煤矿供电系统线路保护装置研究与设计

赵宁宁

（大同煤矿集团有限责任公司晋华宫矿，山西大同 037016）

0 引言

在煤矿生产过程中，输电线路有着不可替代的作用[1-2]。随着煤矿的开采，输电线路的量和复杂程度越来越大，供电线路的安全保护问题也越发突出[3-4]。一旦电力线路存在安全隐患，将给井下安全生产带来极大的事故。现有的线路保护装置是基于对线路的离线检测并给予的保护措施，由于故障发生是瞬时性的，离线监测与保护极易带来安全隐患[5-7]。为此，本文设计了一套以DSP高速处理器为核心的实时保护装置系统，通过对电力线路的运行状态实时采集，给予正确的保护措施，从而实现煤矿供电线路的安全[8]。

1 煤矿供电系统线路保护特征

1.1 电力线路故障检测特征参量

（1）绝缘电阻

绝缘电阻大小能够反映出电力线路如绝缘水平高低、绝缘老化程度、外层是否受损等绝缘状态特性，因此，为保证井下安全供电，其绝缘电阻值必须高于一定设定值。根据欧姆定律可知，绝缘电阻大小与泄漏电流成反比，可以通过实时检测泄漏电流的大小对电阻值进行监测。当电缆发生受损受潮等不正常情况时，绝缘电阻值便会降低，导致泄漏电流急剧增加。根据现有文献和井下实际对电力线路监测的经验，对于10 kV电缆来说，当绝缘电阻值超过1 000 MΩ时，表示绝缘情况良好，可以继续使用供电线路；当绝缘电阻值处于100～1 000 MΩ时，表示电力线路出现了一定程度的微弱损伤，可以短时间运行；当绝缘电阻值低于100 MΩ时，说明电力线路受损严重，必须停止供电且应立即进行更换。

（2）局部放电

电缆在实际井下运行过程中，受强电场、高磁场与外界应力的影响，导致绝缘层局部损伤，在强电场和高磁场作用下便会出现局部放电现象，根据其放电位置不同可将其分为表面放电、空穴放电和点晕放电。局部放电过程伴随击穿与熄灭现象的反复出现，若任其发展便会严重击穿绝缘层。因局部放电前后电力线路的绝缘电阻值和泄漏电流值都不会发生显著变化，所以对局部放电的监测是根据电气和非电气等状态量。其中，电气的监测量有绝缘介质的损耗角正切值的变化、电脉冲以及电磁辐射等；非电气的监测量有化学变化和物理变化。可以假设，当绝缘内部A点出现一个气泡，CA、CB、CC分别为气隙的电容、完好部分介质电容、与气隙串联介质的电容，当u=Umsinωt的电压时，其线路系统的电容值与电压分别为：

由式可知，若电压uA达到气隙的放电电压临界值uS时，此时A处便会发生放电；当电压uA从放电电压uS降低后，放电火花便熄灭，完成一次放电过程。若此时外加电源电压升高，A的电容便再次完成一次充电过程，使得该处的电压值升高，达到放电电压临界值uS时，便又会进行放电，如此反复，会对电力线路造成严重损伤。

1.2 电力线路状态监测方法

（1）绝缘状态监测

对电力线路绝缘电阻的测量采用直流叠加法。图1所示为直流叠加法实时检测原理图，该原理是利用对电流源的叠加计算电阻值。根据原理图可将检测分为两部分：一是接地电压互感器中性点处附加一个电源；二是在电缆接地的附近串联一个电阻，通过形成回路，便可实时计算监测电阻中流过的电流以及两端电压值，从而计算出绝缘电阻值。

图1 直流叠加测电阻原理图

（2）接地电流状态监测

井下电力线路不论是在正常状态还是非正常状态运行时，其绝缘层的接地线都会有微弱的电流信号，使用一段时间后该电流信号会发生显著变化。例如，当电力线路中的绝缘层有水树枝化或者电树枝化时，意味着介质损耗角的正切值和电容值都变大，该变化将会使接地电流发生变化，因此可以根据接地电流的变化反映电缆绝缘水平的高低，即以此为依据评估绝缘性老化的参考标准。在实际运行中，通常利用电流传感器将检测的接地电流转换为电压信号，并对该信号进行调理、滤波与A/D转化后，将结果送至中央处理器进行逻辑识别，从而完成对电力线路的绝缘实时监测。需注意的是，该方法极易受到井下实际环境中各种信号的干扰，需要利用高精度的传感器以及信号数据传输分析技术进行检测。

2 保护装置系统硬件设计

2.1 系统总设计

保护控制装置系统的硬件系统主要由高速数据采集单元、中央数字处理器、信号调理电路单元、逻辑控制单元、通信单元、时钟与电源模块、显示单元以及保护控制装置等组成。其中，高速数据采集单元主要用来对电力线路的数字和模拟信号进行实时采样和存储，并将所采集的数据经过调理单元后送入中央处理器进行计算与处理。系统中的信号调理电路主要完成强弱信号的转化与筛选，并将其调整至输入端口所需要求。中央处理器单元的高速计算能力则对实时数据进行分析判别处理，主要完成小波变换、故障监测、保护控制功能。图2所示为系统硬件总体设计图。

图2 系统硬件总体设计图

2.2 中央处理器选型

为完成对井下线路保护装置的实时监测与保护控制，考虑井下所需采集的信息与数据处理量，该保护系统采用DSP芯片的TMS320系列作为中央微处理单元，其芯片具有快速的数字信号处理能力、完整的总线结构以及便利的操作指令，即方便井下保护装置软件系统编译，也便于以后系统的维护和扩展开发。该系统采用的TMS320C55x是德州仪器公司推出的新一代低功耗高性能位定点数字信号处理器，相比C54x、C55x，既增加了总线宽度使得指令集获取存储位数升高至32位，又在结构上进行优化，使其对数据吞吐率和功耗有了进一步降低。C55x的总线增加了一条读操作线和一条写操作线，累加器和临时寄存器都增加至4个，增加了1个16bit的ALU。

3 软件系统设计

保护系统软件程序设计采用分层化和模块化方式进行，通过主程序对子程序的调用实现。图3所示为系统的主程序流程图，开始后会对系统进行初始化，然后进行系统自检判别是否存在故障。当判别存在故障后进入报警和故障处理程序，若系统无问题则中断便会打开，系统便根据采集的信息对电力系统进行实时监测。通过不断对特征量的处理与其子程序的调用，进一步判别电力线路的运行状态，若有故障则会对保护子程序进行调用处理。

图3 系统主程序

4 结束语

本文对电力线路常见故障检测特征参量和对电力线路状态监测方法进行分析，设计了一套适用于井下供电线路的保护系统装置。该装置通过高精度的数据采集单元对电力线路的数据进行采集，并通过中央处理单元进行高速计算完成给与电力电路适当的保护控制。该保护系统实现了煤矿运行稳定，极大满足了煤矿安全供电发展的要求。