隔离供电（共3篇）
隔离供电 篇1
0引言
煤矿电网6/10k V电压等级往往穿越多级变电所,由于线路短,过流保护时限小,系统运行方式差异大,常存在过流速断保护整定困难、短路越级跳闸等问题[1,2,3]。目前,广泛采用的分布独立式传统继保装置,不能解决越级跳闸难题,且无法自动识别输电线路的故障类型,难以快速隔离故障,常导致扩大故障范围的严重后果。有统计表明,大部分三相短路故障是因两相短路未及时切除造成的。而采用电流纵联差动保护或通信级联闭锁的方式对传统继保装置进行改造,无法从根本上实现故障的快速识别与隔离。随着煤矿自动化的发展,光纤数字通信网络在煤矿井下的应用,基于数字化集成的保护方案被提出,该方案具备完善的保护功能,保护的可靠性、快速性都有所提高,但该方案不符合国网智能变电站建设规范,且对数据的同步采样要求严格,对通信的可靠性要求较高,投资较大[4,5]。本文利用智能变电站区域集控技术构造了故障识别与隔离系统对站内信息集中处理、判断,实现多种穿越故障及不正常运行状态的识别与可视化标识,尤其是彻底解决了煤矿多发的越级跳闸及漏电无选择性难题。
1区域集控式智能供电系统
煤矿电网多级串供系统,负荷集中,多个变电所之间距离较短,为构筑区域集控式智能供电系统提供了可能。国家电网公司技术标准Q/GDW_441-2010 《智能变电站继电保护技术规范》要求66k V、35k V及以下间隔保护、测控、智能终端、合并单元功能宜按间隔合并实现[6],因此煤矿配电网建设的智能变电站大多采用两层一网结构,不构建SMV过程层网络。在此背景下,煤矿区域集控式智能供电系统以多智能变电站为基础,统一建设智能集控中心作为各分站的公共站控层。系统的体系结构如图1所示。
各智能站采用GOOSE网络与区域集控中心通信,实现信息共享,故障识别与隔离系统设在站控层,包括集控中心主机和显示器,集控主机收集各保护测控装置上传的故障信息实现故障的识别与隔离,将分析结果在后台界面显示进行拓扑着色显示故障区段及故障类型并能发出故障报警等。各智能变电站在系统中承担区域集中控制功能,除本站外, 还实现区域智能控制防误闭锁。
2区域集控式故障识别与隔离系统
为保证系统的可靠性灵敏性,区域集控式故障识别与隔离系统满足以下原则:地面及井下各智能变电站独立完成故障的识别,通过GOOSE上传至区域集控中心;集控中心完成系统范围内故障区段的判断,下发隔离及闭锁命令;集控中心不影响各站独立的故障判断与继电保护功能,故障判断识别的速度应快于各站间隔层保护装置保护动作的速度,不影响各站保护的动作特性。
2.1故障区段识别算法
传统故障区段识别算法复杂、耗时较长,不能满足特殊供电场合快速隔离故障的需求。本文在构造煤矿网络树状拓扑结构的基础上,基于保护测控装置检测结果,进一步判断故障区段,运算简单, 快速实用。区域集控中心依据各分智能变电站上传的故障信息,构造故障判别矩阵,构造方法为:
(1) 依据煤矿电网拓扑结构生成网络描述矩阵D,规则为以煤矿电网中每个开关作为一个节点, 并进行编号,若共有n个节点,则D为n阶方阵, 若节点i有子节点j,则Dij=1,否则Dij=0。
(2) 依据各开关保护测控装置上报的故障信息定义故障信息矩阵F,F矩阵初始为1×n的0矩阵, 规则为若第i个节点上报故障信息,则Fi=1,否则Fi值不变。
以图2所示为例,说明故障区段识别矩阵的构造原理。
依据式(1)中原则,构造拓扑矩阵D为
d点发生短路故障后,1、3、6、7号节点处于同一支路上,应均能检测到故障。据此故障判定矩阵P为
由此判断故障区段为7号断路器之后,且7号断路器距离故障点最近,因此,应当跳开7号断路器。
2.2区域智能控制防误闭锁
区域集控中心根据故障区段识别算法的分析结果,采用GOOSE报文下发保护允许/闭锁指令。短暂的临时性故障,在故障消失后,或者就地保护装置误启动恢复后,“就地信号”由“1”变为“0”。 此时保护不会动作,间隔层保护测控装置对故障的判断不受集控中心保护主机下发信号的影响,即使保护测控装置收到“允许”信号,但是 “就地信号” 变为“0”,说明间隔层保护的启动是由于干扰造成的,并非是故障造成的,此时,保护逻辑输出“0”, 不会跳开开关,可见主机的“允许”或“闭锁”信号只是辅助各间隔层保护测控装置完成全矿多智能变电站的故障区段定位,保证保护的选择性,不会影响间隔层保护测控装置对故障的判断结果。
2.3故障识别与隔离流程
各分智能变电站保护测控装置实时运算,运算结果实时更新就地信号,同时以GOOSE报文上传至区域集控中心。矩阵从收集到第一个故障GOOSE报文开始计时到时间t,若在t时间内收到故障GOOSE报文,则对GOOSE报文解码并将t清零, 重新开始计时,延时时间t到即认为故障信息收集完毕开始矩阵运算,t大于矩阵运算花费时间。当备选区段数大于1时即发生信息漏传或信息畸变情况,进行矩阵容错处理。区域集控中心故障识别与隔离流程如图3所示。
2.4优化决策算法
保护测控装置发出跳闸命令后,开关可能会有拒动的情况,按照时差配合的方式,紧邻的上级开关会跳开,但有时整定时间过长满足不了保护的快速性。因此,本文提出N-1优化决策法,及时发现开关拒动情况,并跳开上级开关。N -1优化决策法如图4所示,集控中心保护主机进行故障区段定位判断并下发“允许”信号后,保护主机开始计时,在一段时间内若一直收到故障信息,则判定开关拒动, 矩阵会将这个开关信息去除并重新计算一遍,让紧邻它的上一级开关跳开。假设延时时间为t1,矩阵重新计算时间为t2,则t1+t2<T。此优化策略可加快后备保护快速性,当这套系统整个失效时才用逐级的时差配合作为后备保护。
3网络传输关键技术
GOOSE报文直接映射到数据链路层,省去了中间各层的打包环节[7],主要用来传输跳闸、闭锁等开关量信息。在GOOSE与MMS共网情况下, 实际工程中通过改写网卡驱动,将GOOSE和MMS报文映射到不同的协议层,这样两者互不影响,保证了数据传输的快速性和实时性。
间隔层终端实时运算,有故障或异常时以GOOSE报文上送故障信息,进行故障识别与隔离相关计算。此外,各保护终端间通过GOOSE互传开关量及模拟量信息,即终端间信息共享,也可实现小电流接地选线,差动保护等保护功能,通过终端间配合,可实现快速故障隔离与恢复供电等功能。GOOSE的传输机制决定了其对开关量传输具有较好的实时性,只能传输少量非实时的模拟量。对于配电网而言,构造保护时需要共享的信息不多,因此基于GOOSE网络,实现站间及站内信息共享完全能够满足变电站保护控制要求,目前国内已有一些厂家研发了相关产品。
GOOSE报文传递的信息包括故障状态、故障类型及故障模拟量信息等,其中故障类型我们约定用整型表示,比如1表示短路故障,2表示单相接地故障,3表示过负荷等。具体编码见表1。
智能变电站要求GOOSE等报文具有很高的实时性,各种突发性、非实时信息易对GOOSE、MMS等信息的实时传输产生影响,此外网络的瞬时过载, 广播风暴等会导致网络性能急剧下降,正常的数据通信无法进行[8]。基于漏桶模型的信息流量控制方法,是一种基于输入速率的流量控制机制,其基本思想是通过发放标权来控制不同数据流的平均速度和峰值速度[9,10],每个队列中的信息需要从相应的漏桶中获取标权才允许进入网络漏桶模型的基本原理如图5所示。
为避免排队获取标权影响重要报文的实时性, 可根据不同报文的优先级级别设置不同的标权流入速度。交换机将接收到的信息按照优先级进行分类, 并放至不同的队列中。每个队列均设置漏桶模型进行流量控制,信息获取标权进入发送缓冲区队列后, 按信息优先级对其传输顺序进行调度,保证网络上的各种流量以基本恒定和有序的方式占用网络资源。
在设计装置通信时,要考虑最大传输量情况下的传输延时,尤其是接收延时,防止在固定时间内由于最大接收报文量引起的网口溢出而丢失报文或延时过长。此外,还可以采用合理的交换机虚拟局域网(VLAN)技术和多播地址过滤或保护装置网卡媒体访问控制(MAC) 地址过滤等方式,避免其他报文对网口的冲击[11,12]。
4系统应用情况
某矿应用本文研发的煤矿智能供电系统区域集控式故障识别与隔离技术进行供电系统智能化改造,故障类型判别与故障点定位均实现了智能化, 彻底改变了常规人工实验判定方法。故障影响面, 事故发生时序均可视化后台显示,受到现场工程技术人员一致好评。故障判定与隔离时间由原来的1~2 h有效缩短到秒级。经统计,智能化改造前, 年发生越级和漏电故障引起的故障扩大事故16次, 影响生产有效累计时间达25 h,智能供电系统投运一年后,无越级和漏电引起的故障区域扩大事故, 没有供电故障造成影响生产情况发生。
5结论
本文研发基于智能变电站的区域集控技术,综合全站信息作出判断,能够识别各种穿越性故障和不正常运行状态,具有很好的速动性和可靠性。经核算,对于速动性要求很高的短路故障,本系统采用突变量启动技术,最快1/4周波连续启动可以识别出短路故障,GOOSE报文上传下发耗时考虑网络拥塞情况下不超过5 ms,所以考虑各种极端情况短路故障可在15 ms内完成识别与隔离。基于IEC61850标准,开创性的给出了故障识别与隔离技术的信息模型,促进了智能变电站高级应用功能的实现,有力的推动了IEC61850标准在配电领域的应用。
摘要：为解决煤矿电网6/10 k V供电系统易发生越级跳闸、故障穿越、扩大停电面积的问题,针对工矿企业常见的多级串供供电网络,以智能变电站为基础,构造煤矿区域集控式智能供电系统。系统间通过GOOSE网络实现信息共享,在此基础上,构造故障识别与隔离系统,对站内信息集中处理、判断,实现多种穿越故障及不正常运行状态的识别与可视化。构造故障矩阵算法实现故障区段的识别,并进一步优化决策算法,探讨GOOSE网络传输关键技术。为智能变电站应用到工矿企业提供了理论分析基础,具有较大的实用价值。
关键词：智能变电站,智能供电系统,故障识别与隔离,区域集控,GOOSE
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一种用于直流供电的隔离型安全栅 篇2
关键词：安全栅,本质安全,隔离变压器,关联元件
本质安全型防爆是GB3836和EN60079标准［1］规定的一种防爆措施,与隔爆型( Ex d) 、浇封型( Ex md) 等防措施相比,其显著的特点是无需笨重的隔爆外壳保护,设备电路可暴露于可燃气体或粉尘环境,广泛应用于石油、化工领域的各种变送器、探测器等现场设备。安全栅是保证本质安全设备稳定工作的关键电路,通常有齐纳安全栅和隔离型安全栅两种类型［2］。 而隔离型安全栅具有安全性高,本安回路和非本安回路可靠隔离、无需本安接地等特点,且没有齐纳栅的测量误差问题,所以隔离型安全栅具有更高的可靠性和抗干扰能力。本文通过交直流变换和变压器实现了传递5 V直流电压的隔离型安全栅,为本质安全设备提供符合要求的安全电源。
1设计方案和总体要求
将直流电源经隔离安全栅传递至危险区成为安全电源的方案如图1所示［3］。
整个安全栅的输入为上级的5 V直流电压,输出为经过限能的5 V安全电压。整个安全栅的目的是将安全区的危险能量传递至危险区,而在传递的过程中限制了其能量水平,使之在危险区不会引爆周围的可燃气体,原理如图2所示。
图中T1为变比为1的可靠隔离变压器,D1、D4、D5为齐纳二极管,起过压保护作用,U1推挽驱动器,实现DC - AC变换,R2为可靠金属膜电阻,起限流作用。
安全栅相关的参数须围绕防爆等级设计,即适用区域和温度组别。适用区域决定了电路能量的上限水平,温度组别决定了电路表面的最大温升,而对于本安电路还须考虑在一处( ib) 或两处( ia) 故障发生时仍能确保对能量和温升的控制。图1中,T1、D4、D5和R2为重要的本安电路关联元件。
2安全栅对电源变压器的设计要求
可用于隔离安全栅的变压器必须符合特定的结构要求。变压器的结构可按I型、II型两种形式来讨论。 I型结构指初、次级绕组并列放置在同一个铁芯上,或绕组分别放置于两个铁芯上; II型结构指初、次级绕组内外重叠绕制。但关键是初次级绕组之间必须有足够的爬电距离和电气隔离间隙。EN60079 - 11中明确规定了不同电压等级下的爬电距离和电气隔离间隙,表1所示为不同峰值电压下ia、ib等级对应的相关要求［4］。
变压器绕组的输入电压虽然是5 V级别,但必须考虑到前端220 V及24 V电源系统发生故障的最坏情况。所以按最坏情况及表1规定,应将变压器绕组的电压等级定为375 V。根据变压器可行的制造技术条件,选用II型结构,初次级绕组间采用固体隔离。 按照表1要求,变压器两绕组的电气隔离间隙为> 1 mm,爬电距离> 10 mm。
安全栅对电源变压器的另一个要求是铁芯必须接地,除非该防爆形式无需接地,或铁芯由绝缘的铁氧体材料制成。电源变压器还必须经过耐压的可靠性例行试验,试验要求如表2所示。
符合以上物理及测试要求的变压器可视为可靠隔离变压器,原则上认为在对应的峰值电压范围内不会发生故障。
3安全栅对保护电路的要求
要确保变压器可靠工作,除保证变压器本身是可靠的,对变压器进行工作状态的保护也是必不可少的, 必须限制变压器工作在期望的电气参数下［5］。
齐纳二极管D1的齐纳电压为5. 6 V,误差为 ± 5% ,则变压器初级绕组的最大工作电压被限制为
快速熔断器F1限制后端电路的最大持续电流,其一方面限制变压器绕组电流,控制其温升,另一方面限制D1在过压状态下的最大电流,防止其结温过高引起失效而失去限压作用。一般的,F1的额定电流IF1N为绕组正常工作电流的1. 7倍。
在计算绕组最大温升和能量时应按2 /3原则来估算其最大电流,即
若安全栅用于IIC场合,则绕组储存的能量不能超过40 μJ,即
因变压器初、次级绕组参数基本一致,对初级绕组的限制也即对次级绕组的限制。
D4、D5与D1参数相同,其限制了安全电压的最大值,即USAFE= 5. 88 V。若要达到ia等级,须配置三重齐纳管保护,以满足在两个故障点的情况下不丧失限压能力。R2限制了危险区域的最大短路电流,其作用与F1相似,但因为是线性器件,能有效起到限流保护作用,而快速熔断器仅能起到控制温升的作用［6］。
4安全栅电路的其它关键要求
安全栅电路的关键间距要得到保证。安全栅将电
路分为危险区和安全区两个区域,这两个区域之间必须按表1要求保证足够的电气隔离间隙和爬电距离。 起保护作用的熔断器、齐纳二极管、限流电阻两端之间的间距使用同样的要求。
快速熔断器的分断能力必须足够大,以保证在高于375 V的条件下仍能可靠分断电路,其熔断的快速性必须保证在齐纳二极管过压热击穿前分断电路。所有关联器件的实际工作参数必须小于该器件最大容许参数的2 /3。所有可靠器件可不计入故障计数,连接齐纳管、限流电阻与安全地的铜箔必须有足够的厚度和宽度,否则视为不可靠连接,须计入故障计数。须限制危险区电路中电容的总容量,使得Wc= ( U × C2) /2 < 40 μJ［7 － 8］。
5结束语
浅谈矿山供电安全隔离与消弧设计 篇3
1 常见的矿山供电事故
1.1 触电引起的事故分析及预防
1.1.1 触电的危害———人碰到带电的导线。
所谓触电, 就是人碰触了带电的导线后, 电流经过人体, 对人体的组织造成不同程度的损伤, 一般来说, 可以根据触电的具体形式的不同, 将这种伤害分为电击和电伤两种。下面逐一进行介绍:首先, 电击是指较为严重的组织损伤, 通常会表现为人体发热、发麻, 严重的会导致肌肉抽搐, 并失去知觉, 一旦电流流经心脏, 还会威胁人的生命。其次, 电伤电流对人体造成的外部损伤, 也就是通常所说的外伤, 这种伤的最主要的表现是电弧烧伤, 或者是各种电线金属深入皮肤导致的伤害。由此可见, 触电对于人体的危害是非常大的, 我们要严格控制供电安全, 避免其对人身造成安全威胁。
1.1.2 电弧的产生与消弧原理。
一般情况下, 电弧的产生是由于开关接头的所带电荷形成的, 由于在切断电源的瞬间, 开关接口上的电荷并没有完全的消除, 所以, 也就会引起电弧。由此可见, 电弧的产生是同开关的质量, 也就是其消弧功能密切相关的, 这也是衡量一个开关的安全性的重要标志之一。一般来讲, 在电压一定的情况下, 开关自身都存在一个一定的极限分断电流, 一旦运行中的电流超过了这个数值, 就会对电气设备造成危害, 严重的甚至会产生电弧闪络引起的线路故障。所以, 现代供电系统的发展趋势是尽可能的缩小电气设备的体积、减轻其重量。
1.2 电缆主要的故障
电缆故障, 也是影响矿山供电系统正常运行的重要因素之一, 电缆运行异常会引起各种短路故障, 其中以闪络现象最为常见。闪络现象的产生是同其按照材质密切相关的, 据统计, 铠装电缆故障较多, 橡套电缆故障较少, 所以可以根据工程实际情况适当调整线路材料。
2 矿山供电电弧的发生
在供电系统的运行过程中, 开关的接口处一旦经过长时间的接触形成了电场, 再突然分开, 必然会引起强烈的反应, 通常情况下, 表现为原来的电压越高, 电场反应愈强。这种情况下, 新生的电子就会加速运动, 形成在碰撞游离, 产生电弧。
3 矿山供电安全隔离与消弧措施
3.1 防止人身触电的措施
3.1.1 防止人身触及或接近带电导体。
(1) 将电气设备的裸露导体安装在一定高度。裸露导体是最易引发触电事故的部位, 所以在矿山供电系统中, 如果必须要采用裸露导体, 就应该严格控制其高度, 避免在日常作业中碰触。我国有关安全文件也对该问题进行了论述, 其中《煤矿安全规程》就规定, 电机车架空线的悬挂高度, 自轨面算起不得小于下列规定:在行人的巷道内、车场内及人行道与运输巷道交叉的地方不小于2m;在不行人的巷道内不小于1.9m;在井底车场内。从井底到乘车场不小于2.2m;在地面或工业广场内, 不与其他道路交叉的地方。不小于2.2m。 (2) 对于一些高压设备, 如果必须采用裸露导体, 那么则应该采取相应的防护措施, 如利用围栏将其维护起来, 避免非工作人员的靠近, 同时, 应该加强对其的开关关了, 以保证在检修的过程中能够做到安全断电。 (3) 井下电气设备的带电部件和电缆接头全部封闭在外壳内部, 即制成封闭型, 并在操作手柄与盖子之间设有机械闭锁装置, 以保证不合上盖子便不能接通电源;合上电源后便不能打开盖子。
3.1.2 对手持式或人员经常接触的电气设备采用降低的工作电压。
照明、手持式电气设备的额定电压和电话、信号装置的额定供电电压都不应超过127V, 远距离控制的额定电压不应超过36V。
3.1.3 采取技术措施, 防止人员触电。
严禁井下配电变压器中性点直接接地;在中性点不接地的高、低压系统中, 设置漏电保护装置和保护接地装置。
3.1.4 人员管理是安全管理的另一个重要因素, 所以在矿山供电的
过程中, 应该加强对工作人员的安全教育, 提高其安全意识, 自觉的规范操作, 避免违规现象引发的各种安全事故。
3.2 杂散电流的防治
3.2.1 轨道采用焊接方式减小接缝电阻降低轨道接缝电阻, 使负载电流尽可能多地通过轨道。
3.2.2 缩短电机车与整流硐室的距离供电距离越长, 杂散电流越大。
缩短供电距离需要增设整流硐室, 整流硐室越多, 每个硐室供电的半径就会减小。
3.2.3 改变直流电压的极性改变电源极性, 可以解决金属管线的腐蚀问题。
改变电源极性后, 杂散电流的流入点在硐室附近是固定的, 而流出点是随着机车的移动变化的, 因此对管线的腐蚀作用就分散了。
3.2.4 提高交流电网的对地绝缘水平电网绝缘水平越高, 可以减小漏电电流或单相接地电流, 交流杂散电流也就越小。
3.2.5 采用在结构上三相对称的电缆的三根主芯线在结构上对称, 每相对地的分布电容就相同, 经电容流人大地的电流之和就为零。
3.2.6 采用屏蔽电缆供电采用屏蔽电缆供电, 可使三相对地的电流从屏蔽层流回到变电所, 而不通过地或其他金属管线。
交流杂散电流将会减小。
3.3 消弧的措施
采取消弧措施是避免电弧伤害的的一个有效的方法, 在具体的操作过程中, 应该从加速灭弧的角度入手, 下文中笔者将列举几种措施, 仅供参考。
3.3.1 利用特制的弹簧增大触头的分离速度, 迅速减小单位长度上的电弧电压降, 使触头间的电压不足以维持电弧的燃烧, 加速其熄灭。
3.3.2 用空气或其它气体吹弧。
有横吹、纵吹二种, 吹弧的结果, 冷却了电弧, 使弧柱与周围介质的温差大, 引起质点从温度高的地方向温度低的地方迁移;同时因为电弧内部和外部离子浓度不同, 也推动了离子向周围介质扩散;再一方面, 中性的气体分子被吹入弧隙内, 热运动加剧, 当其动能够大时, 中性分子的互相碰撞会分离成原子, 这样也吸收了大量热能, 冷却了电弧, 上述三个原因是吹弧使电弧熄灭的道理。再则, 由于横吹还有拉长电弧的作用, 对熄灭电弧更为有利, 如果利用高游高电位和高导热率的气体 (如氢、二氧化碳、水汽、闪氟化硫等) 吹弧, 效果会更好。
3.3.3 利用电动力使电弧移动, 或电磁横吹拉长电弧。
利用电弧受它本身各部分电流间的电动作用, 以及热气流上升的作用, 因而使电弧发生移动。
综上所述, 上文中笔者结合自己的工作经验, 对矿山供电的安全问题进行了分析, 并提出了几种消弧措施和建议, 希望能起到抛砖引玉的作用, 同广大业内同仁一同为我国矿山供电安全的发展和进步作出贡献。
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