矿用移动变电站低压馈电开关测控系统设计

韩志勇

摘要：为提高煤矿低压供电系统的可靠性，避免测控系统的误动作，设计了一种适用于井下低压馈电开关的测控装置。介绍了采区低压供电系统的供电方式和真空馈电开关的结构和工作原理，分析了测控系统保护原理，给出了基于双DSP结构的测控系统软件设计方案，分别设计了测控DSP软件和管DSP软件。试验和应用结果表明该测控装置数据准确，可靠性高，达到了设计要求。

关键词：馈电开关;微机控制;移动变电站

中图分类号：TM76 文献标志码：A 文章编号：1009—9492（2021）03—0189—03

0引言

近些年来，随着煤矿井下生产设备容量的增大及采掘范围的扩大，煤矿井下供电系统的供电容量和供电距离逐渐提高。另一方面，井下环境潮湿且空气中含有瓦斯、煤尘等易燃易爆物质，极易诱发短路等故障，井下配电系统的安全性和可靠性受到了挑战。作为井下馈电线路的主保護，移动变电站真空防爆馈电开关测控系统显得至关重要，测控系统从传统的保护装置发展为现在以单片机、数字信号处理器和嵌入式控制器为核心的微机保护。目前我国大部分测控装置存在灵敏度和保护范围相互制约的缺点，动作整定复杂。本文研究了一种基于双DSP结构的低压真空馈电开关测控系统，试验和应用结果表明该测控装置数据准确，可靠性高，达到了设计要求。

1移动变电站馈电开关

采区变电所的位置一般是固定的，其通过高压电缆和高压开关向各移动变电站供电，井下电网结构呈放射状，10 kV或6kV高压电经移动变压器降压后，向总馈电开关K0和各分馈电开关K1、K2、K3配电，分别向采煤机、掘进机、运输机配电，移动变电站馈电开关系统图如图1所示。

从图1可以看出，馈电开关是整个井下供电系统的重要组成设备，当馈电线路或各用电设备发生过载、漏电、短路和欠压等故障的情况时，馈电开关起到切除故障设备、隔离故障点，避免故障扩大发生爆炸、火灾等严重安全事件的作用。一套真空馈电开关及其测控系统可分为主电路、控制电路和保护电路：主电路包括断路器真空管及其连接负荷侧和电源侧的导电铜牌，额定电流为630 A，额定电压为1140V;控制电路包括组合开关、辅助触点、继电器线圈等，当检测到故障时，控制电路能够在规定时间内驱动断路器跳闸，控制回路的电源由主电路经降压变压器和整流器变换后提供，无需外接电源;保护电路指的是以DSP为核心的综合保护装置，其功能为故障检测、数据存储和远方通信等。

2保护原理

根据《煤矿安全规程》相关规定和井下低压电网的故障特征，馈电开关测控系统需要具备的基本保护功能有过流保护、短路保护、漏电保护和欠压保护等。总馈电开关测控系统结构如图2所示，主电路高电压、大电流经电流互感器和降压变压器转换为信号采样电路的低电压、小电流信号，信号处理模块接收采样电路的输出信号后，对此时馈电开关的状态进行判断，如果发生故障，向驱动发出跳闸信号，操作机构动作，跳开总馈电开关，并通过指示灯和蜂鸣器发出声光报警。具体原理如下。

（1）过流保护。过流保护又称为过载保护，指的是电网长期运行在额定电流以上，电缆、开关或用电设备会不断积累热量而触发的保护动作。一方面，由于流过馈电开关的电流变化较大;另一方面，电气设备热量的积累为缓慢的过程，所以过流保护的设计要考虑热量累计效应。过流保护的原理：检测流过总馈电开关电流的幅值，如果被测电流大于额定电流，则在一定时间内动作跳闸，采用反时限原理，动作时间与过载倍数呈反比。本文设计的过载保护特性：过载1.2倍的动作时间为25 min，过载1.5倍的动作时间为3min，过载2倍的动作时间为90s，过载4倍的动作时间为45s，过载6倍的动作时间为8s。

（2）短路保护。由于井下环境潮湿、绝缘损伤等原因，井下低压系统的不等电位会发生短接。短路保护分为对称短路和不对称短路，三相短路发生时三相电流急剧增大，这是最严重的短路状态，因此要求保护装置立即动作，三相短路的故障特征为三相对称且功率因数高，考虑到保护范围和保护灵敏度要求，三相短路采用相敏保护原理。两相短路、单向断线和单相接地均属不对称短路，不对称短路的故障特征是故障电流中存在负序电流和零序电流，因此采用负序保护原理。

（3）漏电保护。井下低压系统的电缆容易发生单相接地或漏电故障，极易发生人身触电和瓦斯爆炸。《煤矿安全规程》规定：不允许井下配电变压器中性点接地运行，因此漏电保护针对中性点绝缘系统。漏电保护采用附加直流电源检测原理，在电网与地之间附加一个恒定的直流电压源，当电网发生不同类型的漏电故障时，直接反映在三相绝缘电阻并联值上，进而反映在直流电流，的变化上，漏电保护的原理如图3所示。

（4）欠压保护。当系统出现短路时，供电电压会出现暂降，欠压时系统重载会引起过电流或者电机处于持续启动阶段，导致电流冲击电源和用电设备，因此电压跌落幅度达到额定电压的25%以上，要求在规定时间内欠压保护动作跳闸。欠压保护的检测原理：电压互感器二次侧电压整流为直流电压，经滤波后作为控制器输入信号，此直流电压信号与主电路交流电压有效值成正比，比较直流电压信号与值，如果低于给定值75%，则发出动作跳闸信号。

3系统软件功能模块

测控系统软件框架如图4所示，根据两个不同控制器功能划分，分为测控DSP软件和管理DSP软件两部分。测控DSP软件的功能以数据采集和处理为主，包括测控主程序模块、自检模块、数据处理模块、数据采集模块、算法模块和数据交换模块。管理DSP软件的功能以人机交互和通讯为主，包括管理主程序模块、液晶屏显示模块、通讯模块、键盘管理模块、时钟模块和数据交换模块。

保护原理的软件实现是整个软件部分的核心程序，图5所示为漏电保护和负序保护流程图。漏电保护程序开始后，读取零序电流，将其移相90°，计算有功功率P，若有功功率为正，则发出“漏电故障”信号。负序保护程序开始后，计算负序电流I，若I大于，I，则发出“不平衡故障”信号。

4试验结果及应用分析

对真空馈电开关测控系统进行了断相故障、短路故障和过载故障试验。试验馈电开关的额定电流为180A，通过负序信号250A模拟断相故障，通过升流器给定10倍额定电流模拟短路故障，过载故障同样通过升流器实现，故障试验数据如表1所示，通过规定动作时间和试验跳闸时间比较可知，该测控系统能够实现短线、短路和过载的保护。

经过实际运行一段时间，本系统能够发挥微机保护动作可靠、性能稳定的优点，过载故障发生时，动作延时符合要求，避免了热量积累效应。短路故障发生时动作灵敏，漏电保护迅速可靠，提高了井下低压供电系统的安全性和可靠性。

5结束语

矿用移动变电站低压真空馈电开关测控系统控制板采用双DSP控制器结构，软件设计时将测控系统和管理系统分别开发，提高了系统软硬件的开发和维护效率，将本装置应用于井下低压供电系统，能够对过载、短路、漏电和欠压进行动作保护，各类故障判断准确，动作时间符合要求，提高了井下低压供电系统的安全性和可靠性。