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本科畢業(yè)設(shè)計說明書 礦用隔爆型移動變電站低壓保護(hù)系統(tǒng) FLP TRANSFORMER SUBSTATION LOW VOLTAGE PROTECTION SYSTEM DESIGN 學(xué)院 部 電氣與信息工程學(xué)院 專業(yè)班級 學(xué)生姓名 指導(dǎo)教師 年 月 日 礦用隔爆型移動變電站低壓保護(hù)系統(tǒng)的設(shè)計 摘要 移動變電站是煤礦井下用的可移動的成套供電設(shè)備 由隔爆型高壓負(fù)荷開關(guān) 隔爆 型干式變壓器和隔爆型低壓饋電開關(guān)三個部分組成 由于煤礦井下工作環(huán)境非常惡劣 低壓電網(wǎng)中經(jīng)常會發(fā)生短路 漏電等各種故障 為了保證礦井供電系統(tǒng)的可靠性 作 為綜采工作面用電設(shè)備主電源的移動變電站除了提供電源以外 還必須具備保護(hù)測控 功能 用于實時監(jiān)測井下低壓電網(wǎng)的運(yùn)行狀態(tài) 移動變電站這種保護(hù)測控功能由礦用 移動變電站保護(hù)測控裝置提供 本課題研究的是研制一種基于 DSP DSP IC30F6015 集多種保護(hù) 測控 通信功 能于一體的礦用隔爆型移動變電站低壓保護(hù)系統(tǒng) 主要內(nèi)容如下 介紹了移動變電站在國內(nèi)外的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢 以及國內(nèi)現(xiàn)存移動變電站低壓保 護(hù)系統(tǒng)存在的缺陷 分析了研究新型移動變電站低壓保護(hù)系統(tǒng)的必要性 結(jié)合傳統(tǒng)移變高壓側(cè)保護(hù)測控裝置存在的不足和缺點(diǎn) 根據(jù)移動變電站的特殊要 求 本文設(shè)計開發(fā)了一套多功能 高可靠性的移變高壓側(cè)保護(hù)測控與診斷系統(tǒng) 針對測控系統(tǒng)的技術(shù)要求 論文中分析了井下低壓電網(wǎng)中可能發(fā)生的各種故障 并針對各種故障特征提出了相應(yīng)的保護(hù)原理 硬件設(shè)計對主要電路和器件進(jìn)行分析 充分利用 DSP 外設(shè)口多的功能特點(diǎn) 簡化 了系統(tǒng) 軟件系統(tǒng)采用模塊化的編程思想 具有很好的靈活性和可移植性 采用 RS485 串行通信實現(xiàn)系統(tǒng)的遠(yuǎn)程控制 滿足了井下供電系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)化需求 保護(hù)測控 系統(tǒng)的雙 CPU 結(jié)構(gòu) 在技術(shù)上與速度上保證了系統(tǒng)對各種故障診斷的準(zhǔn)確性與實時性 關(guān)鍵字 煤礦 移動變電站 DSP 低壓電網(wǎng) 保護(hù)系統(tǒng) 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 Flame Proof Type high voltage load breaking switch Flame Proof Type dry type transformer and low voltage feeding switch Nowadays the movable Transformer Substations that are using in the Coal Industry in our country mainly contain two voltage grade 6KV and 10KV As 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 on To 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 network These 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 systems Are 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 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 system Modular software system for programming ideas has good flexibility and portability The application of RS485 serial communication makes the remote control come true which achieves network of the power supply under the coal mind The 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 目錄 摘要 I ABSTRACT II 1 緒論 1 1 1 研究礦用隔爆型移動變電站低壓保護(hù)系統(tǒng)的目的和意義 1 1 2 國內(nèi)外礦用隔爆型移動變電站低壓保護(hù)系統(tǒng)的研究情況 1 1 2 1 國外研究情況 1 1 2 2 國內(nèi)研究情況 2 1 3 礦用隔爆型移動變電站存在的問題 3 1 4 礦用隔爆型移動變電站的基本要求 3 1 5 本論文研究的主要內(nèi)容 4 2 移動變電站變壓器勵磁涌流成因及解決方法 5 2 1 移動變電站的結(jié)構(gòu)與作用 5 2 1 1 移動變電站結(jié)構(gòu) 5 2 1 2 移動變電站的作用 5 2 2 移動變電站勵磁涌流的成因分析 5 2 3 勵磁涌流對移動變電站保護(hù)裝置的影響 8 2 4 勵磁涌流的抑制措施 8 2 4 1 影響變壓器勵磁涌流因素的分析 8 2 4 2 勵磁涌流的抑制措施 9 2 5 本章小結(jié) 10 3 低壓電網(wǎng)故障保護(hù)原理 12 3 1 概述 12 3 2 漏電保護(hù) 12 3 2 1 漏電保護(hù)裝置的要求 12 3 2 2 漏電保護(hù)原理分析 12 3 3 短路保護(hù) 14 3 3 1 短路故障 14 3 3 2 短路故障保護(hù)原理 14 3 4 過負(fù)荷保護(hù) 20 3 4 1 過負(fù)荷 20 3 4 2 過負(fù)荷保護(hù)原理 20 3 5 過壓與欠壓保護(hù) 20 3 5 1 過壓保護(hù) 20 3 5 2 欠壓保護(hù) 21 4 移動變電站保護(hù)測控裝置硬件系統(tǒng)與抗干擾措施 22 4 1 系統(tǒng)功能簡介 22 4 2 系統(tǒng)硬件概述 22 4 2 1 模擬量輸入模塊 23 4 2 2 微處理器核心部件模塊 24 4 2 3 開關(guān)量輸出電路 30 4 3 硬件電路設(shè)計 30 4 3 1 漏電閉鎖 30 4 3 2 短路保護(hù)的設(shè)計 31 4 3 3 過壓 欠壓保護(hù) 37 4 3 4 過載保護(hù) 37 4 3 5 跳閘電路 37 4 4 聲光報警電路 37 4 5 硬件抗干擾措施 38 4 6 本章小結(jié) 40 5 移動變電站保護(hù)測控裝置軟件設(shè)計 41 5 1 系統(tǒng)軟件構(gòu)架介紹 41 5 2 系統(tǒng)軟件概述 41 5 2 1 主程序 41 5 2 2 AD 中斷程序 43 5 2 3 通訊程序 44 5 2 4 液晶驅(qū)動程序 47 5 3 本章小結(jié) 48 6 結(jié)論 49 6 1 結(jié)論 49 6 2 展望 49 參考文獻(xiàn) 50 致謝 51 1 緒論 1 1 研究礦用隔爆型移動變電站低壓保護(hù)系統(tǒng)的目的和意義 當(dāng)今 高產(chǎn)高效集體化生產(chǎn) 代表著世界煤炭生產(chǎn)的發(fā)展方向 隨著采煤機(jī)械單 機(jī)容量的增大 工作面總裝機(jī)容量急劇增加 對供電設(shè)備的要求越來越高 而礦用隔 爆型移動變電站是高產(chǎn)高效綜合機(jī)械化采煤的主要供電設(shè)備 因此 要發(fā)展煤炭事業(yè) 滿足日益增長的能源需求 必須在發(fā)展煤炭開采綜合機(jī)械化的同時 加強(qiáng)移動變電站 的研究和開發(fā)工作 以滿足煤炭開采業(yè)的發(fā)展需求 隨著我國科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展 煤炭工業(yè)在生產(chǎn)能力和技術(shù)水平方面都有了長足 的進(jìn)步 但由于我國配套設(shè)備的發(fā)展相對滯后 致使所有電控設(shè)備全部依靠進(jìn)口 這 種設(shè)備盡管整體質(zhì)量高 但配件貴 供貨周期長 這種局面大大制約了煤炭工業(yè)的發(fā) 展速度 煤礦企業(yè)為了降低成本 提高競爭能力 必須加強(qiáng)產(chǎn)品的高科技含量 因此 利用微機(jī)技術(shù)研究具有自主知識產(chǎn)權(quán)的智能型移動變電站保護(hù)測控系統(tǒng) 以提高它的 穩(wěn)定性 可操作性 維護(hù)性和智能性 實現(xiàn)變電站綜合自動化具有非常重要的現(xiàn)實意 義 1 2 國內(nèi)外礦用隔爆型移動變電站低壓保護(hù)系統(tǒng)的研究情況 1 2 1 國外研究情況 國外移動變電站發(fā)展至今已有幾十年歷史了 根據(jù)其發(fā)展特點(diǎn) 總體來說經(jīng)歷三 個階段 1 20 世紀(jì) 60 年代的研究開發(fā)起步階段 20世紀(jì)60年代初期 英國 西德 蘇聯(lián)等采煤大國 已經(jīng)開發(fā)并推廣采用了移動 變電站 在這個時期 由于變壓器絕緣技術(shù)以及移動變電站開關(guān)技術(shù)都比較落后 變 壓器的電壓等級與容量都比較小 開關(guān)分?jǐn)嗄芰τ邢?1965年我國從英國引進(jìn)的卻盤 納采煤機(jī)組時 曾隨同引進(jìn)了移動變電站 其容量為180kVA 電壓為660V 高壓側(cè)開 關(guān)為高壓負(fù)荷開關(guān) 低壓側(cè)開關(guān)為空氣斷路器 2 20世紀(jì)70 80年代的發(fā)展階段 20世紀(jì)70 80年代 這個時期由于變壓器絕緣技術(shù)以及移動變電站開關(guān)技術(shù)都有 了較大的發(fā)展 開始出現(xiàn)環(huán)氧樹脂絕緣材料 移動變電站電壓等級與容量開始增大 且開始采用SF6開關(guān) 這個時期 我國從西德 英國 日本 蘇聯(lián) 波蘭等國 引進(jìn)了 大批采煤機(jī)械設(shè)備 也同時引進(jìn)了這些國家制造的移動變電站 其容量高達(dá)750kVA 二次電壓達(dá)1 2kV 高壓側(cè)開關(guān)已采用SF6斷路器 高壓側(cè)保護(hù)性能較完善 低壓側(cè) 開關(guān)己采用真空斷路器 分?jǐn)嗄芰蛪勖吡?3 20世紀(jì)90年代以來的相對成熟階段 20世紀(jì)90年代以后 隨著變壓器絕緣技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展 開始出現(xiàn)耐高溫的 Nomex芳香聚酰胺 Aramid 絕緣材料 移動變電站電壓等級與容量大大提高 這個時期 的移動變電站主要呈現(xiàn)以下幾個方面的特點(diǎn) 1 大容量 變壓器容量達(dá)幾千千伏安并有繼續(xù)上升的趨勢 2 高電壓 高壓側(cè)電壓達(dá)十千伏以上 低壓側(cè)可達(dá)五千伏 3 變壓器多繞組 多繞組可同時提供多種電壓 從而減少工作面移動變電站的 數(shù)量 節(jié)省投資 4 低壓側(cè)開關(guān)多樣化 多路化 低壓側(cè)開關(guān)有SF6饋電開關(guān) 真空饋電開關(guān) 低壓保護(hù)箱 負(fù)荷開關(guān)等型式 開關(guān)能力顯著提高 5 微機(jī)監(jiān)控 移動變電站的高壓側(cè)開關(guān) 低壓側(cè)開關(guān) 均用微機(jī)進(jìn)行監(jiān)測 控 制 保護(hù)和通訊 實現(xiàn)保護(hù) 控制與監(jiān)控的一體化 1 2 2 國內(nèi)研究情況 先進(jìn)的煤炭生產(chǎn)工藝過程要靠先進(jìn)的煤礦機(jī)械裝備來實現(xiàn) 礦用隔爆型變壓器作 為是涉及人身和設(shè)備安全的特種煤礦機(jī)械裝備 在國民經(jīng)濟(jì)中占有重要地位 因此 礦用隔爆變壓器的發(fā)展與進(jìn)步與煤炭行業(yè)發(fā)展休戚相關(guān) 我國在 20 世紀(jì) 70 年代開始 研制礦用變壓器 限于當(dāng)時材料和技術(shù)的原因 生產(chǎn)廠家和產(chǎn)品很少 到了 20 世紀(jì) 90 年代中期以來 礦用變壓器逐漸快速發(fā)展 礦用變壓到了商業(yè)化生產(chǎn)的階段 但同樣 受技術(shù)和材料的限制 國產(chǎn)隔爆型變壓器與國外相比體積大 成本高 性能差 到 2000 年 產(chǎn)品仍主要集中在電壓等級 6 10kV 容量一般在 25000kVA 以下 我國煤 礦的成套供電設(shè)備呈進(jìn)口為主 國產(chǎn)為輔的局面 2000 年以來 政府加大了煤礦安全投入和技術(shù)改造力度 強(qiáng)化煤礦安全基礎(chǔ) 提 高煤礦安全生產(chǎn)保障能力 給礦用變壓器生產(chǎn)企業(yè)帶來了良好的發(fā)展契機(jī) 目前全國 有礦用變壓器生產(chǎn)資質(zhì)的生產(chǎn)廠家約為 50 多家 但形成有一定規(guī)模的礦用隔爆變壓器 廠不足 20 多家 企業(yè)的生產(chǎn)能力呈現(xiàn)金字塔型分布 第一類企業(yè)大中小型規(guī)格齊全 產(chǎn)品覆蓋全國主要產(chǎn)煤區(qū) 形成一定的生產(chǎn)能力和實力的廠家約占總數(shù)的 10 國內(nèi) 知名業(yè)內(nèi)企業(yè)有中聯(lián)電氣 中電電氣 華星電氣 通化變壓器 撫順特變等為數(shù)不多 的幾家 第二類企業(yè)以生產(chǎn)中小型容量產(chǎn)品為主 產(chǎn)品在區(qū)域市場具有一定競爭力 廠家約占總數(shù)的 30 第三類生產(chǎn)小型容量產(chǎn)品 廠家約占總數(shù)的 60 第二 三類 企業(yè)的生產(chǎn)技術(shù)只相當(dāng)于國際上 20 世紀(jì) 90 年代初期的水平 目前國內(nèi)中小容量市場競爭日趨激烈 行業(yè)集中度不高 而技術(shù)含量高的 2500kVA 4000kVA 大容量變壓器市場 由于行業(yè)準(zhǔn)入門檻較高 市場被中聯(lián)電氣 華星電氣等企業(yè)壟斷 基本將進(jìn)口產(chǎn)品擠出了市場 競爭態(tài)勢相對緩和 特別是中聯(lián) 電氣已成為了行業(yè)中發(fā)展最快 成長最好的企業(yè) 該企業(yè)是全行業(yè)中通過強(qiáng)制安標(biāo)認(rèn) 證后 產(chǎn)品投入批量生產(chǎn)后型號最全 容量最大的企業(yè) 05 07 年同類產(chǎn)品在全國銷 量第一 約占全國市場份額的 18 預(yù)計在 2007 年完成變壓器產(chǎn)量 85 萬 kVA 的基礎(chǔ) 上 中聯(lián)電氣 2008 年有望達(dá)到 100 萬 kV 平 生產(chǎn)容量將會翻番 從目前市場及技術(shù) 角度來看 中聯(lián)電氣的生產(chǎn)能力和技術(shù)裝備水平在國內(nèi)同行業(yè)中處于領(lǐng)先水平 部分 生產(chǎn)工藝已達(dá)到國際先進(jìn)水平 2500kVA 以上等級大容量產(chǎn)品 已占據(jù) 60 左右的市 場份額 處于行業(yè)領(lǐng)跑 技術(shù)絕對領(lǐng)先的地位 2006 年江蘇中聯(lián)電氣率先成功地研制 出了我國第一臺 4000kV 礦用隔爆型變壓器并已實現(xiàn)了批量生產(chǎn) 其運(yùn)行指標(biāo)與進(jìn)口變 壓器完全相當(dāng) 該產(chǎn)品投產(chǎn)后減少了我國對大容量礦用變壓器進(jìn)口的依賴度 降低了 建設(shè)投資和生產(chǎn)成本 對促進(jìn)煤炭待業(yè)發(fā)展起到重要的作用 行業(yè)龍頭老大的地位不 可動揺 1 3 礦用隔爆型移動變電站存在的問題 移動變電站發(fā)展到今天 基本上已經(jīng)實現(xiàn)了微機(jī)化 然而 隨著煤炭綜合自動化 程度的不斷提高以及移動變電站電壓等級和容量的不斷提升 傳統(tǒng)移動變電站的一些 弊端逐漸顯露出來 1 傳統(tǒng)移動變電站沒有解決變壓器勵磁涌流問題 當(dāng)變壓器空載合閘時 會產(chǎn) 生與變壓器電壓合閘初相角有關(guān)的勵磁涌流 勵磁涌流會引起移動變電站保護(hù)誤動作 早期的移動變電站電壓等級不高 因此勵磁涌流的影響表現(xiàn)并不明顯 但隨著移動變 電站電壓等級的不斷提高 勵磁涌流己經(jīng)成為一個不可忽視的問題 2 傳統(tǒng)移動變電站微機(jī)保護(hù)主要采用傳統(tǒng)全波傅氏算法 傳統(tǒng)全波傅氏算法無 法濾除衰減直流分量 而礦井底下條件非常惡劣 各種電動機(jī)啟動以及變壓器合閘時 產(chǎn)生的涌流中都含有大量的衰減直流分量 導(dǎo)致測控裝置采集的電壓與電流量中含有 較大成分直流衰減分量 采用傳統(tǒng)全波傅氏算法必然產(chǎn)生較大誤差 同樣 當(dāng)變壓器 電壓等級以及容量比較小時 衰減直流分量含量也比較小 其作用并不明顯 但是隨 著移動變電站電壓等級的提高 其影響己不可忽視 3 傳統(tǒng)移動變電站采用低跳高模式 即當(dāng)?shù)蛪簜?cè)發(fā)生故障時 給高壓側(cè)一個饋 電開關(guān)信號使高壓側(cè)跳閘 這種 一刀切 的方式存在嚴(yán)重的弊端 因為低壓側(cè)發(fā)生故 障時 高壓側(cè)只獲得低壓側(cè)的一個開關(guān)量信號 沒有獲取低壓側(cè)的具體故障信息 低 壓側(cè)出現(xiàn)誤判時將直接引起移動變電站誤動作 使移動變電站可靠性降低 4 傳統(tǒng)的移動變電站微機(jī)保護(hù)主要采用一個CPU結(jié)構(gòu) 但隨著煤炭綜合自動化 程度的不斷提高 移變智能保護(hù)測控裝置所需要的功能也越來越多 對速度的要求也 越來越高 使用單個CPD結(jié)構(gòu)無論是在資源上還是速度上已經(jīng)無法滿足這種要求 1 4 礦用隔爆型移動變電站的基本要求 根據(jù)移動變電站在煤礦井下供電系統(tǒng)中的樞紐作用 參考 煤礦安全規(guī)程 對移 動變電站控制系統(tǒng)提出以下幾點(diǎn)要求 1 可靠性 移變保護(hù)測控系統(tǒng)必須能準(zhǔn)確地判斷故障類型 可靠地執(zhí)行相應(yīng)的 操作 并能在故障分閘后閉鎖 防止故障狀態(tài)下合閘 2 快速性 在保護(hù)范圍內(nèi)發(fā)生故障后 移變保護(hù)測控系統(tǒng)應(yīng)快速反應(yīng) 防止故 障范圍擴(kuò)大 降低電氣設(shè)備的損壞程度 3 靈敏度 測控系統(tǒng)應(yīng)具有較強(qiáng)的反應(yīng)故障的能力 即不論在保護(hù)的始端還是 在保護(hù)范圍的末端發(fā)生故障 測控系統(tǒng)均應(yīng)準(zhǔn)確反應(yīng) 后備保護(hù)范圍發(fā)生故障時 也 應(yīng)具有一定的反應(yīng)能力 4 選擇性 保護(hù)動作應(yīng)具有選擇性 即有選擇地切除配電網(wǎng)中發(fā)生故障支路 保證非故障支路供電的連續(xù)性 盡量縮小中斷供電的范圍 為了滿足保護(hù)測控裝置的可靠性與選擇性要求 保護(hù)測控裝置必須具備故障診斷 功能 通過故障信息準(zhǔn)確診斷系統(tǒng)的故障類型從而做出相應(yīng)的措施 保證系統(tǒng)高度的 可靠性與準(zhǔn)確的選擇性 為了滿足系統(tǒng)的快速性與靈敏性要求 必須提高系統(tǒng)的運(yùn)行 速度 盡量減少數(shù)據(jù)處理時間延遲以及裝置動作時間延遲 結(jié)構(gòu)上可以采用雙 CPU 結(jié) 構(gòu)以及多 CPU 結(jié)構(gòu) 1 5 本論文研究的主要內(nèi)容 本文根據(jù)當(dāng)今移動變電站的發(fā)展出現(xiàn)的新特點(diǎn)以及傳統(tǒng)的移動變電站存在的不足 和缺點(diǎn) 在理論研究的基礎(chǔ)上 開發(fā)出一套高精度 高可靠性且多功能的移動變電站 保護(hù)測控與診斷系統(tǒng) 滿足當(dāng)前煤炭工業(yè)的發(fā)展需求 本文內(nèi)容主要有以下幾個部分 1 介紹了移動變電站的基本特點(diǎn) 分析了移動變電站空載合閘時產(chǎn)生勵磁涌流 的原因及對移動變電站的影響 并提出了基于能耗比的變壓器勵磁涌流與故障電流的 識別新判據(jù) 并對結(jié)果進(jìn)行仿真以及實驗驗證 分析了影響勵磁涌流的兩個主要因素 并針對性的提出抑制勵磁涌流的措施 2 介紹了礦井內(nèi)移動變電站的分布及連接方式 分析了移動變電站低壓電網(wǎng)故 障的特征 并針對性提出了各種措施 3 開發(fā)以數(shù)字信號處理為核心的測控系統(tǒng) 編制軟件并建立液晶顯示系統(tǒng)和通 訊系統(tǒng) 4 介紹了移動變電站保護(hù)測控與診斷系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu) 并分析了各個模塊的功 能以及設(shè)計要點(diǎn) 并提出針對性抗干擾措施 5 介紹了移動變電站保護(hù)控制與診斷系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu) 6 對全文進(jìn)行總結(jié) 并對后續(xù)研究工作提出展望 2 移動變電站變壓器勵磁涌流成因及解決方法 2 1 移動變電站的結(jié)構(gòu)與作用 2 1 1 移動變電站結(jié)構(gòu) 礦用隔爆型移動變電站 簡稱移動變電站 由移動變電站用礦用隔爆型高壓真空 開關(guān) 簡稱高壓真空開關(guān) 礦用隔爆型干式變壓器 簡稱干式變壓器 礦用隔爆型 低壓保護(hù)箱 簡稱低壓保護(hù)箱 組成 其配電方式是采用移動變電站供電負(fù)載 如發(fā) 生短路 過載 欠壓及漏電等故障 通過低壓保護(hù)箱獲得信號反饋至高壓真空開關(guān) 驅(qū)動高壓側(cè)斷路器分閘 干式變壓器本身故障也可由高壓真空開關(guān)實施保護(hù) 不需切 斷上一級配電裝置 移動變電站高壓側(cè)可以顯示電流 電壓及功率等參數(shù) 由于采取 斷高壓的方式 故電流比低壓小 克服了原移動變電站負(fù)責(zé)側(cè)故障只能由低壓饋電開 關(guān)保護(hù) 高壓開關(guān)僅是一個隔離開關(guān)的弱點(diǎn) 2 1 2 移動變電站的作用 移動變電站以其容量大 體積小 功能完善 安全可靠 運(yùn)輸方便的特點(diǎn) 在國 民經(jīng)濟(jì)特別是煤礦工業(yè)中越來越顯現(xiàn)出其強(qiáng)大的優(yōu)勢 移動式變電站在煤礦供電系統(tǒng) 中主要應(yīng)用有 1 在突發(fā)自然災(zāi)害或設(shè)備事故而需立即進(jìn)行搶險救災(zāi)供電的緊急狀態(tài)下 如系 統(tǒng)無備用容量 可全部或部分替代某一常規(guī)變電站迅速投入供電 2 在采區(qū)供電中 采用移動式變電站 可以滿足重型機(jī)械化采煤機(jī)組大容量 高電壓供電要求 并能隨采掘工作面一起推進(jìn) 能較好地解決供電壓降過大或短路保 護(hù)靈敏度不足的問題 3 在電力需求快速增長 供電距離相對較遠(yuǎn) 超出預(yù)先電力建設(shè)的規(guī)劃 建立 永久性變電所困難時 作為臨時變電站投入運(yùn)行 以緩解電力供應(yīng)緊張局面 如煤礦 掘進(jìn)延伸工程 4 在因資金短缺或由于其它原因某一區(qū)域永久變電站建設(shè)暫停 作為臨時性變 電站投入運(yùn)行 5 礦用移動式變電站不僅作為煤礦井下供電的設(shè)備 同樣可擴(kuò)展到地面供電系 統(tǒng) 井上井下可以通用 使設(shè)備綜合利用率進(jìn)一步提高 同時可節(jié)省征地 土建及變 電所設(shè)備安裝等方面投入 運(yùn)營成本降低 2 2 移動變電站勵磁涌流的成因分析 變壓器是移動變電站中重要設(shè)備 其安全與可靠運(yùn)行非常重要 變壓器在正常運(yùn) 行時 勵磁電流很小 通常只有額定電流的 3 8 大型變壓器甚至不到 1 可是在 空載合閘時 就會產(chǎn)生與變壓器合閘時電壓初相角以及變壓器特性有關(guān)的勵磁涌流 在最不利的情況下 勵磁涌流可以達(dá)到額定電流的幾倍 其最直接的影響就是導(dǎo)致變 壓器保護(hù)裝置誤動作 早期的移動變電站由于容量與電壓等級不高 勵磁涌流造成的 影響很小 但隨著現(xiàn)代煤炭工業(yè)的發(fā)展 綜合機(jī)械化程度不斷提高 所需要的移動變 電站的容量與電壓等級越來越大 這種情況下 移動變電站勵磁涌流問題己經(jīng)不可忽 視 下面分析單臺變壓器空載合閘時勵磁涌流形成原因 單臺變壓器在空載合閘時 由于其磁鏈不能突變 如果在電壓非過零點(diǎn)合閘時 為了維持初始磁鏈不變 就會產(chǎn)生一個呈指數(shù)衰減的磁通分量 由于該瞬態(tài)磁通分量 衰減很慢 當(dāng)與呈正弦變化的穩(wěn)態(tài)磁場疊加時 在最大的時候可以達(dá)到正常勵磁磁通 的兩倍 導(dǎo)致變壓器鐵心迅速飽和 從而產(chǎn)生了遠(yuǎn)大于正常勵磁電流的勵磁涌流 為了分析勵磁涌流產(chǎn)生的機(jī)理 首先對單臺變壓器進(jìn)行分析 單臺變壓器的模型 如圖 2 1 所示 圖 2 1 單臺變壓器勵磁涌流分析等效模型 根據(jù)圖 2 1 建立電壓方程式如下 2 1 sin 2 tUirRdt 式中 r為初級繞組的等效電阻 R為線路電阻 為初級繞組磁鏈 U為外施電壓的有 效值 為外施電壓的初相角 i為勵磁電流的瞬時值 考慮到變壓器的繞組電阻r及線 路電阻R 較小 故 可以取正常時的平均電感 dt irR 2 2 i Lav 作為整個瞬態(tài)過程的電感 即把電感視為常數(shù) 把式 2 2 代入式 2 1 得 U m K R r L T i 2 3 sin 2 dt tULrRav 解上式微分方程得 2 4 tLrRavavav avCetrRUL nsi 212 由于 則 avr 2 5 mavavavULrRL 2 290tn1 代入式 2 4 并根據(jù)初始值 式 2 4 可改寫為 0 2 tLrRmmavet cos cos 6 由式 2 6 可知 磁通量 由一個按指數(shù)衰減的瞬態(tài)分量與穩(wěn)態(tài)分量組成 現(xiàn) 分析兩種極端情況 1 當(dāng)合閘初相角 00 時 瞬態(tài)分量的幅值最大 在這種情況下合閘后半個周 期 即 t 時 磁通瞬態(tài)分量與穩(wěn)態(tài)分量疊加可達(dá)到 2 此時變壓器鐵心已經(jīng)嚴(yán)m(xù) 重飽和 相應(yīng)的激磁電流急劇增大 可達(dá)到正常激磁電流的幾百倍 或者說可達(dá)到幾 倍額定電流 2 如果初相角 900 時 這種情況下 不含有瞬態(tài)磁通分量 這就避免了沖擊 電流 由 2 6 式求得變壓器總磁通后 為了近似求取勵磁涌流 把磁化曲線作折線 處理 經(jīng)折線處理后勵磁涌流可用如下近似表達(dá)式 2 7 0mavsiL s 其中 為變壓器飽和磁通 I 為勵磁涌流 s i m0 s 0 t i m 圖 2 2 變壓器勵磁涌流波形集合波形 由式 2 6 2 7 可根據(jù)圖解法畫出勵磁涌流波形如圖 2 2 所示 2 3 勵磁涌流對移動變電站保護(hù)裝置的影響 勵磁涌流由于持續(xù)的時間比較短 對變壓器本身影響不大 但由于其幅值比較大 對移變保護(hù)測控裝置卻有很大的影響 主要表現(xiàn)在以下幾個方面 1 由于勵磁涌流幅值很大 可以達(dá)到額定電流的幾倍 當(dāng)其超過移變保護(hù)測控 裝置的短路故障整定值時將引起保護(hù)誤動作 2 勵磁涌流中含有很大的衰減直流分量 而移變保護(hù)測控裝置采用的全波傅氏 算法無法濾除衰直流分量 因而會使計算結(jié)果產(chǎn)生較大誤差 3 勵磁涌流會對與其串聯(lián)與并聯(lián)的相鄰移動變電站產(chǎn)生和應(yīng)涌流 和應(yīng)涌流也 會使移變保護(hù)測控裝置誤判產(chǎn)生誤動作 4 變壓器勵磁涌流使相鄰變壓器產(chǎn)生和應(yīng)涌流時 其上級移變輸出端電流為勵 磁涌流與和應(yīng)涌流的和電流 由于勵磁涌流與和應(yīng)涌流極性相反 交替出現(xiàn) 因此使 得前級電路的輸出端接近正弦波 基波幅值顯著增大 很容易使前級保護(hù)發(fā)生過流誤 動作 由于勵磁涌流很容易引起保護(hù)測控裝置發(fā)生誤動作 而礦用移動變電站對保護(hù)測 控裝置的可靠性要求很高 因此 必須采用可靠的措施防止勵磁涌流引起保護(hù)誤動作 2 4 勵磁涌流的抑制措施 勵磁涌流除了使保護(hù)測控裝置誤動作外 還會對移變變壓器產(chǎn)生很多不利的影響 如果是單臺變壓器運(yùn)行時 由于勵磁涌流持續(xù)的時間極短 對變壓器本身造成影響不 大 但如果是多臺變壓器串聯(lián)或并聯(lián)運(yùn)行時 會在其相鄰的串聯(lián)或并聯(lián)變壓器上產(chǎn)生 和應(yīng)涌流 當(dāng)和應(yīng)涌流出現(xiàn)以后 會使勵磁涌流衰減速度大大降低 持續(xù)時間大大延 長 這將對變壓器本身造成以下兩個方面的影響 首先 長時間的涌流作用會使變壓 器銅耗迅速上升 遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于正常時的銅耗 這將使變壓器繞組的溫度急劇上升 對變 壓器的絕緣造成不利的影響 其次 勵磁涌流對變壓器線圈產(chǎn)生電磁力 由于電磁力 的大小與電流的平方成正比 因此 當(dāng)勵磁涌流出現(xiàn)以后 電磁力大大增大 遠(yuǎn)遠(yuǎn)超 過正常值 容易使繞組受到損壞 因此 必須采取適當(dāng)措施抑制勵磁涌流 防止勵磁 涌流對變壓器自身造成的損害 為了抑制勵磁涌流 必須首先分析影響變壓器勵磁涌 流的因素 2 4 1 影響變壓器勵磁涌流因素的分析 變壓器瞬態(tài)衰減磁通分量與變壓器串聯(lián)電阻密切相關(guān) 當(dāng)線路沒有串聯(lián)電阻時 由于線路等效電阻遠(yuǎn)小于變壓器等效阻抗 對變壓器的瞬態(tài)衰減磁通分量初值影響不 大 此時變壓器串聯(lián)電阻主要影響變壓器衰減磁通分量的衰減速度 但當(dāng)變壓器串聯(lián) 電阻較大時 串聯(lián)電阻不僅影響衰減直流分量的衰減速度 還影響衰減磁通分量的初 始值 變壓器不同的串聯(lián)電阻對變壓器勵磁涌流具有抑制作用 主要表現(xiàn)兩個方面 a 減小變壓器勵磁涌流的副值 但由于線路變壓器等小電抗的作用 削減副值的作 用并不是很明顯 b 加快涌流的衰減速度 由 2 6 式可見 涌流的衰減速度主要是 串聯(lián)電阻決定 電阻 R 對加快涌流衰減速度的作用明顯 變壓器瞬態(tài)衰減磁通分量還跟變壓器合閘初相角密切相關(guān) 但合閘初相角主要是 影響瞬態(tài)磁通的幅值 對瞬態(tài)磁通衰減速度無影響 變壓器合閘初相角為0度時勵磁涌 流幅值很大 隨著合閘初相角的增大 勵磁涌流逐漸減小 當(dāng)變壓器合閘初相角為90 度時 勵磁涌流基本消失 另外隨著合閘初相角增大 勵磁涌流的衰減速度并沒有受 到影響 2 4 2 勵磁涌流的抑制措施 通過以上兩種情況分析可知 變壓器串聯(lián)電阻主要影響勵磁涌流的衰減速度 而 變壓器合閘初相角主要影響勵磁涌流的幅值 為了抑制勵磁涌流 許多專家學(xué)者提出 了許多措施 綜合前人研究 本文根據(jù)以上兩個方面針對性的提出兩種行之有效且簡 單可行的抑制勵磁涌流的措施 1 為了加快勵磁涌流的衰減速度 當(dāng)變壓器合閘時 在三相線路中各相串入適 當(dāng)?shù)拇?lián)電阻 在變壓器合閘完畢后從線路中切除串聯(lián)電阻 這種做法可以有效的抑 制勵磁涌流 但遇到的難題是操作復(fù)雜 必須在三相電路中同時添加串聯(lián)電阻 且變 壓器合閘完畢后也不容易從線路中切除 為了克服這個缺點(diǎn) 可以采用內(nèi)插電阻法 其原理如圖2 3所示 當(dāng)變壓器合閘時 先斷開開關(guān)K 此時電阻R串入電路 由于電阻 R接在中性線上 因此對三相可以同時起作用 避免各相都添加串聯(lián)電阻 當(dāng)各相都合 閘完畢后 閉合開關(guān)K 從而方便的切除電路電阻 R 由于中性點(diǎn)在正常情況下留過的 電流很小 因此很容易實現(xiàn)開關(guān)的切換 系 統(tǒng) 電 壓 抑制勵磁涌流 的串聯(lián)電阻 圖2 3 利用串聯(lián)電阻抑制勵磁涌流的配置方案 2 為了減少變壓器的勵磁涌流的增幅 必須采取適當(dāng)?shù)拇胧﹣砜刂坪祥l初相角 在最理想的情況下 當(dāng)變壓器合閘初相角為90度時勵磁涌流接近于零 這種情況下合 閘最有利 因此可采用選相關(guān)合技術(shù)控制變壓器合閘初相角 選相關(guān)合技術(shù)是隨著開 關(guān)技術(shù)的發(fā)展而提出的一種新型電力設(shè)備關(guān)合手段 由于變壓器的勵磁涌流的幅值與 變壓器投入時系統(tǒng)電壓的相位有關(guān) 因此利用選相關(guān)合技術(shù)控制變壓器空載投入時刻 可有效地限制勵磁涌流 值得一提的是 由于三相變壓器在三相相位并不一致 各相在相角上分別相差 1200 因此 如果三相同時合閘時 即使是在其中一相合閘初相角為 900 的時刻合閘 在另外兩相上的合閘初相角也不會為 90 因此對于三相變壓器 無論在任何瞬間合 閘 至少有兩相會出現(xiàn)不同程度的勵磁涌流 因此 在合閘時各相不能同時合閘 必 須在時間上錯開 如圖 2 4 所示 由圖 2 4 中可以看出 A 相先在最佳時間即在合閘角為 90 時合閘 此時 A 相繞 組中產(chǎn)生的磁通較小 接近于零 BC 兩相繞組中將產(chǎn)生感應(yīng)磁通 也叫動態(tài)磁通 其 幅 值為磁通最大值的一半 相位超前 A 相 1800 1 4 工頻周期后 B C 兩相的預(yù)期磁通 和 A 相在其內(nèi)的感應(yīng)磁通均相等 則 B C 兩相在此刻合閘將是一個最佳時間的合閘 這時 B C 兩相繞組內(nèi)的磁通都未達(dá)到飽和點(diǎn) 從而削減了勵磁涌流 t m s 0 磁通 A 相合閘 B C 相合閘 A 相 B 相 C 相 A 相在 B C 兩相的感應(yīng)磁通 圖 2 A 相先合閘時 B C 兩相動態(tài)磁通變化 2 5 本章小結(jié) 本章主要介紹了移動變電站的結(jié)構(gòu)和特點(diǎn) 重點(diǎn)分析了勵磁涌流形成的原因及對 移動變電站保護(hù)測控裝置產(chǎn)生的影響 針對傳統(tǒng)識別勵磁涌流方法上存在的弊端 提 出了基于能耗比的變壓器勵磁涌流與故障電流識別新判據(jù) 通過能耗比判據(jù)辨別故障 電流和勵磁涌流的方法 原理簡單 便于實現(xiàn) 且適合于微機(jī)保護(hù)應(yīng)用 該方法獨(dú)立 于各次諧波分析 避免了傳統(tǒng)的利用二次諧波制動原理來識別故障電流和勵磁電流的 方法因故障諧波干擾而導(dǎo)致故障動作延時 同時 無需考慮勵磁涌流的間斷角 從而 避免了因互感器飽和等因素造成的間斷角缺失而產(chǎn)生誤動作 該方法巧妙地綜合利用 了電壓和電流兩個參數(shù) 同時采用高斯 牛頓最小二乘法擬合勵磁涌流的方法 避免 了傅立葉算法受頻率變化影響較大 造成頻譜泄露的不足 由于該算法只用到涌流產(chǎn) 生時的第一個工頻周期 因此曲線擬合到第一個周期結(jié)束即可 提高了算法速度 由 于三相電力變壓器的各相相似性 本方法完全可應(yīng)用到三相變壓器中 同時 由于本 章還分析了影響勵磁涌流的各種因素 并在分析的基礎(chǔ)上提出針對性的抑制勵磁涌流 的措施 3 低壓電網(wǎng)故障保護(hù)原理 3 1 概述 本文所設(shè)計的低壓饋電開關(guān)測控系統(tǒng)主要用于保護(hù)煤礦井下低壓電網(wǎng) 因此本章 根據(jù)井下低壓電網(wǎng)的各種故障有針對性的闡述了各種故障所采取的保護(hù)原理 大致如 下 1 漏電保護(hù) 采用附加直流電源檢測原理 有漏電閉鎖和漏電保護(hù)兩種功能 2 對稱短路保護(hù) 采用相敏保護(hù)原理 在擴(kuò)大保護(hù)范圍的同時又能提高保護(hù)的 靈敏度 3 不對稱故障保護(hù) 采用負(fù)序保護(hù)原理 可以處理不對稱短路和斷相等多種不 對稱故障 4 過載保護(hù) 采用鑒幅式方法 應(yīng)用反時限動作原理 可靠地保證了電網(wǎng)的正 常工作 5 過壓 欠壓保護(hù) 采用鑒幅式原理 避免了電網(wǎng)長時間工作在不正常的電壓 下 3 2 漏電保護(hù) 3 2 1 漏電保護(hù)裝置的要求 據(jù)不完全統(tǒng)計 漏電事故占煤礦井下低壓電氣事故總數(shù)的 70 以上 漏電事故不 僅可以使電氣設(shè)備受到損傷 致使人身觸電傷亡 并會引燃煤礦瓦斯造成重大惡性事 故 因此對于井下低壓電網(wǎng)必須裝設(shè)漏電保護(hù)裝置 為了防止漏電故障的發(fā)生 煤礦井下低壓電網(wǎng)的漏電保護(hù)裝置應(yīng)滿足如下要求 1 具有漏電跳閘和漏電閉鎖雙重功能 并不間斷地監(jiān)視被保護(hù)電網(wǎng)的絕緣狀態(tài) 2 當(dāng)電網(wǎng)對地絕緣電阻降低到一定程度時 應(yīng)及時動作 切斷供電電源 或者 將電源開關(guān)閉鎖起來 防止合閘送電將事故擴(kuò)大 3 動作要迅速 一般應(yīng)滿足 30mA S 的要求 4 動作必須靈敏可靠 不能拒動 也不能誤動 3 2 2 漏電保護(hù)原理分析 從適用于井下低壓電網(wǎng)的漏電保護(hù)原理來看 主要有以下幾種 附加直流電源保 護(hù)原理 零序功率方向原理 旁路接地保護(hù)原理 本論文漏電保護(hù)裝置采用附加直流 保護(hù) 1 饋電開關(guān)的漏電保護(hù)原理 饋電開關(guān)的漏電保護(hù)裝置負(fù)責(zé)全電網(wǎng)的漏電保護(hù)和總漏電后備保護(hù)作用 可采取 附加直流電源的漏電保護(hù)原理 其原理如圖 3 1 所示 附加直流電源檢測通道為 直流電源正端 Rs 大地 電網(wǎng)絕緣電阻 三相電網(wǎng) 三相電抗器 直流電源負(fù)端 圖 3 1 附加直流電源漏電保護(hù)原理 C0 r 各相對地電容 絕緣電阻 L 三相電抗器 R 限流電阻 RS 取樣電阻 C 隔直電容 U 外加直流電壓 由于井下低壓饋電開關(guān)中皆不設(shè)零序電壓互感器 故圖 3 2 中增設(shè)了零序電壓取 樣回路 便于分支開關(guān)中零序功率方向漏電保護(hù)原理的實現(xiàn) 其檢測電流 I 可由下式求得 3 1 rRrRESL3 U C L A B C U s I R s R C 0 r C 0 r C 0 r 接地電阻 三相電網(wǎng)對地總絕緣電阻 ER r 3 ESLRR 3 式中 僅 r 為變量 故檢測電流 I 直接反應(yīng)了電網(wǎng)的絕緣情況 取樣電阻上的電 壓 Us 可表示為 3 2 rS sUIRR 三相電網(wǎng)對地的總絕緣電阻可由下式計算 3 3 S r 電網(wǎng)正常運(yùn)行時 根據(jù)式 3 3 可實現(xiàn)對電網(wǎng)絕緣電阻的連續(xù)檢測 當(dāng)人身觸電 或發(fā)生漏電故障 使r 達(dá)到裝置動作設(shè)定值時 迅速將電源切除 另外 即使電網(wǎng)的 絕緣電阻均勻下降 仍可將此故障檢測出來 這是附加直流電源漏電保護(hù)原理的一大 優(yōu)點(diǎn) 下表是不同電壓等級下的漏電電阻整定值 利用附加直流電源原理實現(xiàn)的漏電保護(hù)對總自動饋電開關(guān)而言 已經(jīng)能滿足漏電 保護(hù)的要求 表 3 1 不同電壓等級下的漏電電阻整定值 電壓 V 電阻 127 380 660 1140 最低絕緣電阻值 4000 7000 22000 40000 整定值 動作值 2000 3500 11000 20000 3 3 短路保護(hù) 3 3 1 短路故障 短路是指供電系統(tǒng)中不等電位的導(dǎo)體在電氣上被短接 在煤礦供電系統(tǒng)中 由于 環(huán)境比較惡劣 設(shè)備易受潮 以及絕緣自然老化 機(jī)械損傷等原因 造成供電線路和 設(shè)備的損壞 從而引起短路 短路故障是煤礦井下最常見的故障之一 直接影響著井 下供電的安全性 可靠性和連續(xù)性 因此 煤礦安全規(guī)程 要求在煤礦井下低壓電網(wǎng) 中必須裝設(shè)過電流保護(hù)系統(tǒng) 電網(wǎng)短路故障包括 三相短路 兩相短路 兩相接地短 路和單相接地短路等 三相短路是對稱性短路 其它是不對稱性短路 下面主要介紹 電網(wǎng)發(fā)生短路故障時所采取保護(hù)措施的原理 3 3 2 短路故障保護(hù)原理 三相對稱短路故障發(fā)生時 短路電流非常大 電網(wǎng)對稱且功率因數(shù)比較高 為了 兼顧保護(hù)范圍和靈敏度的要求 采用相敏保護(hù)原理 0 0 0 2 0 4 0 6 0 8 1 0 0 0 0 2 0 4 0 6 0 8 1 0 c o s L K m I I 1 相敏保護(hù)原理 圖 3 2 鑒幅 鑒相保護(hù)特性 圖 3 2 為一般相敏保護(hù)的保護(hù)特性 圖中 1 為單獨(dú)鑒相式保護(hù)特性 2 為單獨(dú)鑒 幅式保護(hù)特性 顯然存在保護(hù)死區(qū) 3 為鑒幅值和鑒相值相乘后所構(gòu)成的保護(hù)特性 即 3 4 cI os 由式 3 4 可知 只要選擇合適的常數(shù)c 其保護(hù)區(qū)較單獨(dú)鑒幅 鑒相的保護(hù)區(qū)大 為躲過大型電動機(jī)的起動電流 并能使保護(hù)在正常方式下 對在保護(hù)范圍內(nèi)發(fā)生 對稱短路故障進(jìn)行可靠動作 必須確定合理的保護(hù)動作區(qū) 圖3 3 短路點(diǎn)至電源的距離與短路電流 功率因數(shù)的關(guān)系曲線 圖 3 3 給出了典型煤礦供電系統(tǒng)短路電流 功率因數(shù)和短路點(diǎn)距電源距離之間的 關(guān)系曲線 其中 2 1 3 c o s A C I I c o s 3 5 max shII 式中 短路電流 shI 供電系統(tǒng)最大短路電流 maxs 圖3 4給出了鼠籠式異步電動機(jī)起動電流與功率因數(shù)之間的關(guān)系曲線 其中 3 6 NSSII 式中I S 起動電流 I N 電動機(jī)的額定電流 圖3 4 異步電動機(jī)起動電流與功率因數(shù)關(guān)系曲線 將圖 3 2 圖 3 3 圖 3 4 畫于同一坐標(biāo)下可得到短路電流 起動電流和功率因數(shù)之 間的關(guān)系曲線 如圖 3 5 所示 圖 3 5 給出了典型煤礦供電系統(tǒng)短路電流 起動電流 功率因數(shù)和短路點(diǎn)距電源距離之間的關(guān)系曲線 其中 A 為短路電流相對值與功率因 數(shù)的關(guān)系曲線 B C 為不同起動電流相對值與功率因數(shù)的關(guān)系曲線 D 為鑒幅 鑒相 0 0 0 2 0 4 0 6 0 8 1 0 c o s I 1 2 3 4 5 6 s 相乘的臨界動作曲線 E 為 時鑒幅 鑒相相加的臨界動作曲線 F 為121 c 時鑒幅 鑒相相加的臨界動作曲線 25 1 c9 0c 在圖3 5 中 短路電流和起動電流相對值都是以供電系統(tǒng)可能發(fā)生的最大短路電流 為基準(zhǔn)的 由此可見 傳統(tǒng)的鑒幅式短路保護(hù)要躲過起動電流 將使保護(hù)范圍大大縮 小 例如 電流動作值取 0 25時 保護(hù)范圍小于 500m 然而 對于單純鑒相式保 I 護(hù) 若要保護(hù)線路全長 即動作整定值為 則電動機(jī)起動時可能產(chǎn)生誤動作 4 0cos 若要躲過起動電流 則保護(hù)距離較小范圍內(nèi)發(fā)生短路時將得不到保護(hù) 綜合考慮這兩 個因數(shù) 則既能避免大型電動機(jī)起動時的誤動作 又能保護(hù)線路全長 曲線D 是兩者相 乘為一常數(shù)所確定的臨界動作曲線 即 3 7 cI cos 可以看出 取不同的常數(shù)c 可得不同的臨界動作曲線 只要常數(shù)選擇合理就可以 取得滿意的保護(hù)效果 圖3 5中的曲線D是在 時得到的 然而從圖中也不難發(fā)現(xiàn) 1 0 動作界限的選擇余地是比較小的 將鑒幅 鑒相所得到的值分別與常數(shù) 相1c2 乘后再相加即 3 8 1cos21 Ic 選擇不同的常數(shù) 可得到不同的臨界動作直線 如圖3 5中直線E F所示 根據(jù)電2 網(wǎng)負(fù)荷大小選擇不同的常數(shù) 可得到斜率不同的動作直線 這樣可取得最佳的12 保護(hù)效果 它不但有較寬的動作界限選擇余地 而且有很高的動作靈敏度和可靠性 0 0 0 2 0 4 0 6 0 8 1 0 0 0 0 2 0 4 0 6 0 8 1 0 1 2 A B C E F D 電流倍數(shù) I c o s 圖 3 5 短路電流 起動電流和功率因數(shù)的關(guān)系曲線 2 負(fù)序保護(hù)原理 在煤礦井下保護(hù)系統(tǒng)中 相敏保護(hù)主要是保護(hù)對稱短路故障 并不能保護(hù)不對稱 故障 因為在供電線路發(fā)生不對稱性故障時 線電流間的相位差將偏離 120o 不再存 在短路電流與起動電流的固有關(guān)系 當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生不對稱故障時 其重要的特征是電流 不對稱 根據(jù)對稱分量法 線路中會產(chǎn)生負(fù)序電流 而且兩相短路和一相斷線時的負(fù) 序電流大小不同 所以通過檢測負(fù)序電流的大小就可以判斷不對稱故障狀態(tài) 負(fù)序保護(hù)原理就是利用故障線路中反映負(fù)序分量的電流或電壓作為故障判斷的依 據(jù) 從而達(dá)到斷相和不對稱短路故障保護(hù)的目的 本系統(tǒng)把反映故障電流負(fù)序分量的 電壓作為判斷的依據(jù) 設(shè)計了負(fù)序分量濾波器 可以檢測供電線路的不對稱狀態(tài) 當(dāng) 系統(tǒng)正常運(yùn)行時 因為沒有負(fù)序電流 輸出電壓幾乎為零 當(dāng)發(fā)生不對稱故障時 負(fù) 序濾波器輸出負(fù)序電壓 Uout CPU 對此電壓值進(jìn)行檢測 計算 判斷和處理 做出相 應(yīng)的動作 從而對電網(wǎng)進(jìn)行保護(hù) 三相電流由傳感器CT采集得到 經(jīng)電流 電壓轉(zhuǎn)換 變成電壓信號 然后分別把 A 相前移 C 相后移120 o 與B相合成輸出信號U out 即負(fù)序電壓信號 如圖3 6所示 計 算機(jī)根據(jù)此電壓的大小來判斷電網(wǎng)的不對稱故障狀態(tài) UPSA UPSBUPSC O移 相 前 UPSA UPSB UPSC O 移 相 后 U N S A U N S B U N S C O 移相前 U N S C U N S B U N S A 移相后 O 圖 3 6 正相序情況下各序分量向量圖 a 正序分量 b 負(fù)序分量 c 零序分量 當(dāng)發(fā)生不對稱故障時 根據(jù)圖 3 10 的電路和故障電流與各序電流之間的關(guān)系可以 得到 3 9 NSASCBA OUTIRII 3232 式中 R 是負(fù)序濾波器的電阻 是 A 相電流的負(fù)序分量 由式 3 9 和圖 3 6 可以看出負(fù)序濾波器的輸出電壓只與負(fù)序電流有關(guān) 而與正 序電流和零序電流無關(guān) 因此 通過檢測負(fù)序電壓值就可以了解電網(wǎng)的不對稱故障狀 態(tài) U Z S A U Z S C U Z S B O 移相前 U Z S A U Z S B U Z S C 移相后 O 順 時 針 移 相 1 2 0 逆 時 針 移 相 1 2 0 負(fù) 序 電 壓 合 成 電 流 傳 感 器 電 流 傳 感 器 電 流 傳 感 器 電 流 電 壓 轉(zhuǎn) 換 電 流 電 壓 轉(zhuǎn) 換 電 流 電 壓 轉(zhuǎn) 換 AI BI CI AU B CU AU CU B out 圖 3 7 負(fù)序保護(hù)框圖 式 3 9 是在電網(wǎng)正相序運(yùn)行情況下的分析結(jié)果 如果電網(wǎng)工作在逆相序情況下 則式 3 10 會變?yōu)?3 10 PSAS CBAOUTIRII 3232 式中 是 A 相電流的正序分量 PSI 由式 3 10 可見 當(dāng)電網(wǎng)工作在逆相序情況下 負(fù)序濾波器的輸出電壓只與正序電 流有關(guān) 這樣就會導(dǎo)致保護(hù)誤動作 因此 負(fù)序保護(hù)也要求在保護(hù)運(yùn)行之前判斷電網(wǎng) 相序 3 4 過負(fù)荷保護(hù) 3 4 1 過負(fù)荷 過負(fù)荷 即過載 是煤礦井下一種不正常運(yùn)行狀態(tài) 過負(fù)荷后 電流相位對稱 幅值大于額定電流 過負(fù)荷故障在一定范圍或一定時間內(nèi)的是允許的 但長時間過負(fù) 荷運(yùn)行是不允許的 因為電網(wǎng)過負(fù)荷后 熱量積累會導(dǎo)致電纜溫度升高 但只要溫度 不超過其允許溫升范圍 電網(wǎng)都可以繼續(xù)正常運(yùn)行 否則便需對其實行保護(hù) 煤礦井下電網(wǎng)由于負(fù)荷波動比較大 線路中的電流變化頻繁 因此可能導(dǎo)致在本 次過載延時時間沒有到時線路中的電流就已恢復(fù)正常 過載特性變化 保護(hù)返回 如 此反復(fù) 使電纜熱量來不及散發(fā)出去 造成熱量積累 給電纜的正常運(yùn)行帶來不利 因此 在設(shè)計過載保護(hù)原理和動作時限時要考慮電纜的熱量積累 3 4 2 過負(fù)荷保護(hù)原理 鑒于過負(fù)荷時電網(wǎng)電流大于額定電流 可以采用檢測電網(wǎng)工作電流的方法來檢測 過負(fù)荷狀態(tài) 電路原理圖與檢測電流幅值原理圖相同 本系統(tǒng)中的過負(fù)荷保護(hù)采用反時限動作原理 即電網(wǎng)過載倍數(shù) 電網(wǎng)實際工作電 流 額定電流 越大 要求過載動作時間越短 3 5 過壓與欠壓保護(hù) 在正常情況下 配電線路和開關(guān)設(shè)備等對地絕緣 只承受相電壓 由于某些原因 電網(wǎng)的電磁能量發(fā)生突變 造成電壓異常升高 出現(xiàn)危及設(shè)備絕緣的電壓稱為過電壓 而電壓過低則稱為欠電壓 當(dāng)實際電壓等于或大于 110 額定電壓時 判定為過電壓 當(dāng)實際電壓等于或低于 75 額定電壓時 判定為欠電壓 二者均屬于不正常工作狀態(tài) 3 5 1 過壓保護(hù) 過電壓從產(chǎn)生的原因上可分為大氣過電壓和內(nèi)部過電壓兩種 由于雷擊導(dǎo)線和設(shè) 備產(chǎn)生的過電壓叫直擊雷過電壓 由于雷云放電時電磁場能量的突變 而在設(shè)備上產(chǎn) 生的過電壓叫感應(yīng)過電壓 這種由于雷 云而使電氣系統(tǒng)出現(xiàn)過電壓 統(tǒng)稱大氣過電 壓或者外部過電壓 由于系統(tǒng)的操作 故障和某些不正常運(yùn)行狀態(tài) 使系統(tǒng)產(chǎn)生的過 電壓叫內(nèi)部過電壓 其中由于操作而引起的過電壓叫做操作過電壓 煤礦井下供電設(shè) 備多為感性負(fù)載 真空開關(guān)在開斷這些負(fù)載時 由于觸頭分?jǐn)嚯娏鲿r的截流或電弧重 燃而引起了過電壓 由于開關(guān)的截流 感性負(fù)載上電流突變引起壓降 Ldi dt 很大 所 以會形成較高的過電壓 這一過電壓現(xiàn)象持續(xù)時間一般很短 其形成與很多因素有關(guān) 一般要通過試驗來確定 理論分析表明 開關(guān)的截流水平越高 負(fù)載電感越大 回路 對地電容越小 則開斷時產(chǎn)生的過電壓就越高 內(nèi)部過電壓的幅值與電網(wǎng)的額定電壓 成正比 一般為額定電壓的 2 5 4 倍 過電壓從其持續(xù)的狀態(tài)上又可分為暫態(tài)過電壓和穩(wěn)態(tài)過電壓 外部過電壓和操作 過電壓叫做暫態(tài)過電壓 其電壓值一般都超過 2 5 倍的額定電壓 甚至達(dá)到 6 倍的額 定電壓 為了避免高壓引起用電設(shè)備的絕緣擊穿 通常采用抑制和保護(hù)的措施 暫態(tài) 過電壓采取的保護(hù)措施如下 1 壓敏電阻抑制過電壓 壓敏電阻是一種以氧化鋅為主要成分的非線性電阻 具有流通量大 非線性系數(shù) 高 漏電流小 無續(xù)流 伏安曲線對稱 響應(yīng)時間短 小于 50us 可靠性高等特點(diǎn) 在正常工作時 具有極高的電阻而呈絕緣狀態(tài) 當(dāng)作用在上面的電壓超過預(yù)先選定的 壓敏電阻動作電壓時 壓敏電阻就顯示出低阻特性 其電阻值和流過的電流急劇變化 電阻值下降 電流值上升 使存在于負(fù)載回路中的能量通過壓敏電阻釋放掉 待過電 壓波動過去后 壓敏電阻又自動恢復(fù)原來的高阻特性 2 RC 阻容吸收裝置 RC 裝置內(nèi)的電容既可以減緩過電壓的上升陡度 又可以降低負(fù)載電路的整體波阻 抗 因而降低了過電壓幅值 電阻的作用是消耗能量 衰減高頻電流 形不成高頻電 流零點(diǎn) 使得高頻電弧向工頻電弧轉(zhuǎn)化 有效地防止了多次重燃引起的電壓升級 阻 容吸收器的最大優(yōu)點(diǎn)是能緩和過電壓波頭陡度 與此同時 它能降低過電壓振蕩幅值 及頻率 真空斷路器的操作過電壓是由于儲能元件在開關(guān)動作瞬間所釋放的能量在電路中 產(chǎn)生電磁振蕩而產(chǎn)生的 通常采用 RC 裝置來降低以至消除振蕩過電壓 實驗表明 RC 裝置是限制真空斷路器操作過電壓很有效的裝置 3 5 2 欠壓保護(hù) 欠壓保護(hù)也是煤礦井下不可缺少的保護(hù)之一 欠壓是指當(dāng)電網(wǎng)電壓下降至額定電 壓的 75 時 保護(hù)延時跳閘 當(dāng)供電系統(tǒng)或配電電路出現(xiàn)短路故障時 供電電壓將短 時下降或消失 此時 如果負(fù)荷過重且供電電壓恢復(fù)較慢 電動機(jī)將長時間處于起動 狀態(tài) 在這種情況下 電動機(jī)和配電系統(tǒng)均受到相當(dāng)大的起動電流沖擊 電動機(jī)長期 在起動電流作用下 將導(dǎo)致絕緣過熱 甚至損壞 另外 在正常供電過程中 若電壓 下降 額定負(fù)載下易引起過電流 造成電機(jī)燒毀 因此 煤礦井下必須裝設(shè)欠電壓保 護(hù)裝置 欠電壓保護(hù)與穩(wěn)態(tài)過電壓一樣采用鑒幅式保護(hù)原理 4 移動變電站保護(hù)測控裝置硬件系統(tǒng)與抗干擾措施 4 1 系統(tǒng)功能簡介 移變智能保護(hù)測控裝置的主要功能是實時分析判斷移動變電站的運(yùn)行狀態(tài) 在電 網(wǎng)發(fā)生故障時及時切除主電路 并通過人機(jī)界面顯示故障信息 移變智能保護(hù)測控裝 置提供如下功能 1 能對各參數(shù)進(jìn)行整定以兼容所接入不同的移變類型 2 提供可進(jìn)行設(shè)置操作人機(jī)界