礦用隔爆型移動變電站低壓保護系統(tǒng)的設計

1、本科畢業(yè)設計說明書礦用隔爆型移動變電站低壓保護系統(tǒng)FLP transformer substation low voltage protection system design 學院（部）： 電氣與信息工程學院 專業(yè)班級： 學生姓名： 指導教師： 年 月 日礦用隔爆型移動變電站低壓保護系統(tǒng)的設計摘要移動變電站是煤礦井下用的可移動的成套供電設備，由隔爆型高壓負荷開關、隔爆型干式變壓器和隔爆型低壓饋電開關三個部分組成。由于煤礦井下工作環(huán)境非常惡劣，低壓電網(wǎng)中經(jīng)常會發(fā)生短路，漏電等各種故障。為了保證礦井供電系統(tǒng)的可靠性，作為綜采工作面用電設備主電源的移動變電站除了提供電源以外，還必須具備保護測控功能

2、，用于實時監(jiān)測井下低壓電網(wǎng)的運行狀態(tài)。移動變電站這種保護測控功能由礦用移動變電站保護測控裝置提供。本課題研究的是研制一種基于DSP（DSPIC30F6015）集多種保護、測控、通信功能于一體的礦用隔爆型移動變電站低壓保護系統(tǒng)。主要內(nèi)容如下：介紹了移動變電站在國內(nèi)外的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢，以及國內(nèi)現(xiàn)存移動變電站低壓保護系統(tǒng)存在的缺陷，分析了研究新型移動變電站低壓保護系統(tǒng)的必要性。 結合傳統(tǒng)移變高壓側保護測控裝置存在的不足和缺點，根據(jù)移動變電站的特殊要求，本文設計開發(fā)了一套多功能、高可靠性的移變高壓側保護測控與診斷系統(tǒng)。針對測控系統(tǒng)的技術要求，論文中分析了井下低壓電網(wǎng)中可能發(fā)生的各種故障，并針對各種故障

3、特征提出了相應的保護原理。 硬件設計對主要電路和器件進行分析，充分利用DSP外設口多的功能特點，簡化了系統(tǒng)。軟件系統(tǒng)采用模塊化的編程思想，具有很好的靈活性和可移植性。采用RS485串行通信實現(xiàn)系統(tǒng)的遠程控制，滿足了井下供電系統(tǒng)的網(wǎng)絡化需求；保護測控系統(tǒng)的雙CPU結構，在技術上與速度上保證了系統(tǒng)對各種故障診斷的準確性與實時性。關鍵字：煤礦，移動變電站，DSP，低壓電網(wǎng)，保護系統(tǒng)FLP transformer substation low voltage protection system designABSTRACTMovable Transformer Substation is the Co

4、mplete Set Power Supply Equipment using under coal mind，which is made of FlameProof Type high voltage load-breaking switch，F(xiàn)lame-Proof Type drytype transformer and low voltage feeding switchNowadays，the movable Transformer Substations that are using in the Coal Industry in our country mainly contain

5、 two voltage grade，6KV and 10KVAs the working environment under the coal mind is very bad，the low voltage distribution network is easy to have faults such as short circuit，overload and current leakage and so onTo ensure the reliability of the power supply system，the movable transformer Substation wh

6、ich is the main power supply equipment should also supply protection，measure and monitor functions that are used to monitor the status of the low voltage distribution networkThese functions of the movable transformer substation are supplied by the protection，monitor and diagnosis systemThe research

7、is based on the development of a DSP (DSPIC30F6015) set a variety of protection，monitoring and control，communications functions in one switch feed mine detection and protection systemsAre as follows:First introduced the movable transformer substations at home and abroad， the current situation and de

8、velopment trends，as well as the existing protection of movable transformer substations，analysis of research performance need to movable transformer substationsConsidering the deficiency and shortage and according to the new special requirements of the movable transformer substation，this paper develo

9、ps a multifunctional and high reliability protection，monitor and diagnosis system for the movable transformer substationMeasurement and control system for the technical requirements，and the second chapter focuses on an analysis of underground low-voltage power grids in a variety of failures that may

10、 occur，and for a variety of failure characteristics of the protection of the corresponding principleHardware design of the main circuit and device analysis，I take full advantage of multi-functional characteristics of DSP peripherals to simplify the systemModular software system for programming ideas

11、 has good flexibility and portabilityThe application of RS485 serial communication makes the remote control come true，which achieves network of the power supply under the coal mindThe double cpu structure ensure the accuracy and real time performance of the system on technique and speedKey words:coa

12、l mines，movable transformer substation，DSP，low voltage power network，the protection system目錄TOC o 1-3 h u HYPERLINK l _Toc12554 摘要 PAGEREF _Toc12554 I HYPERLINK l _Toc15031 ABSTRACT PAGEREF _Toc15031 II HYPERLINK l _Toc31167 1緒論 PAGEREF _Toc31167 1 HYPERLINK l _Toc16685 1.1 研究礦用隔爆型移動變電站低壓保護系統(tǒng)的目的和意義

13、PAGEREF _Toc16685 1 HYPERLINK l _Toc21316 1.2 國內(nèi)外礦用隔爆型移動變電站低壓保護系統(tǒng)的研究情況 PAGEREF _Toc21316 1 HYPERLINK l _Toc16905 1.2.1 國外研究情況 PAGEREF _Toc16905 1 HYPERLINK l _Toc11274 1.2.2 國內(nèi)研究情況 PAGEREF _Toc11274 2 HYPERLINK l _Toc6855 1.3 礦用隔爆型移動變電站存在的問題 PAGEREF _Toc6855 3 HYPERLINK l _Toc6466 1.4 礦用隔爆型移動變電站的基本要

14、求 PAGEREF _Toc6466 3 HYPERLINK l _Toc2798 1.5 本論文研究的主要內(nèi)容 PAGEREF _Toc2798 4 HYPERLINK l _Toc18184 2移動變電站變壓器勵磁涌流成因及解決方法 PAGEREF _Toc18184 5 HYPERLINK l _Toc5648 2.1 移動變電站的結構與作用 PAGEREF _Toc5648 5 HYPERLINK l _Toc15077 2.1.1 移動變電站結構 PAGEREF _Toc15077 5 HYPERLINK l _Toc718 2.1.2 移動變電站的作用 PAGEREF _Toc71

15、8 5 HYPERLINK l _Toc841 2.2 移動變電站勵磁涌流的成因分析 PAGEREF _Toc841 5 HYPERLINK l _Toc18144 2.3 勵磁涌流對移動變電站保護裝置的影響 PAGEREF _Toc18144 8 HYPERLINK l _Toc1008 2.4 勵磁涌流的抑制措施 PAGEREF _Toc1008 8 HYPERLINK l _Toc28785 2.4.1 影響變壓器勵磁涌流因素的分析 PAGEREF _Toc28785 8 HYPERLINK l _Toc20045 2.4.2 勵磁涌流的抑制措施 PAGEREF _Toc20045 9

16、HYPERLINK l _Toc24401 2.5 本章小結 PAGEREF _Toc24401 10 HYPERLINK l _Toc11886 3低壓電網(wǎng)故障保護原理 PAGEREF _Toc11886 12 HYPERLINK l _Toc29901 3.1 概述 PAGEREF _Toc29901 12 HYPERLINK l _Toc6143 3.2 漏電保護 PAGEREF _Toc6143 12 HYPERLINK l _Toc22315 3.2.1 漏電保護裝置的要求 PAGEREF _Toc22315 12 HYPERLINK l _Toc15438 3.2.2 漏電保護原理

17、分析 PAGEREF _Toc15438 12 HYPERLINK l _Toc3612 3.3 短路保護 PAGEREF _Toc3612 14 HYPERLINK l _Toc6527 3.3.1 短路故障 PAGEREF _Toc6527 14 HYPERLINK l _Toc10144 3.3.2 短路故障保護原理 PAGEREF _Toc10144 14 HYPERLINK l _Toc5201 3.4 過負荷保護 PAGEREF _Toc5201 20 HYPERLINK l _Toc20786 3.4.1 過負荷 PAGEREF _Toc20786 20 HYPERLINK l

18、_Toc31012 3.4.2 過負荷保護原理 PAGEREF _Toc31012 20 HYPERLINK l _Toc28474 3.5 過壓與欠壓保護 PAGEREF _Toc28474 20 HYPERLINK l _Toc26150 3.5.1 過壓保護 PAGEREF _Toc26150 20 HYPERLINK l _Toc19726 3.5.2 欠壓保護 PAGEREF _Toc19726 21 HYPERLINK l _Toc28610 4移動變電站保護測控裝置硬件系統(tǒng)與抗干擾措施 PAGEREF _Toc28610 22 HYPERLINK l _Toc4625 4.1 系

19、統(tǒng)功能簡介 PAGEREF _Toc4625 22 HYPERLINK l _Toc6611 4.2 系統(tǒng)硬件概述 PAGEREF _Toc6611 22 HYPERLINK l _Toc19631 4.2.1 模擬量輸入模塊 PAGEREF _Toc19631 23 HYPERLINK l _Toc21288 4.2.2 微處理器核心部件模塊 PAGEREF _Toc21288 24 HYPERLINK l _Toc10817 4.2.3 開關量輸出電路 PAGEREF _Toc10817 30 HYPERLINK l _Toc20054 4.3 硬件電路設計 PAGEREF _Toc200

20、54 30 HYPERLINK l _Toc27433 4.3.1 漏電閉鎖 PAGEREF _Toc27433 30 HYPERLINK l _Toc10733 4.3.2 短路保護的設計 PAGEREF _Toc10733 31 HYPERLINK l _Toc23707 4.3.3 過壓、欠壓保護 PAGEREF _Toc23707 37 HYPERLINK l _Toc11148 4.3.4 過載保護 PAGEREF _Toc11148 37 HYPERLINK l _Toc11767 4.3.5 跳閘電路 PAGEREF _Toc11767 37 HYPERLINK l _Toc11

21、373 4.4 聲光報警電路 PAGEREF _Toc11373 37 HYPERLINK l _Toc26011 4.5 硬件抗干擾措施 PAGEREF _Toc26011 38 HYPERLINK l _Toc2899 4.6 本章小結 PAGEREF _Toc2899 40 HYPERLINK l _Toc6547 5移動變電站保護測控裝置軟件設計 PAGEREF _Toc6547 41 HYPERLINK l _Toc22286 5.1 系統(tǒng)軟件構架介紹 PAGEREF _Toc22286 41 HYPERLINK l _Toc29338 5.2 系統(tǒng)軟件概述 PAGEREF _Toc

22、29338 41 HYPERLINK l _Toc15851 主程序 PAGEREF _Toc15851 41 HYPERLINK l _Toc29764 5.2.2 AD中斷程序 PAGEREF _Toc29764 43 HYPERLINK l _Toc29128 通訊程序 PAGEREF _Toc29128 44 HYPERLINK l _Toc6981 液晶驅(qū)動程序 PAGEREF _Toc6981 47 HYPERLINK l _Toc28067 5.3 本章小結 PAGEREF _Toc28067 48 HYPERLINK l _Toc11063 6結論 PAGEREF _Toc11

23、063 49 HYPERLINK l _Toc12516 6.1 結論 PAGEREF _Toc12516 49 HYPERLINK l _Toc3918 6.2 展望 PAGEREF _Toc3918 49 HYPERLINK l _Toc26033 參考文獻 PAGEREF _Toc26033 50 HYPERLINK l _Toc3538 致謝 PAGEREF _Toc3538 511緒論1.1 研究礦用隔爆型移動變電站低壓保護系統(tǒng)的目的和意義 當今，高產(chǎn)高效集體化生產(chǎn)，代表著世界煤炭生產(chǎn)的發(fā)展方向。隨著采煤機械單機容量的增大，工作面總裝機容量急劇增加，對供電設備的要求越來越高，而礦用隔

24、爆型移動變電站是高產(chǎn)高效綜合機械化采煤的主要供電設備。因此，要發(fā)展煤炭事業(yè)，滿足日益增長的能源需求，必須在發(fā)展煤炭開采綜合機械化的同時，加強移動變電站的研究和開發(fā)工作，以滿足煤炭開采業(yè)的發(fā)展需求。 隨著我國科學技術的快速發(fā)展，煤炭工業(yè)在生產(chǎn)能力和技術水平方面都有了長足的進步。但由于我國配套設備的發(fā)展相對滯后，致使所有電控設備全部依靠進口，這種設備盡管整體質(zhì)量高，但配件貴，供貨周期長，這種局面大大制約了煤炭工業(yè)的發(fā)展速度。煤礦企業(yè)為了降低成本，提高競爭能力，必須加強產(chǎn)品的高科技含量。因此，利用微機技術研究具有自主知識產(chǎn)權的智能型移動變電站保護測控系統(tǒng)，以提高它的穩(wěn)定性、可操作性、維護性和智能性，

25、實現(xiàn)變電站綜合自動化具有非常重要的現(xiàn)實意義。1.2 國內(nèi)外礦用隔爆型移動變電站低壓保護系統(tǒng)的研究情況1.2.1 國外研究情況國外移動變電站發(fā)展至今已有幾十年歷史了，根據(jù)其發(fā)展特點，總體來說經(jīng)歷三個階段：1）20世紀60年代的研究開發(fā)起步階段20世紀60年代初期，英國、西德、蘇聯(lián)等采煤大國，已經(jīng)開發(fā)并推廣采用了移動變電站。在這個時期，由于變壓器絕緣技術以及移動變電站開關技術都比較落后，變壓器的電壓等級與容量都比較小，開關分斷能力有限。1965年我國從英國引進的卻盤納采煤機組時，曾隨同引進了移動變電站，其容量為180kVA，電壓為660V，高壓側開關為高壓負荷開關，低壓側開關為空氣斷路器。 2）2

26、0世紀7080年代的發(fā)展階段20世紀7080年代，這個時期由于變壓器絕緣技術以及移動變電站開關技術都有了較大的發(fā)展，開始出現(xiàn)環(huán)氧樹脂絕緣材料，移動變電站電壓等級與容量開始增大，且開始采用SF6開關。這個時期，我國從西德、英國、日本、蘇聯(lián)、波蘭等國，引進了大批采煤機械設備，也同時引進了這些國家制造的移動變電站。其容量高達750kVA，二次電壓達12kV，高壓側開關已采用SF6斷路器。高壓側保護性能較完善，低壓側開關己采用真空斷路器，分斷能力和壽命更高了。 3）20世紀90年代以來的相對成熟階段 20世紀90年代以后，隨著變壓器絕緣技術的進一步發(fā)展，開始出現(xiàn)耐高溫的Nomex芳香聚酰胺(Arami

27、d)絕緣材料。移動變電站電壓等級與容量大大提高。這個時期的移動變電站主要呈現(xiàn)以下幾個方面的特點： （1）大容量。變壓器容量達幾千千伏安并有繼續(xù)上升的趨勢。 （2）高電壓。高壓側電壓達十千伏以上，低壓側可達五千伏。 （3）變壓器多繞組。多繞組可同時提供多種電壓，從而減少工作面移動變電站的數(shù)量，節(jié)省投資。 （4）低壓側開關多樣化、多路化。低壓側開關有SF6饋電開關，真空饋電開關，低壓保護箱，負荷開關等型式，開關能力顯著提高。 （5）微機監(jiān)控。移動變電站的高壓側開關，低壓側開關，均用微機進行監(jiān)測、控制、保護和通訊。實現(xiàn)保護、控制與監(jiān)控的一體化。 國內(nèi)研究情況 先進的煤炭生產(chǎn)工藝過程要靠先進的煤礦機械

28、裝備來實現(xiàn)。礦用隔爆型變壓器作為是涉及人身和設備安全的特種煤礦機械裝備，在國民經(jīng)濟中占有重要地位。因此，礦用隔爆變壓器的發(fā)展與進步與煤炭行業(yè)發(fā)展休戚相關。我國在20世紀70年代開始研制礦用變壓器，限于當時材料和技術的原因，生產(chǎn)廠家和產(chǎn)品很少。到了20世紀90年代中期以來，礦用變壓器逐漸快速發(fā)展，礦用變壓到了商業(yè)化生產(chǎn)的階段，但同樣受技術和材料的限制，國產(chǎn)隔爆型變壓器與國外相比體積大、成本高、性能差。到2000年，產(chǎn)品仍主要集中在電壓等級610kV，容量一般在25000kVA以下，我國煤礦的成套供電設備呈進口為主，國產(chǎn)為輔的局面。 2000年以來，政府加大了煤礦安全投入和技術改造力度，強化煤礦安

29、全基礎，提高煤礦安全生產(chǎn)保障能力。給礦用變壓器生產(chǎn)企業(yè)帶來了良好的發(fā)展契機。目前全國有礦用變壓器生產(chǎn)資質(zhì)的生產(chǎn)廠家約為50多家，但形成有一定規(guī)模的礦用隔爆變壓器廠不足20多家。企業(yè)的生產(chǎn)能力呈現(xiàn)金字塔型分布，第一類企業(yè)大中小型規(guī)格齊全，產(chǎn)品覆蓋全國主要產(chǎn)煤區(qū)，形成一定的生產(chǎn)能力和實力的廠家約占總數(shù)的10%，國內(nèi)知名業(yè)內(nèi)企業(yè)有中聯(lián)電氣、中電電氣、華星電氣、通化變壓器、撫順特變等為數(shù)不多的幾家；第二類企業(yè)以生產(chǎn)中小型容量產(chǎn)品為主，產(chǎn)品在區(qū)域市場具有一定競爭力，廠家約占總數(shù)的30%；第三類生產(chǎn)小型容量產(chǎn)品，廠家約占總數(shù)的60%。第二、三類企業(yè)的生產(chǎn)技術只相當于國際上20世紀90年代初期的水平。 目前

30、國內(nèi)中小容量市場競爭日趨激烈，行業(yè)集中度不高，而技術含量高的2500kVA4000kVA大容量變壓器市場，由于行業(yè)準入門檻較高，市場被中聯(lián)電氣、華星電氣等企業(yè)壟斷，基本將進口產(chǎn)品擠出了市場，競爭態(tài)勢相對緩和。特別是中聯(lián)電氣已成為了行業(yè)中發(fā)展最快，成長最好的企業(yè)，該企業(yè)是全行業(yè)中通過強制安標認證后，產(chǎn)品投入批量生產(chǎn)后型號最全，容量最大的企業(yè)。0507年同類產(chǎn)品在全國銷量第一，約占全國市場份額的18%。預計在2007年完成變壓器產(chǎn)量85萬kVA的基礎上，中聯(lián)電氣2008年有望達到100萬kV平，生產(chǎn)容量將會翻番。從目前市場及技術角度來看，中聯(lián)電氣的生產(chǎn)能力和技術裝備水平在國內(nèi)同行業(yè)中處于領先水平，

31、部分生產(chǎn)工藝已達到國際先進水平，2500kVA以上等級大容量產(chǎn)品，已占據(jù)60%左右的市場份額，處于行業(yè)領跑，技術絕對領先的地位。2006年江蘇中聯(lián)電氣率先成功地研制出了我國第一臺4000kV礦用隔爆型變壓器并已實現(xiàn)了批量生產(chǎn)，其運行指標與進口變壓器完全相當。該產(chǎn)品投產(chǎn)后減少了我國對大容量礦用變壓器進口的依賴度，降低了建設投資和生產(chǎn)成本，對促進煤炭待業(yè)發(fā)展起到重要的作用，行業(yè)龍頭老大的地位不可動揺。1.3 礦用隔爆型移動變電站存在的問題 移動變電站發(fā)展到今天，基本上已經(jīng)實現(xiàn)了微機化。然而，隨著煤炭綜合自動化程度的不斷提高以及移動變電站電壓等級和容量的不斷提升，傳統(tǒng)移動變電站的一些弊端逐漸顯露出來

32、。 （1）傳統(tǒng)移動變電站沒有解決變壓器勵磁涌流問題。當變壓器空載合閘時，會產(chǎn)生與變壓器電壓合閘初相角有關的勵磁涌流，勵磁涌流會引起移動變電站保護誤動作。早期的移動變電站電壓等級不高，因此勵磁涌流的影響表現(xiàn)并不明顯，但隨著移動變電站電壓等級的不斷提高，勵磁涌流己經(jīng)成為一個不可忽視的問題。 （2）傳統(tǒng)移動變電站微機保護主要采用傳統(tǒng)全波傅氏算法，傳統(tǒng)全波傅氏算法無法濾除衰減直流分量。而礦井底下條件非常惡劣，各種電動機啟動以及變壓器合閘時產(chǎn)生的涌流中都含有大量的衰減直流分量，導致測控裝置采集的電壓與電流量中含有較大成分直流衰減分量，采用傳統(tǒng)全波傅氏算法必然產(chǎn)生較大誤差。同樣，當變壓器電壓等級以及容量比

33、較小時，衰減直流分量含量也比較小，其作用并不明顯，但是隨著移動變電站電壓等級的提高，其影響己不可忽視。 （3）傳統(tǒng)移動變電站采用低跳高模式，即當?shù)蛪簜劝l(fā)生故障時，給高壓側一個饋電開關信號使高壓側跳閘。這種“一刀切”的方式存在嚴重的弊端，因為低壓側發(fā)生故障時，高壓側只獲得低壓側的一個開關量信號，沒有獲取低壓側的具體故障信息，低壓側出現(xiàn)誤判時將直接引起移動變電站誤動作。使移動變電站可靠性降低。 （4）傳統(tǒng)的移動變電站微機保護主要采用一個CPU結構，但隨著煤炭綜合自動化程度的不斷提高，移變智能保護測控裝置所需要的功能也越來越多，對速度的要求也越來越高。使用單個CPD結構無論是在資源上還是速度上已經(jīng)無

34、法滿足這種要求。1.4 礦用隔爆型移動變電站的基本要求 根據(jù)移動變電站在煤礦井下供電系統(tǒng)中的樞紐作用，參考煤礦安全規(guī)程，對移動變電站控制系統(tǒng)提出以下幾點要求: （1）可靠性。移變保護測控系統(tǒng)必須能準確地判斷故障類型，可靠地執(zhí)行相應的操作，并能在故障分閘后閉鎖，防止故障狀態(tài)下合閘。 （2）快速性。在保護范圍內(nèi)發(fā)生故障后，移變保護測控系統(tǒng)應快速反應。防止故障范圍擴大，降低電氣設備的損壞程度。 （3）靈敏度。測控系統(tǒng)應具有較強的反應故障的能力。即不論在保護的始端還是在保護范圍的末端發(fā)生故障，測控系統(tǒng)均應準確反應，后備保護范圍發(fā)生故障時，也應具有一定的反應能力。 （4）選擇性。保護動作應具有選擇性，即

35、有選擇地切除配電網(wǎng)中發(fā)生故障支路，保證非故障支路供電的連續(xù)性，盡量縮小中斷供電的范圍。 為了滿足保護測控裝置的可靠性與選擇性要求，保護測控裝置必須具備故障診斷功能，通過故障信息準確診斷系統(tǒng)的故障類型從而做出相應的措施，保證系統(tǒng)高度的可靠性與準確的選擇性。為了滿足系統(tǒng)的快速性與靈敏性要求，必須提高系統(tǒng)的運行速度，盡量減少數(shù)據(jù)處理時間延遲以及裝置動作時間延遲。結構上可以采用雙CPU結構以及多CPU結構。1.5 本論文研究的主要內(nèi)容 本文根據(jù)當今移動變電站的發(fā)展出現(xiàn)的新特點以及傳統(tǒng)的移動變電站存在的不足和缺點，在理論研究的基礎上，開發(fā)出一套高精度，高可靠性且多功能的移動變電站保護測控與診斷系統(tǒng)，滿足

36、當前煤炭工業(yè)的發(fā)展需求。本文內(nèi)容主要有以下幾個部分： （1）介紹了移動變電站的基本特點，分析了移動變電站空載合閘時產(chǎn)生勵磁涌流的原因及對移動變電站的影響，并提出了基于能耗比的變壓器勵磁涌流與故障電流的識別新判據(jù)，并對結果進行仿真以及實驗驗證。分析了影響勵磁涌流的兩個主要因素，并針對性的提出抑制勵磁涌流的措施。 （2）介紹了礦井內(nèi)移動變電站的分布及連接方式，分析了移動變電站低壓電網(wǎng)故障的特征，并針對性提出了各種措施。 （3）開發(fā)以數(shù)字信號處理為核心的測控系統(tǒng)，編制軟件并建立液晶顯示系統(tǒng)和通訊系統(tǒng)。 （4）介紹了移動變電站保護測控與診斷系統(tǒng)的硬件結構，并分析了各個模塊的功能以及設計要點，并提出針對

37、性抗干擾措施。 （5）介紹了移動變電站保護控制與診斷系統(tǒng)的軟件結構。 （6）對全文進行總結，并對后續(xù)研究工作提出展望。2移動變電站變壓器勵磁涌流成因及解決方法2.1 移動變電站的結構與作用 移動變電站結構 礦用隔爆型移動變電站（簡稱移動變電站）由移動變電站用礦用隔爆型高壓真空開關（簡稱高壓真空開關）、礦用隔爆型干式變壓器（簡稱干式變壓器）、礦用隔爆型低壓保護箱（簡稱低壓保護箱）組成。其配電方式是采用移動變電站供電負載，如發(fā)生短路、過載、欠壓及漏電等故障，通過低壓保護箱獲得信號反饋至高壓真空開關，驅(qū)動高壓側斷路器分閘。干式變壓器本身故障也可由高壓真空開關實施保護，不需切斷上一級配電裝置。移動變電

38、站高壓側可以顯示電流、電壓及功率等參數(shù)。由于采取斷高壓的方式，故電流比低壓小，克服了原移動變電站負責側故障只能由低壓饋電開關保護，高壓開關僅是一個隔離開關的弱點。 移動變電站的作用 移動變電站以其容量大、體積小、功能完善、安全可靠、運輸方便的特點，在國民經(jīng)濟特別是煤礦工業(yè)中越來越顯現(xiàn)出其強大的優(yōu)勢。移動式變電站在煤礦供電系統(tǒng)中主要應用有： （1）在突發(fā)自然災害或設備事故而需立即進行搶險救災供電的緊急狀態(tài)下，如系統(tǒng)無備用容量，可全部或部分替代某一常規(guī)變電站迅速投入供電。 （2）在采區(qū)供電中，采用移動式變電站，可以滿足重型機械化采煤機組大容量、高電壓供電要求，并能隨采掘工作面一起推進，能較好地解決

39、供電壓降過大或短路保護靈敏度不足的問題。 （3）在電力需求快速增長，供電距離相對較遠，超出預先電力建設的規(guī)劃，建立永久性變電所困難時，作為臨時變電站投入運行，以緩解電力供應緊張局面，如煤礦掘進延伸工程。 （4）在因資金短缺或由于其它原因某一區(qū)域永久變電站建設暫停，作為臨時性變電站投入運行。 （5）礦用移動式變電站不僅作為煤礦井下供電的設備，同樣可擴展到地面供電系統(tǒng)，井上井下可以通用，使設備綜合利用率進一步提高。同時可節(jié)省征地、土建及變電所設備安裝等方面投入，運營成本降低。2.2 移動變電站勵磁涌流的成因分析 變壓器是移動變電站中重要設備，其安全與可靠運行非常重要。變壓器在正常運行時，勵磁電流很

40、小，通常只有額定電流的3-8%，大型變壓器甚至不到1%。可是在空載合閘時，就會產(chǎn)生與變壓器合閘時電壓初相角以及變壓器特性有關的勵磁涌流。在最不利的情況下，勵磁涌流可以達到額定電流的幾倍。其最直接的影響就是導致變壓器保護裝置誤動作。早期的移動變電站由于容量與電壓等級不高，勵磁涌流造成的影響很小。但隨著現(xiàn)代煤炭工業(yè)的發(fā)展，綜合機械化程度不斷提高，所需要的移動變電站的容量與電壓等級越來越大。這種情況下，移動變電站勵磁涌流問題己經(jīng)不可忽視。下面分析單臺變壓器空載合閘時勵磁涌流形成原因。 單臺變壓器在空載合閘時，由于其磁鏈不能突變，如果在電壓非過零點合閘時，為了維持初始磁鏈不變，就會產(chǎn)生一個呈指數(shù)衰減的

41、磁通分量。由于該瞬態(tài)磁通分量衰減很慢，當與呈正弦變化的穩(wěn)態(tài)磁場疊加時，在最大的時候可以達到正常勵磁磁通的兩倍，導致變壓器鐵心迅速飽和，從而產(chǎn)生了遠大于正常勵磁電流的勵磁涌流。為了分析勵磁涌流產(chǎn)生的機理，首先對單臺變壓器進行分析。單臺變壓器的模型如圖2-1所示。圖2-1 單臺變壓器勵磁涌流分析等效模型根據(jù)圖2-1，建立電壓方程式如下 （2-1）式中：r為初級繞組的等效電阻；R為線路電阻；為初級繞組磁鏈；U為外施電壓的有效值；為外施電壓的初相角；i為勵磁電流的瞬時值?？紤]到變壓器的繞組電阻r及線路電阻R較小，故，可以取正常時的平均電感： （2-2） 作為整個瞬態(tài)過程的電感，即把電感視為常數(shù)。把式（

42、2-2）代入式（2-1）得： （2-3） 解上式微分方程得： （2-4） 由于，則： （2-5） 代入式（2-4）并根據(jù)初始值，式（2-4）可改寫為： （2-6） 由式（2-6）可知，磁通量由一個按指數(shù)衰減的瞬態(tài)分量與穩(wěn)態(tài)分量組成；現(xiàn)分析兩種極端情況： （1）當合閘初相角=00時，瞬態(tài)分量的幅值最大。在這種情況下合閘后半個周期，即t=/時，磁通瞬態(tài)分量與穩(wěn)態(tài)分量疊加可達到2，此時變壓器鐵心已經(jīng)嚴重飽和，相應的激磁電流急劇增大，可達到正常激磁電流的幾百倍，或者說可達到幾倍額定電流。 （2）如果初相角=900時，這種情況下，不含有瞬態(tài)磁通分量，這就避免了沖擊電流。由（2-6）式求得變壓器總磁通后，

43、為了近似求取勵磁涌流，把磁化曲線作折線處理，經(jīng)折線處理后勵磁涌流可用如下近似表達式： （2-7） 其中為變壓器飽和磁通，I為勵磁涌流。 圖2-2 變壓器勵磁涌流波形集合波形 由式（2-6）、（2-7）可根據(jù)圖解法畫出勵磁涌流波形如圖2-2所示。2.3 勵磁涌流對移動變電站保護裝置的影響 勵磁涌流由于持續(xù)的時間比較短，對變壓器本身影響不大，但由于其幅值比較大，對移變保護測控裝置卻有很大的影響，主要表現(xiàn)在以下幾個方面： （1）由于勵磁涌流幅值很大，可以達到額定電流的幾倍，當其超過移變保護測控裝置的短路故障整定值時將引起保護誤動作。 （2）勵磁涌流中含有很大的衰減直流分量，而移變保護測控裝置采用的全

44、波傅氏算法無法濾除衰直流分量，因而會使計算結果產(chǎn)生較大誤差。 （3）勵磁涌流會對與其串聯(lián)與并聯(lián)的相鄰移動變電站產(chǎn)生和應涌流，和應涌流也會使移變保護測控裝置誤判產(chǎn)生誤動作。 （4）變壓器勵磁涌流使相鄰變壓器產(chǎn)生和應涌流時，其上級移變輸出端電流為勵磁涌流與和應涌流的和電流，由于勵磁涌流與和應涌流極性相反，交替出現(xiàn)，因此使得前級電路的輸出端接近正弦波，基波幅值顯著增大，很容易使前級保護發(fā)生過流誤動作。 由于勵磁涌流很容易引起保護測控裝置發(fā)生誤動作，而礦用移動變電站對保護測控裝置的可靠性要求很高。因此，必須采用可靠的措施防止勵磁涌流引起保護誤動作。2.4 勵磁涌流的抑制措施 勵磁涌流除了使保護測控裝置

45、誤動作外，還會對移變變壓器產(chǎn)生很多不利的影響。如果是單臺變壓器運行時，由于勵磁涌流持續(xù)的時間極短，對變壓器本身造成影響不大。但如果是多臺變壓器串聯(lián)或并聯(lián)運行時，會在其相鄰的串聯(lián)或并聯(lián)變壓器上產(chǎn)生和應涌流。當和應涌流出現(xiàn)以后，會使勵磁涌流衰減速度大大降低，持續(xù)時間大大延長。這將對變壓器本身造成以下兩個方面的影響：首先，長時間的涌流作用會使變壓器銅耗迅速上升，遠遠大于正常時的銅耗。這將使變壓器繞組的溫度急劇上升，對變壓器的絕緣造成不利的影響。其次，勵磁涌流對變壓器線圈產(chǎn)生電磁力，由于電磁力的大小與電流的平方成正比，因此，當勵磁涌流出現(xiàn)以后，電磁力大大增大，遠遠超過正常值，容易使繞組受到損壞。因此，

46、必須采取適當措施抑制勵磁涌流，防止勵磁涌流對變壓器自身造成的損害。為了抑制勵磁涌流，必須首先分析影響變壓器勵磁涌流的因素。 影響變壓器勵磁涌流因素的分析 變壓器瞬態(tài)衰減磁通分量與變壓器串聯(lián)電阻密切相關，當線路沒有串聯(lián)電阻時，由于線路等效電阻遠小于變壓器等效阻抗，對變壓器的瞬態(tài)衰減磁通分量初值影響不大，此時變壓器串聯(lián)電阻主要影響變壓器衰減磁通分量的衰減速度。但當變壓器串聯(lián)電阻較大時，串聯(lián)電阻不僅影響衰減直流分量的衰減速度，還影響衰減磁通分量的初始值。 變壓器不同的串聯(lián)電阻對變壓器勵磁涌流具有抑制作用，主要表現(xiàn)兩個方面：（a）減小變壓器勵磁涌流的副值。但由于線路變壓器等小電抗的作用，削減副值的作用

47、并不是很明顯。（b）加快涌流的衰減速度。由(2-6)式可見，涌流的衰減速度主要是串聯(lián)電阻決定，電阻R對加快涌流衰減速度的作用明顯。 變壓器瞬態(tài)衰減磁通分量還跟變壓器合閘初相角密切相關，但合閘初相角主要是影響瞬態(tài)磁通的幅值，對瞬態(tài)磁通衰減速度無影響。變壓器合閘初相角為0度時勵磁涌流幅值很大，隨著合閘初相角的增大，勵磁涌流逐漸減小，當變壓器合閘初相角為90度時，勵磁涌流基本消失。另外隨著合閘初相角增大，勵磁涌流的衰減速度并沒有受到影響。 勵磁涌流的抑制措施 通過以上兩種情況分析可知，變壓器串聯(lián)電阻主要影響勵磁涌流的衰減速度，而變壓器合閘初相角主要影響勵磁涌流的幅值。為了抑制勵磁涌流，許多專家學者提

48、出了許多措施，綜合前人研究，本文根據(jù)以上兩個方面針對性的提出兩種行之有效且簡單可行的抑制勵磁涌流的措施。（1）為了加快勵磁涌流的衰減速度，當變壓器合閘時，在三相線路中各相串入適當?shù)拇?lián)電阻，在變壓器合閘完畢后從線路中切除串聯(lián)電阻。這種做法可以有效的抑制勵磁涌流，但遇到的難題是操作復雜，必須在三相電路中同時添加串聯(lián)電阻，且變壓器合閘完畢后也不容易從線路中切除。為了克服這個缺點，可以采用內(nèi)插電阻法，其原理如圖2-3所示。當變壓器合閘時，先斷開開關K，此時電阻R串入電路，由于電阻R接在中性線上，因此對三相可以同時起作用，避免各相都添加串聯(lián)電阻。當各相都合閘完畢后，閉合開關K，從而方便的切除電路電阻R

49、，由于中性點在正常情況下留過的電流很小，因此很容易實現(xiàn)開關的切換。圖2-3 利用串聯(lián)電阻抑制勵磁涌流的配置方案 （2）為了減少變壓器的勵磁涌流的增幅，必須采取適當?shù)拇胧﹣砜刂坪祥l初相角，在最理想的情況下，當變壓器合閘初相角為90度時勵磁涌流接近于零，這種情況下合閘最有利，因此可采用選相關合技術控制變壓器合閘初相角。選相關合技術是隨著開關技術的發(fā)展而提出的一種新型電力設備關合手段。由于變壓器的勵磁涌流的幅值與變壓器投入時系統(tǒng)電壓的相位有關，因此利用選相關合技術控制變壓器空載投入時刻，可有效地限制勵磁涌流。 值得一提的是，由于三相變壓器在三相相位并不一致，各相在相角上分別相差1200。因此，如果三

50、相同時合閘時，即使是在其中一相合閘初相角為900的時刻合閘，在另外兩相上的合閘初相角也不會為90。因此對于三相變壓器，無論在任何瞬間合閘，至少有兩相會出現(xiàn)不同程度的勵磁涌流。因此，在合閘時各相不能同時合閘，必須在時間上錯開，如圖2-4所示。由圖2-4中可以看出，A相先在最佳時間即在合閘角為90時合閘，此時A相繞組中產(chǎn)生的磁通較小，接近于零。BC兩相繞組中將產(chǎn)生感應磁通，也叫動態(tài)磁通，其幅值為磁通最大值的一半，相位超前A相1800。1/4工頻周期后，B，C兩相的預期磁通和A相在其內(nèi)的感應磁通均相等，則B，C兩相在此刻合閘將是一個最佳時間的合閘，這時，B，C兩相繞組內(nèi)的磁通都未達到飽和點，從而削減

51、了勵磁涌流。圖2- A相先合閘時，B、C兩相動態(tài)磁通變化2.5 本章小結本章主要介紹了移動變電站的結構和特點，重點分析了勵磁涌流形成的原因及對移動變電站保護測控裝置產(chǎn)生的影響，針對傳統(tǒng)識別勵磁涌流方法上存在的弊端，提出了基于能耗比的變壓器勵磁涌流與故障電流識別新判據(jù)。通過能耗比判據(jù)辨別故障電流和勵磁涌流的方法，原理簡單，便于實現(xiàn)，且適合于微機保護應用。該方法獨立于各次諧波分析，避免了傳統(tǒng)的利用二次諧波制動原理來識別故障電流和勵磁電流的方法因故障諧波干擾而導致故障動作延時；同時，無需考慮勵磁涌流的間斷角，從而避免了因互感器飽和等因素造成的間斷角缺失而產(chǎn)生誤動作。該方法巧妙地綜合利用了電壓和電流兩

52、個參數(shù)，同時采用高斯牛頓最小二乘法擬合勵磁涌流的方法，避免了傅立葉算法受頻率變化影響較大，造成頻譜泄露的不足。由于該算法只用到涌流產(chǎn)生時的第一個工頻周期，因此曲線擬合到第一個周期結束即可，提高了算法速度。由于三相電力變壓器的各相相似性，本方法完全可應用到三相變壓器中。同時，由于本章還分析了影響勵磁涌流的各種因素，并在分析的基礎上提出針對性的抑制勵磁涌流的措施。3低壓電網(wǎng)故障保護原理3.1 概述本文所設計的低壓饋電開關測控系統(tǒng)主要用于保護煤礦井下低壓電網(wǎng)。因此本章根據(jù)井下低壓電網(wǎng)的各種故障有針對性的闡述了各種故障所采取的保護原理，大致如下：（1）漏電保護：采用附加直流電源檢測原理，有漏電閉鎖和漏

53、電保護兩種功能；（2）對稱短路保護：采用相敏保護原理，在擴大保護范圍的同時又能提高保護的靈敏度；（3）不對稱故障保護：采用負序保護原理，可以處理不對稱短路和斷相等多種不對稱故障；（4）過載保護：采用鑒幅式方法，應用反時限動作原理，可靠地保證了電網(wǎng)的正常工作；（5）過壓、欠壓保護：采用鑒幅式原理，避免了電網(wǎng)長時間工作在不正常的電壓下。3.2 漏電保護 漏電保護裝置的要求據(jù)不完全統(tǒng)計，漏電事故占煤礦井下低壓電氣事故總數(shù)的70%以上。漏電事故不僅可以使電氣設備受到損傷，致使人身觸電傷亡，并會引燃煤礦瓦斯造成重大惡性事故。因此對于井下低壓電網(wǎng)必須裝設漏電保護裝置。為了防止漏電故障的發(fā)生，煤礦井下低壓電

54、網(wǎng)的漏電保護裝置應滿足如下要求：（1）具有漏電跳閘和漏電閉鎖雙重功能，并不間斷地監(jiān)視被保護電網(wǎng)的絕緣狀態(tài)；（2）當電網(wǎng)對地絕緣電阻降低到一定程度時，應及時動作，切斷供電電源；或者將電源開關閉鎖起來，防止合閘送電將事故擴大；（3）動作要迅速，一般應滿足30mAS的要求； （4）動作必須靈敏可靠，不能拒動，也不能誤動。 漏電保護原理分析從適用于井下低壓電網(wǎng)的漏電保護原理來看，主要有以下幾種：附加直流電源保護原理；零序功率方向原理；旁路接地保護原理。本論文漏電保護裝置采用附加直流保護。（1）饋電開關的漏電保護原理饋電開關的漏電保護裝置負責全電網(wǎng)的漏電保護和總漏電后備保護作用，可采取附加直流電源的漏電

55、保護原理，其原理如圖3-1所示。附加直流電源檢測通道為：直流電源正端Rs大地電網(wǎng)絕緣電阻三相電網(wǎng)三相電抗器直流電源負端。圖3-1 附加直流電源漏電保護原理C0，r各相對地電容、絕緣電阻 L三相電抗器 R限流電阻RS取樣電阻 C隔直電容 U外加直流電壓由于井下低壓饋電開關中皆不設零序電壓互感器，故圖3-2中增設了零序電壓取樣回路，便于分支開關中零序功率方向漏電保護原理的實現(xiàn)。其檢測電流I可由下式求得 （3-1）-接地電阻，-三相電網(wǎng)對地總絕緣電阻。 式中，僅r為變量，故檢測電流I直接反應了電網(wǎng)的絕緣情況。取樣電阻上的電壓Us可表示為 （3-2）三相電網(wǎng)對地的總絕緣電阻可由下式計算 （3-3）電網(wǎng)

56、正常運行時，根據(jù)式（3-3）可實現(xiàn)對電網(wǎng)絕緣電阻的連續(xù)檢測；當人身觸電或發(fā)生漏電故障，使r達到裝置動作設定值時，迅速將電源切除。另外，即使電網(wǎng)的絕緣電阻均勻下降，仍可將此故障檢測出來，這是附加直流電源漏電保護原理的一大優(yōu)點。下表是不同電壓等級下的漏電電阻整定值：利用附加直流電源原理實現(xiàn)的漏電保護對總自動饋電開關而言，已經(jīng)能滿足漏電保護的要求。表3-1 不同電壓等級下的漏電電阻整定值 電壓(V)電阻()1273806601140最低絕緣電阻值400070002200040000整定值(動作值)2000350011000200003.3 短路保護 短路故障短路是指供電系統(tǒng)中不等電位的導體在電氣上被

57、短接，在煤礦供電系統(tǒng)中，由于環(huán)境比較惡劣，設備易受潮，以及絕緣自然老化、機械損傷等原因，造成供電線路和設備的損壞，從而引起短路。短路故障是煤礦井下最常見的故障之一，直接影響著井下供電的安全性、可靠性和連續(xù)性。因此，煤礦安全規(guī)程要求在煤礦井下低壓電網(wǎng)中必須裝設過電流保護系統(tǒng)。電網(wǎng)短路故障包括：三相短路、兩相短路、兩相接地短路和單相接地短路等。三相短路是對稱性短路，其它是不對稱性短路。下面主要介紹電網(wǎng)發(fā)生短路故障時所采取保護措施的原理。 短路故障保護原理三相對稱短路故障發(fā)生時，短路電流非常大，電網(wǎng)對稱且功率因數(shù)比較高，為了兼顧保護范圍和靈敏度的要求，采用相敏保護原理。（1）相敏保護原理圖3-2 鑒

58、幅、鑒相保護特性圖3-2為一般相敏保護的保護特性。圖中，1為單獨鑒相式保護特性，2為單獨鑒幅式保護特性，顯然存在保護死區(qū)，3為鑒幅值和鑒相值相乘后所構成的保護特性，即: （3-4）由式(3-4)可知，只要選擇合適的常數(shù)c，其保護區(qū)較單獨鑒幅、鑒相的保護區(qū)大。為躲過大型電動機的起動電流，并能使保護在正常方式下，對在保護范圍內(nèi)發(fā)生對稱短路故障進行可靠動作，必須確定合理的保護動作區(qū)。圖3-3 短路點至電源的距離與短路電流、功率因數(shù)的關系曲線 圖3-3給出了典型煤礦供電系統(tǒng)短路電流、功率因數(shù)和短路點距電源距離之間的關系曲線，其中 （3-5）式中，短路電流 ；供電系統(tǒng)最大短路電流。圖3-4給出了鼠籠式異

59、步電動機起動電流與功率因數(shù)之間的關系曲線，其中 （3-6）式中IS起動電流；IN電動機的額定電流。 圖3-4 異步電動機起動電流與功率因數(shù)關系曲線將圖3-2、圖3-3、圖3-4畫于同一坐標下可得到短路電流、起動電流和功率因數(shù)之間的關系曲線，如圖3-5所示。圖3-5給出了典型煤礦供電系統(tǒng)短路電流、起動電流、功率因數(shù)和短路點距電源距離之間的關系曲線。其中，A為短路電流相對值與功率因數(shù)的關系曲線，B、C為不同起動電流相對值與功率因數(shù)的關系曲線，D為鑒幅、鑒相相乘的臨界動作曲線，E為時鑒幅、鑒相相加的臨界動作曲線，F(xiàn)為，時鑒幅、鑒相相加的臨界動作曲線。在圖3-5中，短路電流和起動電流相對值都是以供電系

60、統(tǒng)可能發(fā)生的最大短路電流為基準的。由此可見，傳統(tǒng)的鑒幅式短路保護要躲過起動電流，將使保護范圍大大縮小。例如，電流動作值取=025時，保護范圍小于500m。然而，對于單純鑒相式保護，若要保護線路全長，即動作整定值為，則電動機起動時可能產(chǎn)生誤動作。若要躲過起動電流，則保護距離較小范圍內(nèi)發(fā)生短路時將得不到保護。綜合考慮這兩個因數(shù)，則既能避免大型電動機起動時的誤動作，又能保護線路全長，曲線D是兩者相乘為一常數(shù)所確定的臨界動作曲線，即: （3-7） 可以看出，取不同的常數(shù)c，可得不同的臨界動作曲線，只要常數(shù)選擇合理就可以取得滿意的保護效果。圖3-5中的曲線D是在時得到的。然而從圖中也不難發(fā)現(xiàn)，動作界限的