井下电网（共8篇）
井下电网 篇1
0引言
什么是漏电故障呢?当中性点不接地系统中的一相、两相或三相对地总绝缘电阻下降到危险值以下时, 若发生一相接地故障, 漏电电流将很大, 会造成人身触电伤亡, 引爆瓦斯或煤尘, 引起火灾等重大事故。工作面漏电会引爆电雷管、造成人身伤亡事故。我们把这种事故称为漏电故障, 简称为漏电。
1我们首先来了解一下低压电网漏电会有什么样的危害
1.1漏电电流产生的电火花, 当其火花能量达到最小点燃能量0.25m J时, 如果漏电点的瓦斯浓度也在爆炸浓度范围内, 能引起瓦斯、煤尘爆炸。
1.2当人体触及一相漏电导体或漏电的外壳时, 流过人体的漏电电流大于极限安全电流30m A·s时, 可能造成人员伤亡。
1.3漏电电流如果超过50m A, 可能引爆电雷管, 造成人员伤亡。
1.4如果漏电故障不能及时发现和排除, 漏电故障长期存在, 可能扩大成相间短路, 造成更严重的危害。
2知道了低压电网漏电的危害, 就要预防, 怎样预防, 还要先了解一下通常造成低压电网漏电的原因
2.1电缆和电气设备由于长期过负荷运行, 使绝缘老化而造成漏电。
2.2运行中的电气设备受潮或进水, 造成对地绝缘电阻下降而漏电。
2.3电缆与设备连接时, 接头不牢, 运行或移动时接头松脱, 某相碰壳而造成漏电。
2.4电气设备内部随意增加电气元件, 使外壳与带电部分之间电气距离小于规定值, 造成某一相对外壳放电而发生接地漏电。
2.5橡套电缆受车辆或其它器械的挤压, 碰砸等, 造成相线和地线破皮或护套破坏, 芯线裸露而发生漏电。
2.6电缆受到机械损伤或过度弯曲而产生裂口或缝隙, 长期受潮或遭水淋使绝缘损坏而发生漏电。
2.7移动频繁的电气设备, 电缆反复弯曲使芯线部分折断, 刺破电缆绝缘与接地芯线接触而造成漏电。
2.8操作电气设备时, 产生弧光放电造成一相接地而漏电。
2.9电气设备内部遗留导电物体, 造成某一相碰壳而发生漏电。
2.10设备接线错误, 误将一相火线接地或接头毛刺太长而碰壳, 造成漏电。
2.11设备检修时, 因停、送电操作错误, 带电作业或工作不慎, 造成人身触及一相而漏电。
3如何才能有效预防漏电故障的发生?怎样才能有效避免漏电故障发生时可能造成的危害?
笔者认为, 要有效预防漏电故障的发生, 或有效避免漏电故障发生时可能造成的危害, 应做好如下几个方面的工作:
3.1工作面安装前, 要针对现场具体情况, 认真进行供电设计, 合理选择开关、电缆参数及型号;增减负荷时, 必须要到机电科电气管理组写《用电申请报告单》经专职人员或技术人员审批后, 严格按照审批要求选择开关及电缆。这样做可避免开关及电缆长期过负荷现象的发生, 开关与电缆的绝缘电阻才不会受到破坏, 从而在源头上防止了漏电故障的发生。
3.2工作面安装或增减负荷时, 要写停送电措施, 并经矿机电总工程师批准, 工作时要一人操作, 一人监护, 以防止工作过程中发生误操作行为, 工作结束送电前要进行详细检查, 以防止发生接错线或接线不合格或遗留工具等情况的发生。
3.3工作面安装或增减负荷时, 要严格按照质量标准化要求进行接线, 确保接线工艺、电气间隙、爬电距离符合质量标准化要求, 从而有效减少漏电等故障的发生。
3.4井下不再使用非真空电磁起动器, 按质量标准化要求使用真空电磁起动器, 以防止操作电气设备时, 因弧光放电而造成一相接地类型的漏电故障。
3.5电气设备及电缆在使用过程中, 一定要倍加爱惜, 不能出现挤压、碰撞、严重弯曲等野蛮作业行为的发生。设备使用是很重要的一环, 一定要教育职工树立爱惜设备的良好习惯。
3.6加强设备检修, 发现设备有发热或不正常温升情况时, 要及时打开设备进行检修, 如果接线柱有烧毁或损坏情况, 要立即更换处理, 如果接线松动, 要重新接线或紧固, 如果接线室内壁或缆线较脏, 一定要认真擦拭。定期对设备或电缆线接线线盒进行检修, 可有效预防漏电故障的发生。
3.7要有效预防漏电故障的发生, 坚持定期摇测设备及电缆的绝缘电阻是行之有效的办法。就象人做体验一样, 能够及早发现人体存在的问题, 从而达到防病的目的。定期摇测设备及电缆的绝缘电阻值, 发现绝缘电阻值较低时, 要及早采取措施, 有重点地进行检修, 即能有效预防漏电故障的发生。
3.8装设漏电保护装置, 当井下电网发生可能引起危险的漏电故障时, 能及时切除漏电线路或设备, 以防止事态的扩大。对于井下变压器中性点绝缘的供电系统, 目前常用的漏电保护原理有:附加直流电源检测、零序电流方向、旁路接地等。井下低压馈电线上, 必须装设检漏保护装置或有选择性漏电保护装置, 保证自动切断漏电的馈电线路。煤电钻必须使用设有检漏、漏电闭锁、短路、过负荷、断相等综合保护装置。
4漏电故障都有哪些类型, 如何查找?
漏电故障发生后, 漏电保护会动作并切断电源, 此时不能强行送电, 要查明原因, 积极处理, 故障处理后再送电, 严禁出现强行送电或甩保护送电现象。
漏电可分为集中性漏电和分散性漏电两种。
集中性漏电是指电网的某一处或某一点发生漏电, 而其它部分对地绝缘仍正常。分散性漏电是指某条线路的整体绝缘水平均降低到安全值以下。
4.1漏电的分类
4.1.1集中性漏电
(1) 长期的集中性漏电这种漏电, 可能是电网内的某台设备或电缆, 由于绝缘击穿或导体碰及外壳所造成。 (2) 间歇的集中性漏电这种漏电, 大部分发生在电网内某台设备 (主要是电动机) 或负荷端电缆, 由于绝缘击穿或导体碰及外壳, 在设备运转时产生漏电;还可能由于针状导体刺入负荷端电缆内产生漏电。 (3) 瞬间的集中性漏电这种漏电, 主要是由于工作人员或其它物体偶尔触及带电导体或电气设备和电缆的绝缘破裂部分, 使之与地相连;还可能操作电气设备时产生对地弧光放电所致。
4.1.2分散性漏电
(1) 某几条线路及设备的绝缘水平降低所致; (2) 整个电网的绝缘水平降低所致。
4.2漏电的查找方法
发生漏电故障后, 将各分路开关分别单独合闸, 如发生跳闸或闭锁, 为集中性漏电, 或不跳闸或不闭锁, 但各分路开关全部合上时则跳闸, 一般为分散性漏电。
4.2.1集中性漏电的查找方法
(1) 漏电跳闸后, 试合总馈电开关, 如能合上, 可能是瞬间的集中性漏电。 (2) 试合总馈电开关, 如不能合上, 再拉开全部分路开关, 试合总馈电开关, 如仍不能合上, 则漏电点在电源线上, 然后用摇表摇测, 确实在哪一根相线上。 (3) 拉开全部分路开关, 试合总馈电开关, 如能合上, 再将各分路开关分别逐个合闸, 如在合某一开关时跳闸, 则表示此分路有集中性漏电。
4.2.2分散性漏电的查找方法
若电网绝缘水平降低, 在尚未发生一相接地时, 继电器动作跳闸, 可以采取拉开全部分路开关, 再将各分路开关分别逐个合闸的办法, 并观察检漏继电器的欧姆表指数变化情况, 确定是哪一条线路的绝缘水平最低, 然后用摇表摇测。检查到某设备或电缆绝缘水平太低时, 则应处理或更换。
摘要：由于煤矿井下环境恶劣, 低压电网漏电故障比较多发, 本文介绍了井下低压电网漏电的危害, 结合自身实践经验, 对造成低压电网漏电的原因进行了详细分析, 提出了相应预防措施, 并针对漏电故障类型, 认真做好查找工作。
关键词：井下低压电网漏电危害,漏电原因,预防措施,故障类型,查找办法
井下电网 篇2
关键字：煤矿；供电系统；越级跳闸；原因；防治措施
1.煤矿井下高压电网越级跳闸的原因
1.1开关机构配置不当
随着对煤矿开采量和开采深度的不断增加，所需机电设备相应投入使用增多，用电负荷也逐渐加大，井下所选用的防爆开关也在不断的更换，但很难做到与地上供电所的电路十分匹配的[1]。但煤矿开采环境都位于在地下深处，环境比较潮湿很容易造成高压防爆机构卡容易卡涩、不灵活，增加开关的固有动作时间，当发生短路时，地面的高压开关动作快于井下高压防爆开关从而造成越级跳闸现象。
1.2电流保护电流动作值无法配合
井下馈线线路多数有两个及以上分段负荷，节点间线路较短，电流速度保护没有规定范围，从而使节点间在电流动作值上无法配合，造成节点间的电流速断保护误动作[2]。
1.3电流保护时间极差无法配合
煤矿企业为了及时准确的切除故障一般6KV电源愦出线电流速断保护的动作时限整定为0s动作时限，这样并下各级线路的速断保护只能整定为0s的动作时限。但传统的速断保护是按照上下级0.5s的级差阶梯配合的原则制定的[3]。假如速断保护采用通过动作时限上下级互相配合的形式，需要增强电缆通过故障电流的导电能力，与此同时对电缆的绝缘和防爆性能的要求也要提升，所以需要增加对设备的投入，整个系统的安全性也会相应的降低。，
1.4大型机电在井下的工作
由于每日的生产量的压力的加大，在井下作业的电动机过多，而许多电机功率大、启动电流大，位于供电线路的末端直接启动，在启动瞬间造成馈线末端电压下降过多，会出现末端断路器的操作回路工作电源电压低于正常工作值，断路器机械动作于跳闸并关闭[4]。多台机器且是大功率的机器同时启动，造成地面线路的负荷保护启动，经延时后动作于跳闸，扩大停电事故范围
1.5电流互感器的影响
电流互感器的保护级准确率较低，且每个互感器的磁化曲线也不尽相同，断路器在发生故障时往往采用的是电磁式保护，所以在保护的整定值与动作值上会有一定的误差。从而造成上下级操作不一的情况。
2.煤矿井下高压电网越级跳闸的预防及保护措施
2.1采用独立供电或者是双回路供电
采用独立双回路供电的方式，当其中一路出现故障的时候其他的电路可以帮助其继续供电，解决了现在的高压电网采用的多级短电缆构成的供电方式所带来的不足和安全隐患。要不断的优化供电组合而不是单一的供电方式是解决跳闸的有效途径。
2.2采用网络化技术实现煤矿井下高压网络保护闭锁
通过先进的网络科学技术，把电网的实时动态与网络连接，实现高压电网络保护上下级信息共享，实时监控电网运行和操作环境，通过开关智能控制器的综合判断，当出现问题时可实现高压电保护线路的闭锁。从根本上解决高压电网越级跳闸的问题。
2.3在保证选择性的前提下缩短保护之间的时间极差
科学设定过负荷保护之间的时间配合，保护动作的快速性，实现在上一级确定过负荷线的前提下，保证其一下各级线路过负荷保护实现时间极差配合。在动作时间上，每个开关的速度与时间极差100ms-300ms过电流的保护时间极差与下一级的保护线路极差100ms-200ms，最末级的延时为100ms200ms.可以通过这个方法有效的预防高压线路越级跳闸现象。
2.4改造高压保护器
对高压保护器的改造主要是对电流实现三段保护，且保护定值可以按照不同的情况下的计算值随意改变，时间精确到毫秒级，保证到有三个及三个以上的接口可实现区域选择性的连锁保护功能。
2.5智能化的微机保护装置
智能化的保护装置具有能在问题出现时经过计算和分析及时采取应对措施的优点，这样可以避免问题的扩大。煤矿井下供电负荷多为一级负荷，需要机电保护装置具有较高的灵敏性、选择性、可靠性和速动性，及时对问题作出反应，快速采取解决措施，且对系统中出故障的位置进行快速的定位和切除，最大程度的减少故障的范围。智能化的微机保护装置它不仅有短路、过负荷、接地这些常规的保护功能，还满足了矿井综合智能化管理的要求，可实现数据的远程监测与调控以及改变以往保护装置只能固定时限的弊端，更好的实现无级调整，使上下级保护可以更好的配合[4]。被广泛使用的ZBT-11型综合保护器可对井下防爆进行监控和保护，还能够协同监控站和调度站一起构成煤矿电网保护安全检测监控系统。它可以及时把井下的各种设备的参数、工作状况以及故障等所有相关的信息发送到地面上的电力调度中心。同时也可以接受地面调度站发送的遥控定制设定和信号归复等命令，实现地下与地上的信息交流。更加保障了施工的安全，可以最大程度的防治电网越级跳闸事故的发生。
3.结束语
虽然因为市场的需求煤矿的开发力度越来越大，也有很多省份把其当做支柱产业，但在煤矿开采中出现的一些安全事故更是不容忽视，这些血的教训告诉我们要重视煤矿开采中的安全防治措施。本篇仅从高压电网越级跳闸方面做了简短的分析，还有许多问题仍需要我们去发现并找出应对措施，这样才能保证煤矿工程良好的发展。
4.参考文献
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[3] 邢晓东. 煤矿井下电网开关越级跳闸的原因及对策[J]. 科技创新导报. 2011（18）
[4] 刘泽民. 煤矿井下低压漏电保护使用现状分析及发展方向[J]. 中国高新技术企业. 2008（18）
煤矿井下高压电网越级跳闸研究 篇3
随着矿井开采深度的不断延伸, 煤矿井下的供电系统也因此变得越来越复杂。在煤矿井下有多个变电所, 这些变电所的分布范围较广, 相隔的距离较远, 而且涉及的设备较多, 井下供电事故时常发生, 也多次发生开关越级跳闸现象, 并给井下造成大面积停电事故。由于井下电网缺乏监测监控系统, 不能及时处理发生的事故, 因对事故的发生地点和发生原因不能清楚的了解而造成发生二次事故, 并且需要恢复供电系统的时间较长, 严重的影响煤矿井下的安全生产。越级跳闸的主要原因有以下几个方面:
(1) 由于煤矿井下的保护器基本上都是半模拟半数字保护的方式, 容易出现定值漂移现象, 这样就容易造成保护的误动作和拒动, 同时再加上保护器的精度相对较差, 定值不能实现连续调整, 只能按照倍率来调整, 这样就很难实现上下级变电所的保护配合, 导致越级跳闸。
(2) 保护没有解决低电压问题, 由于电网系统的电压波动而造成大面积停电。
(3) 保护配备不具有选择性漏电保护、故障录波、PT断线等保护功能。
目前由于煤矿井下所用高压开关来自多个不同的厂家, 单独依靠整定电流的大小和延时很难实现系统在发生短路、过载等事故时不发生越级跳闸现象, 而防越级跳闸系统能够很好地解决这一问题, 这样就能较好的提高煤矿井下供电系统的可靠性和安全性, 对煤矿的安全生产来说具有重大的现实意义。
2 越级跳闸原因分析
2.1 短路越级跳闸
目前井下使用的高压真空配电装置与地面变电所的开关柜没有合理配套, 特别是保护动作时间上全部小于0.1s的要求, 在这样的时间范围内实现时间上的配合无论是理论上还是现有设备的加工水平上都是很难实现的。因煤矿的高压线路相对较短, 电缆的容量较大, 这样在线路末端短路与出口短路产生的短路电流几乎等值, 这样仅靠电流定值配合保护就无法保证保护的选择性, 就无法避免发生短路越级跳闸。
2.2 漏电越级跳闸
目前煤矿井下高压供电系统一般使用功率方向型的漏电检测方法, 功率方向型漏电保护是利用电网对地的分布有电容, 接地线路的零序电流由线路流向母线, 零序电流相位滞后零序电压, 而非接地线路的零序电流则由母线流向线路, 零序电流相位超前零序电压的原理, 通过检测比较零序电压、零序电流的大小和判断零序方向来判断漏电线路。由于煤矿井下, 机械化程度的不断提高, 井下高压供电系统越来越复杂, 电网对地分布电容越来越大, 一旦发生单相接地故障, 接地电流较大, 难息弧, 对电缆的破坏大, 还极容易引起电网谐振。所以一般采用主变中心点接消弧线圈进行补偿的方式, 若系统采用完全补偿的方式, 则系统的故障线路和非故障线路的零序电流本身的对地电容电流, 电容电流的方向均为母线指向线路, 因此无法利用稳态电流的大小和方向来判断故障。所以开关上原有漏电检测方式, 就不适合中性点经消弧线圈接地的供电系统, 而产生开关漏电越级和误动作。
3 防越级跳闸
3.1 供电短路防越级跳闸原理
高爆保护器配有专门的防止短路引起越级跳闸设计和电路。保护器速断功能不设置延时, 通过下级开关保护短路监测闭锁信号对上级开关保护速断功能闭锁和上级开关保护对下级开关保护速断后备保护的配合来保证保护的选择性, 这样既彻底避免发生短路越级跳闸, 又能使各级开关下直接连接线路短路时可以速断跳闸, 不因速断保护延时使跳闸速度变慢, 而且上级开关保护作为下级开关的后备保护, 即使下级开关拒动也不会失去速断保护。保护装置收到下级开关的闭锁控制信号时, 上报“下级闭锁”, 同时闭锁本级开关保护器的速断功能, 以防止越级跳闸, 造成大面积停电事故;同时启动下级保护速断后备功能, 当闭锁控制信号消失后, 保护装置将上报“下级闭锁返回”, 同时开放本级开关保护器的速断保护功能, 撤销下级保护速断后备功能。
3.2 选用智能化的微机保护装置
在当前, 我国煤矿井下主要的供电符合手段是极负荷, 这不仅对继电保护的选择性提出更高的要求, 对继电保护的可靠性的要求也挺高, 同时还需要感应事故发生的灵敏性和事故处理的及时性。如果煤矿井下供电系统不能正常运转, 继电保护必须及时对故障点进行处理, 并且将它与其他的正常运行的网络隔开。在现阶段, 可以根据煤矿井下电网中性点不接地的供电系统创造发明新型的ZBT-11型综合保护器, 这种综合保护器不仅可以对煤矿井下高压防爆开关进行及时有效的监控, 还可以将调度站以及检测站进行有效连接, 最终形成煤矿电网安全检测控制系统。在煤矿井下生产过程中, ZBT-11型综合保护器能够将生产中所使用的各种需求指标输送到数据接受中心。此外, 检测站在接收到数据中心发出的各种指令后, 采取对应措施最终实现远程控制与保护。这种优质的微机装置保护, 可以有效防止煤矿井下高压电网越级跳闸事故的发生。
3.3 开关闭锁构造防越级跳闸
各变电所进出线开关及同一母线的开关保护之间均设置通信通道, 通过保护装置间的智能通信, 检测故障区域, 传递故障信息, 实现上、下级保护的配合。其优点为能保护定值不需要上、下级保护定值的严格配合;能解决接地保护纵向选择性。缺点是开关拒动时仍有时限;无法实现母线短路的速断保护, 需要靠后备保护动作, 存在一定的危险性;所有的开关均需要构造专用通信通道 (光纤、电缆) 。
4 结论
通过煤矿的实际操作显示, 新型的BGP系列的高压防爆开关, 不仅能有效地降低越级跳闸事故发生的概率, 而且还能减少了井下职工工作场所的安全隐患, 提高整个矿井井下的生产效率, 为煤矿的可持续协调发展提供了技术支持。
参考文献
[1]孙一民, 等.分阶段实现数字化变电站系统的工程方案[J].电力系统自动化, 2007 (5) .
[2]徐光福, 等.多采样率信号处理在数字化变电站差动保护中的应用[J].电力系统自动化, 2007 (21) .
[3]吴君, 等.井下高压电网选择性连锁自适应过流保护系统研究[J].工矿自动化, 2006 (1) .
煤矿井下电网监控系统研究 篇4
煤矿安全是国家安全生产工作中的重中之重。国内许多矿井的电网监控系统的数据传输多是用各自的通讯电缆传输到地面, 造成矿井大量重复布线、资源浪费、安装维护工作复杂[1]。且由于采用传统的窄带主从式通讯, 随着其装备数量的增加, 技术瓶颈日益突出。本文基于局域网和现场总线智能通讯技术, 采用嵌入式软件、分布式实时数据库和工控组态软件技术, 对煤矿井下、井上及高低压电网进行实时电力数据采集、数据记录、故障诊断、故障记录、自动化控制、电量管理的大型网络监控管理系统, 实现对变电所遥测、遥信、遥控、遥视。在煤矿安装应用井下电网监控系统可以保证井下电网的安全可靠运行, 有效减小事故范围, 提高劳动生产率, 并可实现供电的“移峰填谷”, 具有重要的经济价值和社会意义。
1 电网监控系统的组成
系统基于工业以太网理念构建, 由井下局域网和地面监控中心组成一个数据高速传输的大型监控网络, 保证了监测监控的实时性和可靠性[2]。监控系统原理图如图1所示。
井下局域网 (主干通讯网络) 主要由数据监测采集装置 (综合保护器) 、井下通讯设备 (带以太网接口的井下CAN-LAN分站) 等组成。数据监测采集装置 (综合保护器) 安装于井下高低压开关内, 负责对井下高低压电网进行实时数据采集;井下通讯设备 (带以太网接口的井下CAN-LAN分站) 安装于井下变电所内 (原则上每个变电所安装一个分站) , 负责数据的缓存、传输及协议的转换等;分别作为网络的终端节点和主干节点。数据监测采集装置 (综合保护器) 与分站之间采用CAN-BUS现场总线通讯方式, 分站与分站之间采用光缆连接, 整体构成一个高速的井下局域网 (CAN-LAN以太环网) 。
系统由置于井下开关内的智能综合保护装置对电网进行实时数据采集, 如电压、电流、零序电压、零序电流、分/合状态、视在功率、监视电阻、合闸次数、工作时间、累计电量等;同时对采集的实时数据进行分析、计算和处理, 对该线路进行各种保护的实时监测和判断, 执行保护动作并输出保护信号, 如过压、欠压、短路、过载、漏电、漏电闭锁、绝缘监视和风电闭锁等;通过CAN-BUS现场总线 (或RS-485总线) 传输到各变电所井下分站 (带路由功能、采用嵌入式操作系统、采用4路并行巡检方法, 实现实时性) , 分站对数据进行缓存及协议转换, 再通过带光纤接口的井上交换机实时向到地面中心站传输, 同时智能综合保护装置能迅速接收地面中心站发出的各种指令, 如远程参数整定、遥控分闸等, 确认后即时执行, 记录操作时间并即时把信息返回地面中心站。
井下数据通过交换机传到地面中心站后, 两台工控机对数据进行采集 (双机热备) , 整合压缩后储存到两台数据库服务器 (双机热备) , 两台服务器建立磁盘阵列, 保证极大的数据存储容量;设置一台PC机负责井下变电所运行情况的实时显示。同时设置一台Web服务器负责数据发布, 采用B/S计算模式, 提高了数据安全性, 避免网络阻塞及减少并发访问时的等待时间。
地面中心站的模拟屏则实时模拟、显示井下电网的运行状态, 通过监控软件对接收的数据进行处理并自动记录, 生成各种运行曲线和图表, 方便调度员及时查看和打印;当井下出现故障时, 自动发出事故和越限报警, 并记录事故发生的地点、时间、设备名称、事故类别及当时的运行参数, 使值班人员能及时、准确的作出相应处理措施。
2 监控系统硬件设计
2.1 监控计算机设备
计算机作为系统的主控设备监视、控制井下所有设备的工作状态, 并作为系统的显示和输出终端, 正常情况下显示被监测井下供电电网图、采区变电所各支路高压真空配电装置输出回路的供电状况、各种故障状态的颜色变化和声光报警, 并有故障名称、时间、区间等关系数据库, 还有可打印的有关整个变电所和各支路用电状况及故障情况日、月、年报表。可随时设置各种监测参数的有效整定值。还留有网络接口, 根据将来需要, 并入矿内局域网。各终端计算机皆可即时查询、分析当前电网的运行状况。
2.2 CAN通信接口
CAN总线分为数据链路层 (包括逻辑链路控制子层LLC和媒体访问控制子层MAC) 和物理层, LLC子层的主要功能是为数据传送和远程数据请求提供服务, 确认由LLC子层接收的报文实际已被接收, 并为恢复管理和通知超载提供信息。在处理定义目标时, 存在许多灵活性。MAC子层的功能主要是传送规则, 意即控制帧结构、执行仲裁、错误检测、出错标定和故障界定。MAC子层要确定为开始一次新的发送总线是否开放或者是否马上开始接收。位定时特性也是MAC子层的一部分。MAC子层不存在修改的灵活性。物理层的功能是有关全部电气特性不同的节点间的实际传送, 在选择物理层时存在很大的灵活性。MAC子层是CAN协议的核心, 它描述由LLC子层接收到的报文和对LLC子层发送的认可报文。MAC子层可响应报文帧、仲裁、应答、错误检测和标定。
2.3 井下通信分站
井下通信分站, 在煤矿井下含有爆炸性气体的环境中对监测系统采集的数据传输到地面主站, 也可将主站的命令发送给井下的监测节点。
井下CAN-LAN分站负责CAN-BUS现场控制总线和井下局域网之间的数据转换。它在数据传输时能智能化地寻找发送和接收地址, 选择路径[3]。它带有CAN总线接口和RS-485总线接口, 可以完成井下网络间、各种现场总线间、现场总线与监控网络间的互联。井下CAN-LAN分站内有一个处理器和四个100M交换机。分站在完成格式转换过程中, 并不改变所收到的LLC帧的内容和格式, 所改变的只是MAC帧的格式;分站有足够的存储空间, 以适应通信量的峰值变化;分站智能化地完成寻址和选择路由的操作。它带有多个局域网网络接口, 其中包括CAN总线接口和RS-485总线接口, 可以完成局域网的互联, 也可以完成CAN总线或RS-485总线间的互联以及不同总线与局域网的互联。它可以同时连接1到4组CAN总线, 每条总线又可挂接110个节点, 大大减少了井下监控网络对通讯中继的需求, 降低了成本。
2.4 高低压开关智能综合保护器
利用单片机技术控制A/D转换器, 采集当前电网参数进行比较、处理、显示, 实现跳闸保护功能, 同时, 把相关模拟量和开关量传输给分站处理, 作为监控网络系统的共享资源使用。智能高低压综合保护装置采用模块化结构, 优化的软硬件抗干扰处理。保护器具有故障追忆功能, 可记忆前1000次以上发生的跳闸故障, 并包含相应动作资料。同时实时地在液晶屏上显示出系统状态参数, 如三相电流及电压值等;在出现故障时能根据故障性质决定脱扣跳闸的时间, 显示并记忆故障相关参数, 以便用户查询。通过对保护器按键的简单操作可随时对保护器的动作参数进行整定。当保护器装入隔爆型馈电开关本体后, 除可以通过窗口观察到显示屏上的各种信息外, 通过CAN通讯接口也可在不打开开关外壳的情况下, 通过地面监控中心主控计算机实现对保护器的各种保护功能的整定及试验, 实现保护器的智能化。
3. 监控系统软件设计
3.1 数据采集与监控系统软件
井下智能采集器与监控主机 (SCADA, Supervisory Control And Data Acquisition系统, 即数据采集与监视控制系统) 的通信采用一主多从、循环查询的方式, 即只能由SCADA监控软件对召唤智能采集器单元的数据 (按照一定的周期T) , 根据智能采集器的地址依次发出各种命令要求 (即下行命令) , 智能采集器单元在接到命令后按照要求进行各项操作或上传数据, 在没有接收到下行命令, 智能采集器单元不主动上发数据 (即上行数据) 。
智能采集器的通信应用单片机的多机通信技术, 因此下行命令 (由SCADA监控软件发送) 的第一个字节 (实际是智能采集器单元的地址) 采用8个数据位凑奇的方式 (即下行命令的8个数据位中只有低7位是有效数据位, 最高一位是凑奇效验位) , 后续字节采用8个数据位凑偶的通信方式 (即下行命令的8个数据位中只有低7位是有效数据位, 最高一位是凑偶位) 。
3.2 系统软件的功能模块设计
根据系统的开发原则和需求分析, 在系统的设计阶段, 运用结构化设计方法的基本思想, 自顶向下将系统分解成若干具有层次式的模块, 实行模块化设计, 为使系统有合理的结构和较好的可维护性, 模块结构设计应遵循尽量使模块大小适当、基本独立、功能明确, 模块结构设计是监控系统总体设计的重要内容。此电网监控软件系统有以下几个功能模块:数据通讯模块、数据采集及处理模块、报表查询打印模块、报警模块、遥控模块、用户分级管理模块、系统帮助模块、系统退出模块。其中报表查询打印模块、用户分级管理模块又各自包含几大模块。本系统模块的划分遵循软件工程的结构化设计方法, 每个模块的设计严格按功能层次构成, 使其既反映了数据和过程的抽象, 又保证了信息隐藏, 实现了模块的独立性。
3.3 嵌入式系统软件开发
将智能高低压综合保护装置内的嵌入式监控系统软件固化于智能高低压综合保护装置的存储器内, 控制装置内的电力检测部件对井下高低压开关的各种电气参数和数据进行采集, 对采集的数据进行计算、处理、判断后, 它又可控制装置内的综合保护部件对线路进行短路、过载、漏电、绝缘监视、过压、欠压等保护。同时软件可以根据需要有选择性的通过装置的CAN-BUS或RS-485两种远程通讯接口, 向网络通讯中继传输各相电流、电压、功率等电量参数以及保护动作状态, 并接受地面主机的保护整定以及分闸指令。
井下CAN-LAN分站内的嵌入式通讯控制系统软件负责控制井下CAN-LAN分站的通讯数据转换、网络连接、设备开停控制、数据存储控制等。当网桥接收到采集装置上传的数据后, 系统软件自动对数据进行数据格式转换, 并划分足够的存储空间, 以适应通信量的峰值变化。数据转换后, 系统软件控制网桥采用分布式计算技术自动寻找数据要发送的地方, 判断传输路径, 并可根据用户需要有选择性的利用CAN-BUS接口或RS-485接口发送数据[4]。当监控网络中的某个监测监控装置发生严重故障时, 系统软件自动对监控网络进行扫描, 中断与该监测监控装置的通讯, 并把它从网络中删除, 防止造成整个监控网络的瘫痪。
4. 结束语
通过对煤矿井下变电站实时监控系统的硬件设计、软件设计、通信网络结构设计和实时监控的实现进行了深入的研究, 可迅速而准确地获得各变电所运行的实时信息, 完整地掌握变电所的实时运行状态, 及时发现电力设备运行中的故障, 并作出相应的决策和处理。提高了煤矿机电管理水平, 确保煤矿井下可靠指挥、安全及高效生产。
参考文献
[1]中华人民共和国国家安全生产监督管理总局.煤矿安全生产“十一五”规划, 2007.2
[2]邓先明, 杨宇, 方荣惠.基于现场总线的煤矿供电自动化系统.电力自动化设备, 2007
[3]徐鸿磊, 徐钊, 李传发等.基于P87C591的多路CAN通信接口设计.煤矿机械, 2007, 28 (10) :15-17
煤矿井下电网行波故障测距 篇5
煤矿井下电网的准确故障测距是保证电网安全、稳定运行的重要措施之一, 如果能及时发现故障电缆的薄弱环节, 使故障及时得到修复, 就可以从技术上保证井下电网的安全运行, 这对于煤矿经济运行和矿山安全具有重要的意义[1]。
煤矿井下电网一般采用中性点不接地方式, 发生单相接地故障时电流较小, 故障点查找定位极为困难[2]。为避免电网长时间运行导致多相短路, 必须尽快找到故障点。但由于煤矿井下的特殊条件, 针对矿井配电网特点的行波故障测距研究并没有得到足够的重视。
行波测距法[3,4]原理比较简单, 它包括单端和双端2种方法。单端法[5,6]测距利用反射波和入射波之间的时间间隔计算故障距离, 由于单端法测距原理存在缺陷, 在很多线路结构和故障情况下, 无法进行单端测距;双端法[7]测距利用初始行波分别到达两端母线的时差计算故障距离, 可靠性较高。但是由于需要GPS通信来保持两端母线时钟同步, 矿井的特殊条件限制了双端法的应用。无论采用单端法还是双端法测距, 都需要精确计算波速[8], 由于线路的复杂性, 使得精确的波速计算很不现实。为了更进一步提高现有单端法的测距精度, 本文在深入分析小波奇异性检测工具的基础上, 尝试在煤矿井下采用暂态电流行波来实现不受波速影响的精确测距算法。
1 小波变换与奇异性检测
1.1 小波变换
小波分析是信号处理的有力工具, 它能对高频、低频信号采取不同的尺度进行分析, 克服了传统的Fourier分析的不足。因此, 可利用小波变换分析信号奇异点的位置和大小[9,10]。
当井下电力电缆发生故障时, 暂态电流行波将向母线传播, 当暂态电流行波到达母线检测点时将发生突变, 突变信号点必然是奇异性的。对于任意函数或信号f (x) ∈L2 (R) , 其小波变换定义为
式中:Wf (a, b) 称为小波分析系数。
由式 (1) 可知, 小波变换是将信号分解为小波的组合, 通过选择合适的小波函数, 就可观察到信号的局部特性, 实现对信号的深层次处理功能。在参考文献[9]中介绍的Daubechies小波不仅是连续的、正交的, 而且是紧支集的, 这在信号的实时处理中非常重要。本文采用Daubechies小波系列的db5小波对故障信号进行小波变换。
1.2 奇异性指数
奇异性是信号的重要特征, 为了精确表示信号的奇异性, 一般采用李普西兹 (Lipschitz) 指数来描述。定义一个函数或信号f (x) 在某个局部点x0处是一致Lipschitz α, 当且仅当存在一个常数K, 使得在x0的某一邻域内的任意一点x均有:
如果式 (2) 对所有的x∈ (a, b) 均成立, 则称f (x) 在区间 (a, b) 上是一致Lipschitz α。显然α=1 时, 函数 (信号) f (x) 在x0处是连续可导的;α=0时, 函数 (信号) f (x) 在x0处是间断的;α越小, f (x) 在x0处的奇异性程度越高;α越大, f (x) 在x0处越光滑[11]。
1.3 小波变换模极大值与信号突变点的关系
如果f (x) 在 (a+ε, b-ε) 对所有的一致Lipschitz α的充要条件是存在常数A和x∈ (a+ε, b-ε) , 对∀s>0, 有:
式中:Wsf (x) 为f (x) 在尺度s上的小波变换;x0为小波变换模极大值点, 小波变换模极大值对应于信号在时域的最大变化率, 也就是突变点。
理论上尺度s越小, 信号突变点的位置就越精确。这决定了小波变换模极大值可以很好地用于突变点的检测[11]。
2 相模变换
在三相输电线路中, 行波是相互耦合的, 需要对行波分量进行相模变换, 将三相不独立的相分量行波转换为相互独立的模分量行波, 然后再利用独立的模分量行波实现行波测距。凯伦鲍尔变换[12]去耦公式为
式中:iα、iβ、i0为分解后电流行波的α、β、0模分量, α、β模分量相等, 为线模分量, 0为零模分量;ia、ib、ic为输电线路的三相电流行波分量。
展开式 (4) 可得:
将a、b、c三相的相量转换为α、β、0模量后, 能够很好地适用于三相线路的暂态计算。理论分析和现场试验证明, 线模分量波速稳定、衰减小, 适合于暂态分析, 因而在进行分析之前首先将暂态信号进行凯伦贝尔变换, 分解为线模和零模分量, 并取线模分量作为输入数据, 再进行分析。
3 行波测距算法
3.1 单端行波测距算法
单端行波法根据故障点产生的行波到达母线后反射到故障点, 再由故障点反射到达母线的时间差方法实现测距功能。测距公式为
式中:d为故障距离;v为线模行波传播速度;t1、t2分别为故障初始行波到达母线测量点及其从故障点反射回测量点的时间。
如果对端母线反射波先于故障点反射波到达测距安装处, 则测距公式为
式中:l为线路全长;t3为对端母线反射回测量点的时间。
从上述分析可看出, 该方法需要精确确定行波速度的大小。
3.2 不受波速影响的单端行波测距算法
在行波故障测距中, 行波波速的确定一直是个难点, 基于行波波速的实时计算测距算法虽然提高了测距的精度, 但是井下恶劣的环境还是会对行波的传播速度有很大影响, 从而影响测距精度。
目前单端测距算法都是利用故障初始波头和来自故障点的二次反射波的时差来测距, 实际上, 来自对端母线的反射波也含有故障距离信息。通过检测来自故障点的二次反射波和来自对端母线的反射波, 就可以提高测距的可靠性和精确度。经分析可知利用故障点二次反射波、对端母线反射波、初始行波之间的测距关系, 可以得到不受波速影响的单端行波测距算法。
设故障点距测距安装处的距离为d, 由于井下电缆很短, 认为故障开始很短的一段时间内行波以固定波速传播。设故障发生的绝对时刻为t0, 故障初始行波到达保护安装处的时刻为t1, 故障点二次反射行波到达保护安装处的时刻为t2, 对端母线反射行波到达保护安装处的时刻为t3, 联立方程得:
其中, t1、t2、t3可通过检测装置经小波变换方法确定, 线路长度l也是已知量, 解方程可得:
上述计算中是假定故障点反射波先于对端母线反射波到达。如果对端母线反射波先于故障点反射波到达测量母线, 则测距公式变为
该测距算法完全消除了波速的影响, 实现了完全不受波速影响的行波故障测距功能, 其测距精度在理论上而言要比现有单端行波测距算法高。但使用该算法必须有效地识别第二个行波是来自于故障点还是来自于对端母线, 为了有效地识别第二个行波, 可以利用小波变换模极大值的极性进行判断[13]。
4 EMTP仿真
为了验证本文提出的方法的可靠性, 以6 kV井下电缆单相接地故障为例, 笔者采用EMTP对其进行仿真。6 kV井下电缆单相接地故障仿真模型如图1所示, 线路长度采用分布参数模型, 其中正序电阻R1=0.024 Ω/km、正序电感L1=0.36 mH/km、正序电容C1=0.029 38 μF/km, 零序电阻R0=0.745 Ω/km、零序电感L0=0.84 mH/km、零序电容C0=0.005 2 μF/km, 在线路上设置距N点250 m处发生单相接地短路。
测距装置在母线N处上采集电流波形, 假设采样频率为108 Hz, 采样时间为10 μs, 当故障点过渡电阻为10 Ω时, 得到的a、b、c三相电流波形如图2所示, 线模电流行波波形如图3所示, 线模电流行波模极大值波形如图4所示。
从图2、图3、图4可看出, 当线路发生故障时, 不管故障相还是非故障相都会出现暂态故障行波, 行波奇异点和小波变换模极大值的时刻相同。行波奇异点变化越激烈, 对应的小波变换模极大值越大。
从图4可看出, 故障点初始线模行波波头到达测距安装处的时间为174点, 故障点二次反射波线模行波波头到达测距安装处的时间为300点, 对端母线反射波到达测距安装处的时间为646点, 代入式 (9) 得到故障点距N的距离为
采用参考文献[12]给出的线模波速计算公式为
代入式 (6) 得到的距离为
可以明显看出不受波速影响的单端行波测距算法误差小。同理可求出当发生a相接地短路时在其它不同故障点的距离, 仿真结果如表1所示。
表1中, 算法1为不受波速影响的单端行波测距算法, 算法2为单端行波测距算法。
5 结语
本文提出的基于小波变换、利用故障点二次反射波、对端母线反射波、初始行波之间关系的单端行波测距法, 可有效地识别出故障初始行波、故障点反射行波和故障点透射行波到达测量端的时间, 从而确定出单相接地故障点的位置。EMTP仿真结果表明, 本文提出的方法不但消除了波速不确定性对行波测距的影响, 而且切实可行、定位精度较高。
井下电网 篇6
1 短路产生原因与类型
电力设备发生短路情况的原因比较复杂, 首先, 电流以及电路自身的诱发因素。部分输电或者供电的设备出现了绝缘电线损坏、老化的问题, 造成电线外漏、相接;电流经过电压时, 输电或者供电设备出现了绝缘部分被击穿现象。其次, 操作人员操作不当诱发因素。操作人员在使用电力设备时, 使设备在带有电力负荷的情况下进行隔离开关的动作;在使用电力设备时, 合断电路过程未注意地线的拆除;未注意保护电力设备, 使电力设备在长期的超负荷运行下, 绝缘处老化或者被损坏。最后, 其他外部诱发因素。井下巷道比较窄, 压力比较大, 形成了巷道底鼓, 在井下压力下, 对电力设备的电缆进行拉伸, 容易使电线出现外力压断的情况, 造成短路。短路故障的常见类型有:单相短路、单相接地短路、两相短路、两相接地短路, 三相短路等。
2 短路的危害及预防
电力系统在发生短路故障的情况下, 将产生比较大的短路电流, 同时产生大量的电流热效应, 使得电力设备以及绝缘部分因为大量的电流热效应出现损坏, 对设备的正常生产产生影响, 甚至会使电力设备烧毁。巨大的短路电流通过电气设备时会产生很大的电动力, 可能造成电气设备产生机械变形, 严重的还会扭曲或损坏。同时电磁效应还会使短路电流产生交变磁场, 对线路周围的通讯信号造成干扰。产生短路电流后, 线路电缆上电压降会增大, 使用户的电压降低, 影响用户的正常使用。
由此可见, 短路故障带来的后果非常严重, 但通过短路原因的分析, 短路故障还是可以预防和避免的。主要办法是严格按照电气设备的操作规程进行规范操作, 加强电缆线路的检查和测试, 通过合理的设计及可靠的施工质量, 就可以极大的降低事故发生概率。
3 短路保护整定计算
3.1 短路保护整定计算目的
通过合理的计算和整定, 可以保证供电系统的稳定性, 使系统能够准确迅速的判断故障, 减少短路带来的危害, 避免设备损坏和人身伤害。
1) 电气设备的效验。使用电气设备前, 先要对其热稳定性和动稳定性进行效验, 计算该设备需要承受的最大短路电流和热效应、电动力效应, 确保设备能够承受短路冲击。2) 继电保护装置的整定。必须对通电系统末端两相最小短路电流进行计算, 确保灵敏度满足要求, 既能保证设备正常启动, 还能准确的判断短路故障。具体整定原则为大于最大设备的启动电流加上线路中其他设备正常工作时电流之和。3) 限流装置的选择。短路电流越大, 对设备的选择要求越高, 成本也会增加, 因此可以在供电线路中串接限流装置来降低短路电流, 限流装置的大小, 要由系统短路最大短路电流来确定。4) 选择供电系统的运行方式和接线方式。实际使用中, 不同的接线和运行方式, 故障时产生的短路电流的大小也不同。在判断接线及运行方式是否合理时, 必须计算出在某种接线和运行方式下的短路电流才能确定。
3.2 短路电流的计算
井下低压电网两相短路电流可根据公式进行计算:
Xx———根据三相短路容量计算的系统电抗值, Ω
R1、X1———高压电缆的电阻、电抗值, Ω
Kb———矿用变压器的变比
Rb、Xb———矿用变压器的电阻、电抗值, Ω
R2、X2———低压电缆的电阻、电抗值, Ω (低压电缆截面不同时, 要分别对应各种截面电缆的电阻、电抗值和长度, 相加后带入公式)
Ue———变压器二次侧的额定电压, V
利用公式 (1) 计算两相短路电流时, 不考虑电流周期分量的衰减, 短路回路的接触电阻和电弧电阻也忽略不计。
4 短路保护装置的应用
4.1 对短路保护装置的要求
1) 动作的迅速性。短路故障发生后, 必须迅速将故障线路断电, 减少影响范围, 避免事故扩大, 因此短路保护的设定都是瞬动的, 没有延时。
2) 动作的选择性。通常一个供电系统中同时存在多条供电线路, 处理短路故障时, 应能够准确判断哪一支路发生故障, 准确的选择并只切断该支路电源, 保证其他设备正常用电, 不受影响, 减少停电范围, 避免影响扩大。
3) 动作的灵敏度。短路电流产生后, 保护器检测到故障电流超过设定值后, 是否能够迅速判断故障类型, 做出分断指示, 机构迅速动作。要依靠合理的计算, 确定整定值的保护范围, 满足1.5倍的系数要求, 才可以保证保护装置灵敏、可靠的进行分断。
4) 动作的可靠性。可靠性是指发生短路时保护装置一定能动作, 迅速切断故障电网, 可靠的动作。
4.2 晓明矿的使用情况
目前, 晓明矿井下主要使用的馈电开关有KBZ16-200, KBZ16-400两种, 为智能保护开关, 保护系统采用16位单片机为核心, 辅以工业级外围芯片, 精密小型互感器, 小型专用继电器, 以及科学的算法, 保护可靠灵敏, 测量精度高。并且配备抗干扰设备, 确保A/D转换的精度。投入新型智能馈电以来, 供电线路一旦发生故障即能迅速准确的切断故障电网。
同时, 晓明矿还制定了相应的管理办法, 所有供电系统中都要求计算变压器到供电线路末端的两相最小短路电流, 通过和设备最大启动电流的比较, 确定适当的短路整定倍数, 并将计算结果标在供电系统图中, 便于检查和管理。对于复杂供电环境中, 多种截面电缆混合使用的, 分别对干线电缆、支线电缆的各项参数进行计算, 确保数据准确, 保护灵敏。还要求定期对电线路进行绝缘测试, 每天对供电线路进行检查。严格的管理再加上先进的设备, 使我矿井下供电的安全性得到了提高, 确保了供电的可靠性。
摘要：在矿井低压供电系统中, 短路故障是最严重的故障之一, 很可能造成绝缘损坏或设备烧毁。本文对短路故障发生的原因及短路保护的应用进行了分析, 并结合矿井的实际情况对新型短路保护系统做了简单介绍。
关键词：低压电网,短路故障,井下生产
参考文献
[1]李树伟.矿山供电.徐州:中国矿业大学出版社, 2006
[2]李景恩.变配电设备.北京:煤炭工业出版社, 2005.
[3]尚文忠.煤矿供电.北京:中国劳动社会保障出版社, 2008.
井下电网 篇7
关键词：矿井,低压电网,漏电闭锁,短路闭锁,断相闭锁
0 引言
近年来, 煤矿井下接连不断地发生火灾和瓦斯爆炸等重大恶性事故, 严重影响了井下的安全生产和人身安全, 给企业带来了巨大的经济损失。事故调查的结果证明这些重大恶性事故大多是由于井下低压电网出现电气事故时产生的电火花或电弧引起的。实际上, 归根结底是因为井下低压电网不防爆, 尤其是分布广泛的低压供配电线路 (电缆线路) 不防爆而引起的。
众所周知, 目前井下低压电网的供配电设备均是防爆型的, 这对井下低压电网的防爆起着重要的作用。但是, 井下低压电网的供配电线路 (电缆线路) 并不防爆, 因此, 整个井下低压电网实际上是不防爆的。一旦井下低压电网因发生电气事故而产生电弧或电火花时, 将会引起井下发生电火灾和瓦斯爆炸等重大恶性事故。为了杜绝煤矿井下重大恶性事故的发生, 在没有解决井下低压电网的防爆问题之前, 减少电弧或电火花发生的机率是非常重要的。
对已送电的电网, 因发生各种电气事故而出现的电弧或电火花是不可避免的。然而, 对送电前的电网, 若发生了漏电、短路和断相等各种电气故障, 则可通过故障闭锁使其不能送电, 方可避免故障点出现外露电弧或电火花, 这对预防井下发生火灾和瓦斯煤尘爆炸等重大恶性事故具有重要意义。因此, 为了减少电弧或电火花发生的机率, 在井下低压电网装设故障闭锁非常必要。
1 故障闭锁的作用
矿用防爆型磁力启动器的故障闭锁分漏电闭锁、短路闭锁和断相闭锁, 其作用各不相同。
漏电闭锁是指预测送电前的低压电网的相对地绝缘水平。当发生漏电现象时, 将馈电开关和磁力启动器闭锁住, 使馈电开关和磁力启动器不能合闸送电, 避免给漏电点送电而出现漏电故障和漏电火花, 从而预防由漏电火花外露引起的瓦斯煤尘爆炸事故。
短路闭锁是指预测送电前的低压电网的相间绝缘水平。当发生短路现象时, 将馈电开关和磁力启动器闭锁住, 使馈电开关和磁力启动器不能合闸送电, 避免给短路点送电而出现短路故障和短路电弧, 从而预防由短路电弧外露引起的瓦斯煤尘爆炸事故。
断相闭锁是指预测送电前的低压电网的三相芯线及其之间的连接关系。当发生断相现象时, 将馈电开关和磁力启动器闭锁住, 使馈电开关和磁力启动器不能合闸送电, 避免给断开点送电而出现断相故障和断开点电弧, 从而预防由断相电弧外露引起的瓦斯煤尘爆炸事故。
2 故障闭锁的设置
根据低压馈电开关和磁力启动器控制范围的不同, 井下低压电网故障闭锁可设置在低压馈电开关和磁力启动器内。其中, 低压馈电开关应设置漏电闭锁和短路闭锁;磁力启动器应设置漏电闭锁、短路闭锁和断相闭锁;煤电钻综合保护装置应设置漏电闭锁和短路闭锁。下面以磁力启动器为例, 说明各种故障闭锁的设置及其工作原理。
2.1 漏电闭锁
漏电闭锁由漏电预测和闭锁电路2个部分组成, 如图1所示。
漏电闭锁采用附加直流电源的方法[1]:在磁力启动器合闸前将15 V直流电送入电动机的主回路, 对电动机及其供电电缆的相对地绝缘水平进行预测。当电动机主回路对地绝缘电阻r降到规定值 (漏电闭锁的动作值:380 V电网为7 kΩ, 660 V电网为22 kΩ[2]) 或发生漏电现象时, 直流检测回路的电流增加, V0电位增高, 闭锁电路动作, 闭锁电路的执行继电器JB 动作, 其常闭接点JB延时1 s断开, 切断磁力启动器的控制回路, 实行漏电闭锁, 使接触器JC无法通电吸合, 电动机主回路不能送电。
2.2 短路闭锁
短路闭锁是由短路预测和闭锁电路2个部分组成, 如图2所示。
短路闭锁采用高频检测方式:在磁力启动器合闸前将25 kHz的高频检测信号送入电动机的主回路, 对电动机及其供电电缆相间绝缘水平进行预测。当电动机主回路未发生短路现象时, 其相间绝缘性能好、绝缘阻抗高、电感三点式振荡器负载小、振荡器正常工作、V0电位高, 闭锁电路不工作。当电动机主回路发生短路现象时, 其相间绝缘性显著降低、绝缘阻抗很小、振荡器因所带负载过重而停振、振荡槽路L1C5无电压输出、V0电位为零, 闭锁电路动作, 闭锁电路的执行继电器JB动作, 其常闭接点JB延时1 s断开, 切断磁力启动器的控制回路, 实行短路闭锁, 使接触器JC无法通电吸合, 电动机主回路不能送电。
2.3 断相闭锁
断相闭锁由断相预测和闭锁电路2个部分组成, 如图3所示。
断相闭锁采用附加直流电源的方法:当电动机主回路无断相时, VM和VN为高电位, 闭锁电路不动作。当电动机主回路C相断相时, VM和VN均为低电位, 闭锁电路动作, 闭锁电路的执行继电器JB动作, 其常闭接点JB延时1 s打开, 切断磁力启动器的控制回路, 实行断相闭锁, 使接触器JC无法通电吸合, 电动机主回路不能送电;当电动机主回路A相 (或B相) 断相时, VM (或VN) 为低电位, 闭锁电路动作实行断相闭锁。
上述3种故障闭锁的直流电源均采用本安电源, 以确保检测电路为本安电路。
3 结语
(1) 井下低压电网不仅要具有完善的故障保护, 还应具有完善的故障闭锁功能才能确保供电安全和预防由电气故障产生的电火花而引起的瓦斯煤尘爆炸事故。
(2) 我国目前井下低压电网的故障闭锁大多只设置漏电闭锁, 因此, 本文增加了短路闭锁和断相闭锁等功能, 这对预防瓦斯煤尘爆炸事故有很大好处。
(3) 故障闭锁可避免井下低压电网在送电前因发生漏电、短路和断相现象而在故障点出现外露电弧或电火花, 对井下低压电网的防爆具有重要意义。
(4) 漏电闭锁、短路闭锁与自动重合闸装置配合很容易实现煤矿井下低压电网的选择性漏电保护系统和选择性短路保护系统, 这是设置故障闭锁的又一大优点, 值得深入研究。
实际应用表明, 漏电闭锁用于选择性漏电保护系统效果较好, 但短路闭锁用于选择性短路保护系统目前还处于理论阶段, 实际应用还需深入研究。
参考文献
[1]邹有明.供电技术[M].北京:煤炭工业出版社, 2003.
[2]宋建成.单片机在千伏级隔爆磁力启动器控制系统的应用[J].工矿自动化, 2006 (2) .
[3]刘巧英, 陈杰, 付子义, 等.矿用隔爆型小型智能化真空磁力启动器的设计[J].工矿自动化, 2007 (6) .
井下电网 篇8
最近这几年, 煤矿企业对感应电动机以及别的感性用电器材的使用越来越多, 设备不间断的空载或者轻载运行, 降低了煤矿井下供电线路的功率因数。煤矿属于用电大户, 其供电线路功率因数的大小和供电线路的电能耗损有直接的关系, 直接影响煤矿安全生产和经济效益[1]。因此, 在当下煤矿企业不景气的大环境下, 如何提高煤矿井下供电网功率因数, 成为煤矿企业的一个重点研究课题。
在煤矿井下供电网中, 除去设备的运行所消耗的有功功率之外, 还有感性负载以及容性负载在和电源交换能量产生的无功功率。无功功率在井下供电网运行中, 占用电网容量, 同时在供电网产生功率和电压损耗, 增加电能损耗。因此在井下供电系统运行的时候, 只有电网功率因数高了, 才能既保证保证供电线路末端电压要求, 又降低电能消耗。
1 功率因数的定义
井下供电系统中, 最主要的功率参数分别为有功功率、无功功率以及视在功率。所谓的功率因数指的是有功功率和视在功率的比值。
下面利用一个比较简略的线路模型来对线路中的几个重要参数进行描述, 在此线路中, R指的是总负载、 L指的是总电感、 C指的是总电容, 表示为图1。
由于电感电压超前电流是90°, 电容电压滞后电流是90°, i代表线路中的电流, 那么:
根据基尔霍夫电压定律:
可以得出:
瞬时功率表示p 、平均功率表示为P 、无功功率表示为Q 、视在功率表示为S , 它们之间的关系能使用功率三角形来表述, 其模型表示如图2。
有功率三角可得以上参数的关系:
cos φ 代表井下供电线路的功率因数, 其大小和线路和负荷属性直接相关[2]。
2 提高供电网功率因数的意义
2.1 提高设备的利用率
发电机是依照其视在功率S来进行设计的。在额定电压以及电流下, 发电机在运行的时候, 其输出有功功率为P = UIcosφ = S cosφ 和所接负载的功率因数cosφ 有直接的关系。如果其所接负载为电阻性负载的时候, 也就是cosφ = 1 的时候, 发电机输出的有功功率和其容量是一样的;如果负载为感性或者容性负载的时候, 由于因cosφ < 1, 发电机的容量大于其输出的有功功率[3]。
2.2 降低供电网损耗
井下供电系统在运行的时候, 线路损耗大是因为其功率因数低, 因此, 提升井下供电线路的功率因数, 能让发电设备的容量获得充分的使用, 与此同时, 又能让电能的使用率保持在一定的水平, 大大的节省电能, 有助于经济的发展以及煤矿的安全生产。
3 无功补偿提高功率因数
3.1 常用的几种无功补偿方式
(1) 并联移相电容器组。利用电容器产生的无功功率弥补电感负载所需的无功功率, 降低电网吸收的无功功率, 进而提升电网的功率因数。
优点:投入少, 有功功率耗损低, 维护简单, 故障的范围小, 没有震动和噪音, 对安装地点的要求比较少。
缺点:调节功率因数属于有级调节, 无法实现最优补偿, 并且电网电压波动时或者作业环境通风不好都会造成电容器的损坏。
(2) 通过同步调相机来提高功率因数。同步调相机可看成是一台容量比较大的空载运行的同步发电机, 在过励磁的时候, 产生无功功率。在欠励磁的时候, 消耗无功功率。
优点:实现功率因数的无极调节, 可实现最优调整, 且可根据线路需要进行自动调整。
缺点:造价太高, 有功耗损多, 专业人员进行维护, 占用地方大等。主要用于大型枢纽变电所。
3.2 补偿电容器组的装设方式和结线
(1) 无功补偿点的设置。补偿位置在哪最合理呢? 通常将并联组装的电容器放在集中负荷的位置或者无功消耗比较大的设备的四周, 表示如图3。必须在6~10k V电路上安放无功补偿电容器。针对其所需要的无功补偿容量, 其是通过变压器和电路的无功耗损相加起来的数值决定的[5]。如果界定出的无功补偿容量大于所需, 尤其在线路处在低负载的时候, 很轻易地就会形成无功过补的情况, 因此, 针对电路电压的稳固性和减少损耗来说, 均是有害的。
补偿点多, 那么减少耗损的效果就越好。在对补偿装置的初始投入中, 是由和补偿容量没有关系的固定成本, 以及和补偿容量成正比的设备成本两者构成, 由于补偿点越多初始投入就越多, 因此选取补偿点数量的正确准则为:增加一个补偿点固定成本就相应地增加, 如果可以自多降损所节约的费用中, 而且在固定期限 (通常为五年) 内获得抵偿, 就应该多加一个补偿点, 反之就不增加[6]。
补偿电容器组的设计方式:安装位置的不同代表无功补偿的范围的不同。针对煤矿企业的供电电网, 其设置如下。
高压集中补偿:其在6~10k V母线上集中放置高压电容器组。其优点为补偿装置依据负荷的大小来投入, 进而能科学地提升客户的功率因数, 多使用在一些大中型煤矿上。
低压成组补偿:就是通过把低压电容器放在低压母线上来对变电站的母线前电压进行功率补偿。此方式可减少主变压器的视在功率, 进而提升配变使用率, 减少耗损。此种补偿方式使用范围较广, 6~10k V供电的煤矿变电站大都使用此种方式。
单独就地补偿: 也叫个别补偿, 把补偿电容器放置在需要运行无功补偿的所有用电周围。可以补偿安装位置前面全部高低压线路以及变压器的无功功率, 所以其能补偿的范围比较大。设备停运, 无功补偿退出, 反之亦然。
对电容器组进行补偿的结线方法。 10 k V和之下电路的补偿电容器组使用三角形结线。原因为:能防止由于电容器容量的不对称而产生的过高电压。三角结线假如出现一相断线, 会让补偿容量减少。如果星形结线产生一相断线, 会让此相丢失补偿。
4 功率因数提高的Multisim仿真分析
利用Multisim仿真系统针对未并上电容的时候以及并上电容时候的电路进行仿真, 未并电容的电压和电流的波形图, 表示为图4;并上电容的电压和电流的波形图, 表示为图5。
对这两个图进行分析可知, 并上固定值的电容之后的电压以及电流的相位差显著减少, 进而提升了线路的功率因数[4]。
5 结论
通过对煤矿井下供电网的无功补偿以改善井下供电网的功率因数和供电质量, 该方法可以有效地保证井下供电网无功功率的平衡, 降低电能损耗, 可以作为提高井下供电网供电质量的一种重要方法。科学地选取无功补偿, 能让系统的电压维持在固定的水平, 提升电压的稳定性, 能规避众多无功的长途传输, 进而减少电路的耗损, 节约发电成本, 煤矿企业要提升效益首先要做的就是合理使用无功补偿。
参考文献
[1]顾菊平, 包志华, 钱骏.功率因数提高的教学探讨和实践[J].电气电子教学学报, 2002, 24 (6) :68-71.
[2]孔英秀.功率因数对工厂供配电系统电能质量的影响[J].现代电子技术, 2011, 34 (2) :208-210.
[3]巫坤.新型高功率因数UPS的研究[J].现代电子技术, 2013, 36 (4) :99-101.
[4]吴凌燕.基于Multisim的功率因数提高研究[J].国外电子测量技术, 2013, 32 (1) :50-52.
[5]刘连光, 林峰, 姚宝琪.机电一体开关低压无功补偿装置的开发和应用[J].电力自动化设备, 2003, 23 (9) :46-48.