检测对称漏电故障。另外不管电网中哪个分支出现漏电故障，该保护装置均能动作，因此这样的漏电保护装置或绝缘监视装置，既不能保护电网的对称漏电故障，又不具备动作选择性功能。Ｖ提高到３．３ｋＶ。然而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，这种局面大大制约着我国煤炭工业的发展。因此研究矿井３．３ｋＶ移动变电站的综合保护系统具有重要的现实意义。本文针对零序电流保护方式的优点是动作具有选择性，可以准确区分故障支路，但不能反映三相绝缘对称漏电故障，特别是配电支路少时（如两路），保护的灵敏度有所下降。零序电流方向保护是利用零序电流与零序电压收稿日期：２００４一叭一１６作者简介：张继红（１９７５一），男，在读硕士研究生，研究方向为智能电器技术。及其相位的关系来实现馈电线路的选择性漏电保护。这种保护原理具有较高的灵敏度，但不能反映三相绝缘电阻对称下降故障。万方数据２００４年第３期张继红等：煤矿井下３．３ｋＶ移动变电站漏电保护的方案设计・５・附加直流电源保护是利用附加在电网与地之间的直流电源来检测电网是否发生漏电故障。电网正常运行时绝缘水平很高，附加直流检测回路的电流很小，不足以使保护装置动作，当绝缘水平下降或漏电时，直流电流增大，保护动作。该保护原理可以可靠检测单相及三相漏电故障，是实现矿井电网漏电保护的重要方案之一。由于移动变电站负荷侧直接连接３．３ｋｖ磁力控制站，所以分支线路的选择性漏电保护功能由组合磁力控制站完成，移动变电站的低压馈电开关只需完成后备保护功能即可，因此设计了基于附加直流电源检测的漏电保护方案。它既可保证漏电动作电阻值的稳定性，又能作为选择性漏电保护的后备保护，有效地提高了漏电保护的动作可靠性。其原理如图ｌ所示。图１中，Ｔ为电源变压器，它将井下中央变电所送来的６／１０ｋＶ电能转换为３．３ｋＶ电能；ＳＫ为三相电抗器，为电网提供人为中性点；ＤＣ为附加直流电源，幅值为８０Ｖ，用于检测漏电信号；ＣＭＵ为中央处理单元，实现信号的采样、分析、运算和处理；ＢＥＦ为带阻滤波器，用于滤除交流信号，确保动作电阻值的稳定性。系统运行时直流电源由辅助接地极ＦＤ入“地”后，经绝缘电阻ＲＡ、ＲＢ、Ｒ（＇进入三相电网，再由ＳＫ、ＢＥＦ回到电源的负极。对于稳定的直流电源，电缆的对地分布电容相当于开路，不会有电流流过，此时的电流值可由直流电压和检测回路的电阻决定。直流信号采样值可由下式表示：ｒｒＴｒ——ＵＤ×Ｒｗ８Ｈ…，＇、“ｗＲ—ＲＲ＋∑Ｒ＼１，式中：ＲＲ＝１／ＲＡ＋１／ＲＢ＋１／Ｒｃ；∑Ｒ为检测图１漏电保护原理图万方数据回路除绝缘电阻外所有电阻之和，当系统确定后，∑Ｒ即为定值；Ｒｗ为电位器电阻。由式（１）可见，ｕｗ仅随绝缘电阻的大小而变化，而与电网的分布电容无关。不论电网发生单相漏电还是三相绝缘对称漏电故障时，Ｕｗ均能正确反映其变化。如电网绝缘水平降低到整定值或有人身触电事故发生时，便由信号电阻ｗＲ上取得故障信号，送往ＣＭＵ电路，实现相应的故障处理。在上述分析中，直流检测回路没有考虑交流电流的影响。实际上，当电网对地绝缘阻抗不对称时，在电源中性点会产生零序电压，也就是说有部分零序电流流经三相电抗器进人检测电路，致使信号电压产生波动，所以造成动作电阻值的不稳定，这是规程所不允许的。所以，电网系统参数的不对称变化对于漏电信号的检测是非常不利的，因此，在确定漏电保护动作电阻值时，必须明确故障电流与系统参数之间的相互关系。２参数分析与仿真实验我国煤矿井下低压电网全部采用电源变压器中性点绝缘的运行方式，且全部采用电缆供电。当电缆线路较长时，对地电容较大，电容电流便不能忽略，其供电系统图如图２（ａ）所示，图中用集中电阻ＲＡ、ＲＢ、Ｒｃ和电容ｃＡ、ＣＢ、Ｃｃ分别代表每相对地绝缘电阻和分布电容。（ａ）供电系统图（ｂ）电压向量图图２考虑电网对地电容时的人身触电电流回路（１）系统正常运行时，电源的相电压是对称的，即：ＵＡ＝ＵＢ：Ｕｃ＝Ｕ中ＵＡ＋己，Ｂ＋Ｌ，ｃ＝０式中：Ｕ中为电源的相电压值。此外，各相对地的绝缘电阻值相等，各相的电容值也相等，即：ＲＡ＝ＲＢ＝Ｒｃ＝ＲＣＡ＝ＣＢ＝Ｃｃ＝Ｃ于是，三相电网对地相当于接上了由绝缘电阻Ｒ和电容Ｃ并联后组成的对称负载。其中性点（即・６・工矿自动化２００４年６月地）与变压器中性点没有电位差，当然也就没有零序电压和零序电流。（２）当发生人身触电时，如触及Ａ相带电导体，则Ａ、Ｂ、Ｃ三相的对地电压也就不再对称，变压器中性点与地之间产生了电位差，即零序电压ｕ。，此时便有电流通过人身，并经过其它两相的绝缘电阻ＲＢ、尺（、和电容ＣＢ、Ｃ（、构成电流通路。其向量关系如图２（ｂ）所示，图中电网单相对地阻抗Ｚ。为绝缘电阻Ｒ和容抗Ｘｒ的并联值，即：Ｚｏ（２）式中：ｘｃ为电网每相对地容抗，ｘｃ＝专，Ｑ；Ｃ为电网每相对地电容值，扯Ｆ；叫为交流电源角频率，ｃ￡Ｊ＝２７ｒ厂，ｒ／ｓ。将式（２）代人人身触电电流公式：Ｊｒ＝栽（３）取有效值可得：耻卷×百三葡１丽‘４）√１’９（１＋Ｒ２∞２Ｃ２）Ｒ；由式（４）可见，人身触电电流值的大小，不仅与电网系统参数有关，而且正比于电源相电压。因此在矿井供电系统中，电网电压等级一定时，电缆的实际长度和绝缘水平将是决定人身触电电流大小的主要因数。当供电电缆较短时，此时电网系统分布电容可忽略，由式（４）计算出，Ｐ＝３０ｍＡ时对应动作电阻值：单相为１９０ｋＱ，三相为６３ｋＱ。对于３．３ｋＶ供电系统只要保证单相绝缘电阻在１９０ｋＱ以上就能满足人身触电的安全电流值。当供电电缆较长时，其分布电容就不能忽略，此时的Ｊ，将明显增大，如表１所示。表１Ｊ。与电网系统参数关系表５０Ｏ７５０ｌ７７９２６８１００５５５Ｏ６７９３２８６１５０３７５Ｏ９７９９２９２２００２８５●，８０２２９６３００Ｉ９５●３８Ｏ５２９９５００ｌ５∞船训弛拍ｎ鲫跎阳弛＂＂５ｌ５８Ｏ７３Ｏ２万方数据从表１可知，当分布电容大于０．０１扯Ｆ时，若有人身触电将不能保证安全，此时可以借助磁力控制站中的选择性漏电保护来切除故障支路；绝缘电阻值的增大并不能减小人身触电电流。显然，人身安全与电网运行是有矛盾的，因为从电网运行角度讲，总是希望绝缘电阻越高越好，但事实并非如此。要解决这一矛盾，必须设法补偿容性电流，以达到减小故障电流的目的，确保动作电阻值的稳定性。方法是在人为中性点处串接一个零序电抗线圈ＬＫ，以形成感性电流回路，原理如图３所示，补偿后的人身触电电流如图４所示。由于补偿回路中的零序电感电流无功分量Ｉｏ（Ｌ）与电容中的零序电流Ｊｏ（ｃ）相位相反，互相抵消，因而可以达到补偿目的。欲使补偿达到最佳效果，必须有：Ｉｏ（Ｌ）＝Ｉｏ（ｃ）也即：ＸＩＪｌ＋ＸＩ２＝３Ｘｒ（５）式中：ｘＬｌ为零序电抗器电抗值，Ｑ；ＸＬ２为三相电抗器感抗值，Ｑ；Ｘｆ为电网单相对地容抗值，Ｑ。图３零序电流回路图Ｏ图４ｆＰ随ＸＬ变化曲线图由于三相电抗器的铁芯为三相三柱式，其零序磁通只能通过气隙构成闭合回路，故磁阻较大，零序磁通较小，零序电抗也较小，远远小于零序电抗器的电抗值，于是补偿回路的电抗值主要由零序电抗线圈来确定。于是式（５）可表示为ＸＬｌ＝Ｘ。、，即∞Ｌ＝１／（３ａＪＣ），所以Ｌ＝１／（叫２Ｃ）。其中，Ｌ为零序电抗线圈的实际电感值。由此可见，通过零序电抗器的设置，大大减小了人身触电时的容性电流，解决了人身触电与电网运行的矛盾，确保了动作电阻值的稳定性。实践证明：选择零序电抗器的动态补偿可使其补偿效果保持最佳状态［３｜。基于上述保护原理和硬件电路，利用实验室现有资源，采用先进的电子技术模拟软件Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ第３期２００４年６月工矿Ｉｎｄｕｓｔｒｙａｎｄ自动化Ｎｏ．３ＭｉｎｅＡｕｔｏｍａｔｉｏｎＪａｎ．２００４文章编号：１６７１—２５１Ｘ（２００４）０３—０００７—０３三电平整流器非线性ＰＩＤ控制研究赵绍刚，高升２２１００８）（中国矿业大学信电学院，江苏徐州摘要：以三电平ＰＷＭ整流器为对象，研究了使用非线性ＰＩＤ控制器的单位功率因数整流器的性能。仿真结果表明非线性ＰＩＤ控制器具有响应速度快、超调小的特点，可以有效地改善整流器的控制性能。关键词：整流器；三电平；非线性；ＰＩＤ控制器中图分类号：ＴＭ４６１；ＴＰ２１４Ｓｔｕｄｙｏｎ文献标识码：ＢＮｏｎｌｉｎｅａｒＰＩＤＣｏｎｔｒ０１ｆｏｒＴｈｒｅｅ—ｌｅｖｅｌＲｅｃｔｉｆｉｅｒＺＨＡＯＳｈａｏ—ｇａｎｇ，ＧＡＯＳｈｅｎｇ（ＣｏｌｌｅｇｅｏｆＩｎｆｏｒｍａｔｉｏｎａｎｄＥｌｅｃｔｒｉｃａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＣＵＭＴ．，Ｘｕｚｈｏｕ２２１００８，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｆｏｒｔｈｒｅｅ—ｌｅｖｅｌｒｅｃｔｉｆｉｅｒ，ｔｈｉｓｐａｐｅｒｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｅｄｔｈｅｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｏｆｔｈｅｕｎｉｔｐｏｗｅｒｆａｃｔｏｒｒｅｃｔｉｆｉｅｒｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄｂｙｎｏｎｌｉｎｅａｒＰＩＤｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ．ＳｉｍｕｌａｔｉｏｎｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｅｄｔｈａｔｔｈｅｎｏｎｌｉｎｅａｒＰＩＤｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒｈａｓｓｏｍｅａｄ—ｖａｎｔａｇｅｓｓｕｃｈａｓｓｈｏｒｔａｄｊｕｓｔｍｅｎｔｔｉｍｅ，ｓｍａｌｌｏｖｅｒｓｈｏｏｔａｎｄｃａｎｉｍｐｒｏｖｅｔｈｅｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｏｆｒｅｃｔｉｆｉｅｒ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｒｅｃｔｉｆｉｅｒ，ｔｈｒｅｅ—ｌｅｖｅｌ，ｎｏｎｌｉｎｅａｒ，ＰＩＤｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ０引言位的三电平整流器以其优越的性能得到了越来越广在高电压、大容量功率应用场合，具有二极管箝收稿日期：２００４—０２—２７泛的应用。通常整流器的控制器采用的是ＰＩ控制器，该控制器结构简单、参数易于整定，具有良好的适应性，但是难以兼顾快速性与减少超调之间的矛ＷｏｒｋｂｅｎｃｈＶ５．１２对漏电保护设计方案的安全性了人身触电电流与电网系统参数之间的相互关