趙寧寧

（大同煤礦集團(tuán)有限責(zé)任公司晉華宮礦，山西大同 037016）

0 引言

在煤礦生產(chǎn)過程中，輸電線路有著不可替代的作用[1-2]。隨著煤礦的開采，輸電線路的量和復(fù)雜程度越來越大，供電線路的安全保護(hù)問題也越發(fā)突出[3-4]。一旦電力線路存在安全隱患，將給井下安全生產(chǎn)帶來極大的事故?，F(xiàn)有的線路保護(hù)裝置是基于對(duì)線路的離線檢測(cè)并給予的保護(hù)措施，由于故障發(fā)生是瞬時(shí)性的，離線監(jiān)測(cè)與保護(hù)極易帶來安全隱患[5-7]。為此，本文設(shè)計(jì)了一套以DSP高速處理器為核心的實(shí)時(shí)保護(hù)裝置系統(tǒng)，通過對(duì)電力線路的運(yùn)行狀態(tài)實(shí)時(shí)采集，給予正確的保護(hù)措施，從而實(shí)現(xiàn)煤礦供電線路的安全[8]。

1 煤礦供電系統(tǒng)線路保護(hù)特征

1.1 電力線路故障檢測(cè)特征參量

（1）絕緣電阻

絕緣電阻大小能夠反映出電力線路如絕緣水平高低、絕緣老化程度、外層是否受損等絕緣狀態(tài)特性，因此，為保證井下安全供電，其絕緣電阻值必須高于一定設(shè)定值。根據(jù)歐姆定律可知，絕緣電阻大小與泄漏電流成反比，可以通過實(shí)時(shí)檢測(cè)泄漏電流的大小對(duì)電阻值進(jìn)行監(jiān)測(cè)。當(dāng)電纜發(fā)生受損受潮等不正常情況時(shí)，絕緣電阻值便會(huì)降低，導(dǎo)致泄漏電流急劇增加。根據(jù)現(xiàn)有文獻(xiàn)和井下實(shí)際對(duì)電力線路監(jiān)測(cè)的經(jīng)驗(yàn)，對(duì)于10 kV電纜來說，當(dāng)絕緣電阻值超過1 000 MΩ時(shí)，表示絕緣情況良好，可以繼續(xù)使用供電線路；當(dāng)絕緣電阻值處于100～1 000 MΩ時(shí)，表示電力線路出現(xiàn)了一定程度的微弱損傷，可以短時(shí)間運(yùn)行；當(dāng)絕緣電阻值低于100 MΩ時(shí)，說明電力線路受損嚴(yán)重，必須停止供電且應(yīng)立即進(jìn)行更換。

（2）局部放電

電纜在實(shí)際井下運(yùn)行過程中，受強(qiáng)電場(chǎng)、高磁場(chǎng)與外界應(yīng)力的影響，導(dǎo)致絕緣層局部損傷，在強(qiáng)電場(chǎng)和高磁場(chǎng)作用下便會(huì)出現(xiàn)局部放電現(xiàn)象，根據(jù)其放電位置不同可將其分為表面放電、空穴放電和點(diǎn)暈放電。局部放電過程伴隨擊穿與熄滅現(xiàn)象的反復(fù)出現(xiàn)，若任其發(fā)展便會(huì)嚴(yán)重?fù)舸┙^緣層。因局部放電前后電力線路的絕緣電阻值和泄漏電流值都不會(huì)發(fā)生顯著變化，所以對(duì)局部放電的監(jiān)測(cè)是根據(jù)電氣和非電氣等狀態(tài)量。其中，電氣的監(jiān)測(cè)量有絕緣介質(zhì)的損耗角正切值的變化、電脈沖以及電磁輻射等；非電氣的監(jiān)測(cè)量有化學(xué)變化和物理變化?？梢约僭O(shè)，當(dāng)絕緣內(nèi)部A點(diǎn)出現(xiàn)一個(gè)氣泡，CA、CB、CC分別為氣隙的電容、完好部分介質(zhì)電容、與氣隙串聯(lián)介質(zhì)的電容，當(dāng)u=Umsinωt的電壓時(shí)，其線路系統(tǒng)的電容值與電壓分別為：

由式可知，若電壓uA達(dá)到氣隙的放電電壓臨界值uS時(shí)，此時(shí)A處便會(huì)發(fā)生放電；當(dāng)電壓uA從放電電壓uS降低后，放電火花便熄滅，完成一次放電過程。若此時(shí)外加電源電壓升高，A的電容便再次完成一次充電過程，使得該處的電壓值升高，達(dá)到放電電壓臨界值uS時(shí)，便又會(huì)進(jìn)行放電，如此反復(fù)，會(huì)對(duì)電力線路造成嚴(yán)重?fù)p傷。

1.2 電力線路狀態(tài)監(jiān)測(cè)方法

（1）絕緣狀態(tài)監(jiān)測(cè)

對(duì)電力線路絕緣電阻的測(cè)量采用直流疊加法。圖1所示為直流疊加法實(shí)時(shí)檢測(cè)原理圖，該原理是利用對(duì)電流源的疊加計(jì)算電阻值。根據(jù)原理圖可將檢測(cè)分為兩部分：一是接地電壓互感器中性點(diǎn)處附加一個(gè)電源；二是在電纜接地的附近串聯(lián)一個(gè)電阻，通過形成回路，便可實(shí)時(shí)計(jì)算監(jiān)測(cè)電阻中流過的電流以及兩端電壓值，從而計(jì)算出絕緣電阻值。

圖1 直流疊加測(cè)電阻原理圖

（2）接地電流狀態(tài)監(jiān)測(cè)

井下電力線路不論是在正常狀態(tài)還是非正常狀態(tài)運(yùn)行時(shí)，其絕緣層的接地線都會(huì)有微弱的電流信號(hào)，使用一段時(shí)間后該電流信號(hào)會(huì)發(fā)生顯著變化。例如，當(dāng)電力線路中的絕緣層有水樹枝化或者電樹枝化時(shí)，意味著介質(zhì)損耗角的正切值和電容值都變大，該變化將會(huì)使接地電流發(fā)生變化，因此可以根據(jù)接地電流的變化反映電纜絕緣水平的高低，即以此為依據(jù)評(píng)估絕緣性老化的參考標(biāo)準(zhǔn)。在實(shí)際運(yùn)行中，通常利用電流傳感器將檢測(cè)的接地電流轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，并對(duì)該信號(hào)進(jìn)行調(diào)理、濾波與A/D轉(zhuǎn)化后，將結(jié)果送至中央處理器進(jìn)行邏輯識(shí)別，從而完成對(duì)電力線路的絕緣實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。需注意的是，該方法極易受到井下實(shí)際環(huán)境中各種信號(hào)的干擾，需要利用高精度的傳感器以及信號(hào)數(shù)據(jù)傳輸分析技術(shù)進(jìn)行檢測(cè)。

2 保護(hù)裝置系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)總設(shè)計(jì)

保護(hù)控制裝置系統(tǒng)的硬件系統(tǒng)主要由高速數(shù)據(jù)采集單元、中央數(shù)字處理器、信號(hào)調(diào)理電路單元、邏輯控制單元、通信單元、時(shí)鐘與電源模塊、顯示單元以及保護(hù)控制裝置等組成。其中，高速數(shù)據(jù)采集單元主要用來對(duì)電力線路的數(shù)字和模擬信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)采樣和存儲(chǔ)，并將所采集的數(shù)據(jù)經(jīng)過調(diào)理單元后送入中央處理器進(jìn)行計(jì)算與處理。系統(tǒng)中的信號(hào)調(diào)理電路主要完成強(qiáng)弱信號(hào)的轉(zhuǎn)化與篩選，并將其調(diào)整至輸入端口所需要求。中央處理器單元的高速計(jì)算能力則對(duì)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析判別處理，主要完成小波變換、故障監(jiān)測(cè)、保護(hù)控制功能。圖2所示為系統(tǒng)硬件總體設(shè)計(jì)圖。

圖2 系統(tǒng)硬件總體設(shè)計(jì)圖

2.2 中央處理器選型

為完成對(duì)井下線路保護(hù)裝置的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與保護(hù)控制，考慮井下所需采集的信息與數(shù)據(jù)處理量，該保護(hù)系統(tǒng)采用DSP芯片的TMS320系列作為中央微處理單元，其芯片具有快速的數(shù)字信號(hào)處理能力、完整的總線結(jié)構(gòu)以及便利的操作指令，即方便井下保護(hù)裝置軟件系統(tǒng)編譯，也便于以后系統(tǒng)的維護(hù)和擴(kuò)展開發(fā)。該系統(tǒng)采用的TMS320C55x是德州儀器公司推出的新一代低功耗高性能位定點(diǎn)數(shù)字信號(hào)處理器，相比C54x、C55x，既增加了總線寬度使得指令集獲取存儲(chǔ)位數(shù)升高至32位，又在結(jié)構(gòu)上進(jìn)行優(yōu)化，使其對(duì)數(shù)據(jù)吞吐率和功耗有了進(jìn)一步降低。C55x的總線增加了一條讀操作線和一條寫操作線，累加器和臨時(shí)寄存器都增加至4個(gè)，增加了1個(gè)16bit的ALU。

3 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

保護(hù)系統(tǒng)軟件程序設(shè)計(jì)采用分層化和模塊化方式進(jìn)行，通過主程序?qū)ψ映绦虻恼{(diào)用實(shí)現(xiàn)。圖3所示為系統(tǒng)的主程序流程圖，開始后會(huì)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行初始化，然后進(jìn)行系統(tǒng)自檢判別是否存在故障。當(dāng)判別存在故障后進(jìn)入報(bào)警和故障處理程序，若系統(tǒng)無問題則中斷便會(huì)打開，系統(tǒng)便根據(jù)采集的信息對(duì)電力系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。通過不斷對(duì)特征量的處理與其子程序的調(diào)用，進(jìn)一步判別電力線路的運(yùn)行狀態(tài)，若有故障則會(huì)對(duì)保護(hù)子程序進(jìn)行調(diào)用處理。

圖3 系統(tǒng)主程序

4 結(jié)束語

本文對(duì)電力線路常見故障檢測(cè)特征參量和對(duì)電力線路狀態(tài)監(jiān)測(cè)方法進(jìn)行分析，設(shè)計(jì)了一套適用于井下供電線路的保護(hù)系統(tǒng)裝置。該裝置通過高精度的數(shù)據(jù)采集單元對(duì)電力線路的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，并通過中央處理單元進(jìn)行高速計(jì)算完成給與電力電路適當(dāng)?shù)谋Ｗo(hù)控制。該保護(hù)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了煤礦運(yùn)行穩(wěn)定，極大滿足了煤礦安全供電發(fā)展的要求。