3.3kV（共3篇）
3.3kV 篇1
据统计,矿井电网中,漏电故障占整个电气故障的80%以上[1]。随着我国工业化进程的不断加速,对煤炭需求持续增长。为适应煤矿生产集中化和现代化发展的迫切需要,国内大中型煤炭企业广泛采用高产高效的综采技术,工作面供电电压提高到3.3 kV已成为必然趋势,但电压的提高导致安全隐患增多,接地故障发生几和接地电流也会增大,进而增加了人身触电的危险性,且容易引起电气火灾和瓦斯爆炸等事故发生[2,3,4]。必须采用更完善的漏电保护措施,设计功能更加完善的漏电保护装置。本文从漏电保护和漏电闭锁两个方面对漏电故障进行保护。
1 煤矿井下3.3 kV电网漏电故障MATLAB仿真
1.1 稳态接地故障仿真及其分析
接地故障MATLAB仿真模型如图1所示[5,6]。
图1中,采用放射式三相三支路供电方式,三个支路电缆长度相等,其中支路3为故障支路,B相为故障相,接地电阻取常用人体电阻值1 kΩ。
仿真结果如图2和3所示。
由图2和图3仿真结果可知:
(1)接地故障产生瞬间,零序电压和接地电流都经过了一个暂态过程才稳定。电网对地参数R和C不变,即τ不变时,接地故障发生时刻不同,暂态幅值也不同;
(2)当3.3 kV供电系统发生接地故障时,无论是故障后的暂态还是稳态过程,故障支路与非故障支路零序电流的相位方向相反,故障支路零序电流为非故障支路零序电流之和,前者是后者的2倍。
1.3 电弧性接地故障仿真及其分析
将图1中的Timer1模块换成Timer2,一个周期发生一次电弧接地,共输出4次矩形周期波,得到电弧性接地故障模型。仿真结果图4所示。
通过仿真可得出3.3 kV电网发生间歇性电弧接地故障后具有以下暂态特征:
(1)电网发生电弧性接地故障时, 电弧电流将有较大畸变,高频接地电弧电流是叠加在工频电流之上的,它们的共同作用决定了电弧燃炽特性。从电网对地起弧到电弧熄灭的整个过程中,电网中性点对地电压(即电网零序电压)和单相接地电流将发生很大的变化;
(2)非故障支路暂态零序电流的大小与本支路对地电容的大小成正比,故障支路暂态零序电流为非故障支路零序电流之和,二者极性相反;
(3)暂态分量的幅值主要有单相接地故障发生时刻决定,接地时刻的不同,零序电压和接地电流都不同。
2 漏电故障保护原理
对于3.3 kV供电电网,采用双屏蔽电缆供电,为准确反映各种类型的漏电故障和保证漏电保护的独立性,在保护设计中建议采用附加直流电源法,以提高漏电保护的动作可靠性。漏电闭锁也采用附加直流原理,和漏电保护共用一个直流电源,防止在故障没有排除之前电网向故障支路和相关设备送电,保证合闸前电网安全。为达到保护的全面性,要在各开关处装设漏电闭锁,可以在综采设备投入前完成整个电网的漏电闭锁保护,将漏电故障排除[7,8]。
附加直流电源式原理图如图6所示。图6中,未发生漏电故障时,对地绝缘电阻rA=rB=rC,且大于绝缘电阻整定值,对地电容CA=CB=CC。电流I的回路:大地-绝缘电阻rA、rB、rC,电网-三相电抗器L1—限流电阻R—直流继电器KD。当未发生漏电故障时,I很小,继电器KD不动作。当发生漏电故障时,对地绝缘电阻减小,I增大,KD动作,馈电开关跳闸,切除漏电故障,达到漏电保护的目的[9]。
3.3 kV电网每相对地电容在0.1 μF～0.6 μF之间,根据GB 3836.4—2000《爆炸性气体环境用电气设备 第四部分:本质安全型》有关煤矿用I类电气设备对于电容性电路的规定,通过查寻电容量C和最小点燃电压U曲线,可得0.6 μF电容量所对应的最小点燃电压约为150 V,则本安电路所允许的工作电压为150/1.5=100 V,1.5为安全系数。
漏电闭锁电阻动作值一般为动作电阻值的2倍,则本文漏电故障动作值为60 kΩ,闭锁电阻值为120 kΩ。本安回路最大电流为2 mA,所以直流检测电流必须小于2 mA。图6中,当发生单相接地故障时,忽略电抗器L1的阻值,直流电源电压100 V,限流电阻R取56 kΩ时,可得出直流检测回路电流I:
满足本安回路最大电流的要求。
3 漏电保护装置软硬件设计
3.1 漏电保护装置框图
漏电装置框图如7所示,DSP完成对直流电源检测信号、零序电压以及电网各相电压数值的实时采集、判别。电网正常运行时,实时显示电网电压值及绝缘情况,故障时完成数据命令(如中断命令和零序电压值等)的CAN通信传输并显示故障信息,发出漏电闭锁、报警和跳闸执行信号。
DSP选择TI公司的TMS320F2812,其是美国TI公司推出的C2000平台上的一款高性能、多功能、高性价比定点32位DSP芯片,是世界上最具影响力定点DSP主流产品。主频150 MHz,处理性能可达150 MIPS,每条指令周期6.67 ns。片内集成众多资源:存储资源Flash、RAM;标准通信接口,如串行通信接口(SCI)、串行外设接口(SPI)、增强型eCAN总线接口,方便与外设之间进行通信。TMS320F2812采用哈佛总线结构,具有统一的存储模式,包括4M可寻址程序空间和4 M可寻址数据空间。同时片内具有128×16位的FLASH存储器和18 k×16位的SRAM,以及4 k×16位的引导ROM。最大支持外扩512 k×16 位的SRAM和512 k×16位的FLASH。具有两个事件管理器(EVA和EVB)以及外设中断模块(PIE),最多能够支持96个外部中断。其外部存储器接口(XINTF)被映射到5个独立的存储空间[10]。
3.2 直流检测电路设计
根据附加直流电源检测原理,设计直流检测回路如图8所示,包括两个部分:漏电保护(模块A)和漏电闭锁(模块B)检测回路,共用一个直流检测电源。
3.2.1 漏电保护检测回路
图8中,电网是否发生漏电故障主要依据取样电阻R6两端电压Uq大小来确定,Uq和电网绝缘阻抗的关系如下:
式(2)中:rΣ为电网每相对地绝缘电阻,RΣ为漏电保护检测回路内部阻抗,在Udc稳定的前提下,Uq的值随R6线性变化,根据Uq的值来判断电网是否发生了漏电故障。
检测回路为:附加直流检测电源正极→检测电压取样电阻R6→电网对地绝缘阻抗→电缆→三相电抗器SK→滤波电路→高压二极管D1→电源负极。其中,电阻R2、R3、R5和电容C1、C2、C4组成双T滤波器,通过直流检测电流,滤掉基波频率的交流电压干扰,防止出现检测误差。R4和C3则组成RC滤波器,滤除检测回路的高频分量。C6、R7和D2组成加速电路,以提高直流检测的灵敏度,加速故障时直流检测电流的上升, 有利于加大漏电保护装置的动作速度。高压二极管D1防止断路器跳闸后电动机反电动势倒流至直流电源内部损坏元器件。
3.2.2 漏电闭锁检测回路
图8中,漏电闭锁检测回路为:附加直流检测电源正极→检测电压取样电阻R6→电网对地绝缘阻抗→电缆任一相→三相异步电动机→常闭触点ZK1→漏电检测继电器常开触点KL→高压二极管D1→电源负极。
漏电闭锁的工作过程为:合闸前,漏电检测继电器KL的常开触点吸合,通过接触器ZK的常闭辅助触点ZK1使直流检测回路接通,DSP检测R6两端电压,当电网对地绝缘电阻小于漏电闭锁整定值时,DSP就发出闭锁信号,断路器无法合闸;反之,则允许合闸电网正常工作。
3.2 直流检测电源电路
直流检测电源电路如图9所示,110 V交流电源输入来自电压互感器的副边。TL431是TI公司生产的一种有良好的热稳定性能的三端可调分流基准源,其输出电压用两个电阻就可以任意的设置到从2.5 V到36 V范围内的任何值。利用TL431作为电压基准,驱动场效应管K790作调整管,构成驱动能力较大的稳压电源,D1～D4为整流用二极管,C2为滤波电容,C1、C3、D5、D6构成倍压电路,R5、R3组成分压电路,将R3两端电压反馈给TL431,以获得所需的输出电压。TL431、R1组成取样放大电路,三极管和电阻R2组成限流保护电路。R1功率为2 W和R2功率为5 W。C5、C6为滤波电容,L78L18和ZB1082构成一个Boost升压电路,能够当额定输入电压在75%～115%范围内波动时保证输出稳定在100 V。C8为输出滤波电容。
3.4 开关量输入输出电路设计
执行驱动电路主要是在DSP控制下完成断路器的闭合或者断开。
具体执行驱动电路如图10所示,ST1与ST2为失压跳闸触点,为常闭触点;FT1与FT2为分励跳闸触点,为常开触点。发生故障时,DSP通过GPIOA_0发出跳闸指令,指令信号通过光电耦合器TLP521—1,送入到驱动芯片ULN2003L驱动中间继电器,从而驱动断路器跳闸,切开故障电源,24 V电源为跳闸触点提供电源。HZ1与HZ2为合闸触点,为常开触点。
3.5 漏电保护程序流程图
漏电保护流程图如图11所示,采样三相电压和直流检测回路取样电阻电压电压值Uq,由微机算法处理后,得到零序电压U0等所需电气量,U0d和Uqz为漏电故障发生时的整定动作值,完成漏电保护的判断、执行,并进行故障存储、报警显示等功能。考虑到电网自然不平衡电压等因素,设置零序电压动作整定值U0d=10 V。
4 总结
本文对3.3 kV煤矿井下常见漏电故障进行了MATLAB仿真分析,给出了相应的附加直流式保护原理,设计了漏电保护装置框图、直流检测电路和开关量输入输出电路,并给出了漏电保护程序流程图(图11)。
参考文献
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[5]王永进.基于DSP的漏电保护器的理论研究和设计.西安:西安科技大学,2011
[6]冯英博.煤矿井下低压馈电开关漏电保护.煤矿机械,2008;2(12):176—177
[7]王德胜.附加直流电源检测法在漏电保护中的应用.工矿自动化,2010;2:62—64.
[8]王虹桥.附加直流电源的电缆绝缘在线监测新方法.煤炭科学技术,2000;(4):19—21
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[10]Texas Instruments Incorporated.TI DSP集成开发环境(CCS)使用手册.北京:清华大学出版社,2005:1—10
3.3kV 篇2
关键词：3.3kV供电系统,综采放顶煤工作面,高压供电系统线路电压损失
开滦 (集团) 唐山矿业分公司年产量400万t, 随着开采水平的不断延伸, 供电系统复杂, 高产高效综采放顶煤工作面大功率设备启动时, 由于电动机启动电流大, 引起电压波动, 经常出现高压掉电现象, 针对这一问题, 在充分调研论证后, 决定在T2291综采放顶煤工作面引进3.3 kV放顶煤综合机械化设备, 采用3.3 kV供电系统。该供电系统使用以后, 提高了工作面的供电质量和控制可靠性, 从而实现了工作面年产200万t的目标。
1工作面及设备情况
开滦 (集团) 唐山矿业分公司矿井的T2291工作面是公司重点综放工作面之一, 该工作面走向长1 060 m, 工作面长150 m, 运输系统长1 300余m, 煤层厚11 m。工作面设备总容量4 370 kW, 变压器总容量为5 530 kVA, 主要设备供电电压等级分别为3 300, 1 140, 660 V。单机最大功率为:后部输送机2×375 kW, 转载机功率为375 kW, 带式输送机功率为3×200 kW。
①后部输送机:SGZ-960/750型中双链刮板输送机, 电动机型号为YBSD-375/187-4/8G, 功率为375/187 kW×2。②前部输送机:SGZ-730/400型中双链刮板输送机, 电动机功率200 kW×2。③采煤机:型号MG-375, 电动机功率375 kW。④转载机为SZZ960/375, 电动机功率375/187 kW。⑤破碎机为PLM2200, 电动机功率200 kW。
2供电系统
选用TS1243移动变电站、KE3002启动器, 采用PROMOS控制。T2291综放工作面使用的3.3 kV供电系统如图1所示。
在KE3002启动器的作用下, 系统启动时用低速以获得足够的转矩运行, 当低速电机电流下降至额定电流1.1倍时, 自动转换为高速正常运行。开关转换时间不大于64 ms。由于低速运行后输送机有了一定的惯性, 所以高速运行时电流冲击较小, 只有额定电流的3倍左右, 小于一般鼠笼型异步电动机启动电流, 是额定电流的5～8倍。利用变极调速后启动电流下降50%, 对电网冲击明显减小, 并且由于电压等级的提高, 根据异步电机转矩与定子电压U的平方成正比这个特性, 启动转矩有很大改善, 从而保证减少电压损失, 提高供电质量。
3电压损失分析
3.11 250 kVA变压器支路电压损失[1]
(1) 总装机容量。总装机容量为∑Pe=1 375 kW, 需用系数undefined。
式中, Pemax为最大电动机额定功率。
(2) 变压器的电压损失ΔUb。
KBSG-1250/6/3.45型变压器数据:Ibe=209.2 A, Uz%=4, ΔP=6 500 W, Rb=0.041 82, Xb=0.039 5。
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式中, Ube为变压器二次侧电压, 3 450 V;Ur%为变压器额定运行时电阻压降百分数;Uz%为变压器的短路电压百分数;ΔP为变压器的短路损耗, kW;Ux%为变压器额定运行时电抗压降百分数;Xb为变压器电抗;SN为变压器额定功率 (1 250 kVA) ;Rb为变压器阻抗;tanφpj=1.02 (平均加权功率因数cosφpj=0.7) ;Ibe为变压器二次侧额定电流, 209.2 A。
(3) 最大、最远电机支线电缆损失。
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式中, Kf为负荷系数, 取 0.8;Lz为支线电缆长度, 300 m;η为电动机效率, 0.93;D为导电系数, 铜心橡胶D=42.5 m/Ωmm2;Sz为支线电缆截面积, 35 mm2;Ue为额定电压, 取3 300 V;Pe为电动机额定功率, 取375 kW。
(4) 最大、最远电动机端电压损失。
ΔUd=ΔUb+ΔUz=37.726 V
(5) 所有负荷都正常运转时, 最大、最远电动机端电压损失占额定电压的百分比为1.14 %。
3.2最大、最远电动机启动时的端电压损失
YBSS2-250电动机:额定电压3.3 kV, 额定电流57.3 A, cosφ=0.83。YBSD375/187-4/8电动机:额定电压3.3 kV, 额定电流84.7 A, cosφ=0.82, Iq=508.2 A。
(1) 计算其他电机都正常运转且满载时的变压器电压损失ΔUb。负荷系数Kf=1, cosφpj=0.7。其他电机都正常运转且满载时额定电流和∑Ib=226.7 A。ΔUb%=Kf∑Ib (Ur%cosφpj+Ux%sinφpj) /Ibe=3.44, ΔUb=UbeΔUb%/100=118.68 V。其中, ΔUb%为变压器的电压损失百分数。
(2) 计算最大、最远电动机启动时变压器的电压损失。YBSD375/187-4/8电动机为双速电机, 只考虑直接启动高速时电压损失:ΔUbq%=Iq (Ur%cosφq+Ux%sinφq) /Ibe=9.35。ΔUbq=Ube×ΔUbq%/100=322.6 V。其中, Iq为电动机启动电流, A;cosφq为启动时电动机的功率因数。
(3) 计算最大、最远电动机启动时支路电缆上电压损失。undefined。
(4) 最大、最远电机启动时总的电压损失。总电压损失为∑ΔUq=ΔUb+ΔUbq+ΔUzq=510.97 V。占额定电机启动的百分比为15.48%。
由计算可知, 转载机启动和运转时的电压损失均远远小于设计要求, 在实际生产中效果较好。
4应用效果
T2291工作面的供电为3.3 kV, 同为高产高效工作面的T2195工作面使用1.14 kV供电, 设备和T2291工作面一样, 相比而言, 3.3 kV供电系统具有以下优势:
(1) 提高了供电质量, 降低设备停机率, 保证了工作面高产高效。与T2291工作面同煤层的T2195工作面, 电动机最大功率375 kW×2, 额定电流262 A, 电动机启动时启动电流比较大, 经常出现高压掉电现象, 影响输送机运行, 进而影响产量。后来将电动机改为双速启动后, 才基本解决电动机启动困难的问题。T2291工作面设备采用3.3 kV供电后, 启动电流降低, 改善了工作面的供电质量, 投产1 a来没有因供电问题而影响生产, 日产量达7 000 t。
(2) 提高供电控制可靠性, 提升现代化管理水平。使用PROMOS控制系统及计算机数据通信方式, 可靠性高, 保护齐全 (过载, 短路, 绝缘及闭锁保护, 电机温度、先导回路及控制、相不平衡, 真空管漏气, 启动高压检测等) , 控制方式灵活多样, 操作方便、节省人力;提高了人机信息交换能力, 监测一目了然, 判断事故精准;使用人工对讲通信系统, 一人说话全线都能听见, 提高了生产管理水平。
5结语
3.3 kV供电系统应用于综采放顶煤工作面, 能够减少线路损失, 提高供电质量, 适应国民经济对煤炭事业发展的要求, 顺应设备日渐趋于大型化的发展方向, 为高产高效工作面首选的供电方式。
参考文献
3.3kV 篇3
东欢坨矿业分公司原主通风机为富士产低压变频设备带动250 kW电动机拖动的2KZDNo-24风机。随着矿井开采规模的不断扩大, 其通风量已不能满足生产要求, 需要对原通风机进行改造。为响应国家节能环保的号召, 同时满足矿井生产的需要, 东欢坨矿业分公司设计并建成了一个集主通风机变频调速、工频与变频切换、实时数据监控等功能于一体的主通风机高压 (3.3 kV) 变频调速及监控系统, 提高了主扇运转的可靠性与安全性, 大大节约了电能。
1 系统总体设计方案
1.1 设计思路
(1) 保留原有的机械系统, 去除原驱动系统及低压变频设备。
(2) 增加上位机控制环节, 采用微机控制方式实现变频调速, 实现高压开关柜、隔离变压器、旁路柜、变频器、电动机等设备的实时数据监控。
(3) 主通风机变频调速系统完全依据相关规定进行设计, 2套系统具有完全相同的能力, 且为“一用一备”的互补关系。
(4) 风机具有工频、变频2种运行方式, 具备反风功能。
(5) 所有的实时数据、动态曲线等数据通过物理接口接入PLC, 然后由PLC将数据传送到上位机系统, 由上位机系统对所有的信息进行处理, 完成整个系统的测量和控制。
(6) 按照先工频后变频、先改造1#风机后改造2#风机的原则进行改造, 并制定详细的预案, 保障不间断通风原则的实施。
1.2 系统组成
矿井主通风机高压 (3.3 kV) 变频调速及监控系统主要由高压柜、干式隔离变压器、电动机、旁路柜、变频柜、监控柜、监控仪表和监控计算机等部分组成。其中, 高压柜选用陕西宝光公司生产的真空断路器;干式隔离变压器选用ZTSFG (N) -800 KVA/6型三绕组干式整流变压器 (副变两绕组移相30°) , 以满足ABB ACS1000变频器12脉波整流输入的需要, 同时为系统提供一定的短路阻抗;变频柜选用ABB公司生产的ACS1000 3.3 kV变频器原装柜, 其采用无熔断器设计, 利用2支IGCT功率器件在中间直流回路上对后段的电容及逆变侧进行保护, 采用“二级管钳位电路”构成的三电平结构, 使用DTC直接转矩控制技术对电动机进行控制;监控柜选用西门子S7-300 PLC作为整个系统的控制中心, 用于监控该系统中所有设备的运行状态及与主通风机相关的所有设备, 用户可通过监控柜上的HMI直接查询设备状态及故障报警等数据。
系统简图如图1所示。
该系统通过普通异步电动机 (630 kW) 绕组接法上的互换实现风机工频、变频2种运行方式, 即在电动机工频运行状态下, 图1中各开关的开关状态为Q4、Q5闭合, Q1、Q2及Q3断开, 相当于变频器被旁路掉, 此时电动机直接投网6 kV电动机接线方式为星型;当通过变频器拖动电动机时, 图1中各开关的开关状态为Q4、Q5断开, Q1、Q2及Q3闭合, 此时电动机的接线方式为三角型, 电压由原来的6 kV变为3.45 kV, 满足变频器的输出电压要求。该系统中Q5与Q1互锁、Q2与Q4互锁、Q2与Q3联锁。
2 系统功能
(1) 实现了电动机直接转矩控制 (DTC) , 使变频器在不需要安装反馈的情况下实现对异步电动机转速的精确控制, 免去了测速发电机等检测设备的安装和维护工作。
(2) 变频器采用新型半导体元器件IGCT, 其与LC输出滤波器结合使用, 使变频器的电压输出具有更好的正弦波特性, 减少了电压尖峰对电动机绝缘性能的损坏。
(3) 实现了主通风机的变频、工频切换功能, 一旦变频装置出现故障, 即可马上断开进出线刀闸, 将变频装置隔离, 合旁路刀闸, 在工频电源下启动电动机。
(4) 实现了主通风机“一用一备”的要求, 且备用风机变频装置在正常情况下采用热备用的方式。
(5) 变频器中使用了新型IGCT半导体元器件作为主保护, 实现了安全可靠的快速保护, 其分断时间小于25 μs, 比传统的快速熔断器快1 000倍。
(6) 实现了电动机绕组超温、整流桥短路、电动机堵转、充电故障、电源缺相、电动机超速、过电流、欠电压、逆变器短路、电动机缺相、接地故障、通信故障、半导体器件的过热保护等保护功能。
(7) 变频器输出频率在15～50 Hz范围内连续可调, 自动启动时间可自由设置, 使得电动机的启动特性好, 对设备的冲击很小。
(8) 实现了风机的本地控制和远程控制, 可通过安装在柜门上的操作盘控制, 也可通过上位机软件控制。
(9) 实现了各种参数的实际值动态显示, 如转速、电压、电流、直流回路电压、工作时间、频率、风量、负压、温度等。
(10) 实现了高压开关柜及旁路柜电气、机械闭锁, 避免了误操作。
(11) 使用ACS 1000中压变频器, 减小了电网电压降低对变频器的影响, 从而保证了风机的安全运转。
(12) 实现了快速反风功能。
3 结语
东欢坨矿业公司主通风机高压 (3.3 kV) 变频调速及监控系统于2006年8月30日设计完成, 运行两年多以来, 风机的各项性能良好。该系统操作简便, 其工频、变频切换功能大大提高了风机运转的可靠性;风机启动非常缓慢, 最大限度地消除了机械和电气冲击, 延长了电动机、风机等设备的使用寿命, 与传统的控制设备相比, 大大减少运行维护量及运行维护费用;节能效果明显, 在风量满足生产要求的情况下, 经过改造后的主通风机6 kV高压电流减少了20%以上;可实时显示风机各种参数, 使司机和维护人员能准确掌握设备的运行情况, 有效保障了矿井安全通风。
摘要：针对东欢坨矿业分公司原主通风机的通风量无法满足生产要求的问题, 文章介绍了一种主通风机高压 (3.3 kV) 变频调速及监控系统的设计方案, 给出了系统设计思路、组成及其功能。该系统具有主通风机的变频驱动、实时监控、工频与变频切换、保护及实时显示功能, 操作简便, 大大提高了矿井通风安全的可靠性, 且节约了大量的电能。
关键词：矿井,主通风机,变频调速,监控,改造
参考文献
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