張 杰

（山西焦煤西山煤電官地礦機(jī)電科三電辦， 山西 太原 030002）

引言

我國(guó)當(dāng)前煤礦生產(chǎn)已經(jīng)全部進(jìn)入綜采時(shí)代，主要依靠采煤機(jī)、掘進(jìn)機(jī)、刮板輸送機(jī)等大型機(jī)電設(shè)備完成生產(chǎn)任務(wù)，可想而知電能對(duì)煤炭工作面的重要性。礦用變壓器的主要功能是將電網(wǎng)所提供的高電壓根據(jù)工作面機(jī)電設(shè)備的電壓等級(jí)進(jìn)行降壓操作。變壓器的穩(wěn)定運(yùn)行是保證工作面大型機(jī)電設(shè)備穩(wěn)定運(yùn)行的基礎(chǔ)。在實(shí)際生產(chǎn)中，為了保證變壓器的穩(wěn)定運(yùn)行，確保其在運(yùn)行中不出現(xiàn)故障和事故，常用繼電器保護(hù)裝置實(shí)現(xiàn)對(duì)變壓器的保護(hù)[1]。近年來(lái)，隨著工作面綜采設(shè)備生產(chǎn)能力的提升、功能的不斷豐富，傳統(tǒng)繼電器保護(hù)裝置已經(jīng)無(wú)法適應(yīng)當(dāng)前綜采工作面機(jī)電設(shè)備的生產(chǎn)要求。因此，急需對(duì)礦用變壓器的繼電器保護(hù)裝置進(jìn)行改造設(shè)計(jì)。

1 礦用變壓器保護(hù)系統(tǒng)現(xiàn)狀分析

本文以官地礦變電站所采用的主變繼電器保護(hù)裝置為研究對(duì)象。該變電站是供電電壓等級(jí)為6 kV。

官地礦所采用主變壓器的型號(hào)為SF7-20000/35，該變壓器所連接線路的總長(zhǎng)度為6.6 km，擔(dān)負(fù)著礦井的供電任務(wù)。隨著官地礦綜采設(shè)備采煤能力、采煤技術(shù)以及采煤工藝的不斷進(jìn)步，當(dāng)前的繼電器保護(hù)裝置存在如下問(wèn)題：

1）目前，與該主變壓器相配套的高壓柜采用過(guò)電流繼電器保護(hù)裝置，其能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)高壓的速斷和過(guò)流保護(hù)。但是，在實(shí)際應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)繼電器保護(hù)裝置的耗能較大且控制精度較低，常出現(xiàn)機(jī)械部件卡死的現(xiàn)象，嚴(yán)重威脅高壓柜的可靠性和穩(wěn)定性，從而降低了工作面的生產(chǎn)效率[2]。

2）繼電器保護(hù)裝置的接線過(guò)于復(fù)雜，而且大部分元器件長(zhǎng)期暴露在外，在外界環(huán)境的風(fēng)蝕、水分等影響下導(dǎo)致繼電器保護(hù)裝置的接觸點(diǎn)出現(xiàn)被氧化的現(xiàn)象進(jìn)而出現(xiàn)接觸不良的事故發(fā)生，從而降低保護(hù)裝置的靈敏度和可靠性。

3）隨著工作面用電量和用電種類的增加，使得變壓器所需轉(zhuǎn)化電壓的等級(jí)更多，從而要求其保護(hù)裝置對(duì)電壓等級(jí)的分類越細(xì)。基于繼電器保護(hù)裝置無(wú)法對(duì)更多電壓的等級(jí)進(jìn)行區(qū)分，往往導(dǎo)致實(shí)際應(yīng)用中出現(xiàn)跳閘的事故發(fā)生。

4）隨著工作面供電情況復(fù)雜程度的不斷增加，傳統(tǒng)繼電器保護(hù)裝置的靈敏度和選擇性無(wú)法滿足實(shí)際生產(chǎn)需求，無(wú)法對(duì)其配套設(shè)備進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

綜上所述，繼電器保護(hù)裝置已經(jīng)無(wú)法適應(yīng)當(dāng)前自動(dòng)化水平高、產(chǎn)煤效率高、供電量和供電種類增加的現(xiàn)狀。在綜合分析當(dāng)前工業(yè)生產(chǎn)中常用的保護(hù)裝置，官地礦擬采用微機(jī)式保護(hù)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)繼電器保護(hù)裝置的改造。

2 礦用變壓器保護(hù)系統(tǒng)的改造設(shè)計(jì)

2.1 礦用變壓器保護(hù)系統(tǒng)的總體改造思路

為了確保對(duì)變壓器保護(hù)系統(tǒng)改造的有效性，要求微機(jī)保護(hù)系統(tǒng)除了滿足繼電器保護(hù)裝置的功能外，要求其能夠?qū)崿F(xiàn)如下功能：瓦斯保護(hù)、電流速斷保護(hù)、縱聯(lián)差動(dòng)保護(hù)、過(guò)電流保護(hù)、零序電流保護(hù)、過(guò)載保護(hù)、過(guò)勵(lì)磁保護(hù)以及非電量保護(hù)等[3]。將微機(jī)保護(hù)系統(tǒng)在主變壓器中的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)對(duì)繼電器保護(hù)裝置的改造，主要從硬件和軟件兩個(gè)維度闡述。

2.2 微機(jī)保護(hù)系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

2.2.1 微機(jī)保護(hù)系統(tǒng)硬件的總體設(shè)計(jì)

微機(jī)保護(hù)系統(tǒng)各個(gè)模塊采用插件式結(jié)構(gòu)組成為一體，在需求分析的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)如下頁(yè)圖1所示的微機(jī)保護(hù)系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)示意圖。

如圖1所示，微機(jī)保護(hù)系統(tǒng)采用雙CPU的結(jié)構(gòu)形式，一套CPU系統(tǒng)為實(shí)現(xiàn)對(duì)變壓器的主保護(hù)和后備保護(hù)功能；另一套CPU主要功能為監(jiān)控，且兩套CPU的處理器均為DSP數(shù)字處理器。其中，保護(hù)CPU能夠完成采樣模數(shù)轉(zhuǎn)換、數(shù)字濾波以及保護(hù)算法的實(shí)現(xiàn)等功能；監(jiān)控CPU主要實(shí)現(xiàn)上位機(jī)與下位機(jī)的通信（RS232和RS485）、人機(jī)界面的實(shí)現(xiàn)（液晶顯示器和鍵盤）等。

圖1 微機(jī)保護(hù)系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)示意圖

雙CPU系統(tǒng)所采用DSP數(shù)字控制器的芯片類型為TMS320LF2407。

2.2.2 信號(hào)采集電路的設(shè)計(jì)

根據(jù)采樣原理，可將采樣所得信號(hào)的類型分為直流采樣和交流采樣。其中，直流采樣的成本較大且后期維護(hù)困難，更重要的是其無(wú)法實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)參數(shù)的實(shí)時(shí)采集；交流采樣具有較好的實(shí)時(shí)性且后期維護(hù)方便[4]。因此微機(jī)保護(hù)系統(tǒng)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)采用交流采樣的方式完成，其對(duì)應(yīng)的交流采樣電路設(shè)計(jì)如圖2所示。

圖2 交流采樣電路示意圖

2.2.3 開關(guān)量輸入輸出電路的設(shè)計(jì)

當(dāng)變壓器在運(yùn)行中出現(xiàn)故障時(shí)，需對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備進(jìn)行控制，此時(shí)微機(jī)保護(hù)系統(tǒng)將以開關(guān)量的形式進(jìn)行控制。但是，并不能夠直接將開關(guān)量信號(hào)與微機(jī)進(jìn)行通信，中間還需經(jīng)專用的電路轉(zhuǎn)換電路才行。為此，為微機(jī)保護(hù)系統(tǒng)與開關(guān)量的通信設(shè)計(jì)專用的轉(zhuǎn)換電路，該電路示意圖如圖3所示。

圖3 開關(guān)量轉(zhuǎn)換電路

2.3 微機(jī)保護(hù)系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

微機(jī)保護(hù)系統(tǒng)中含有雙CPU結(jié)構(gòu)，包含有保護(hù)CPU和監(jiān)控CPU。因此，需為微機(jī)保護(hù)系統(tǒng)的保護(hù)和監(jiān)控功能的程序分別進(jìn)行設(shè)計(jì)。

1）保護(hù)功能的主程序設(shè)計(jì)。微機(jī)保護(hù)系統(tǒng)中保護(hù)CPU根據(jù)主程序在固定采樣周期內(nèi)進(jìn)行模擬量的采集和濾波、開關(guān)控制量的采集以及設(shè)備的自檢等。通過(guò)對(duì)所采集信息和參數(shù)進(jìn)行判斷后決定是否具備啟動(dòng)條件，從而進(jìn)入正常運(yùn)行程序和故障計(jì)算程序。根據(jù)控制需求，完成對(duì)主程序流程的設(shè)計(jì)。

2）監(jiān)控功能的程序設(shè)計(jì)。微機(jī)保護(hù)系統(tǒng)中的監(jiān)控功能主要對(duì)數(shù)字控制器的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)和控制，基于該程序完成對(duì)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行分析，完成對(duì)數(shù)字控制器的參數(shù)設(shè)置、故障分析和定值操作等功能。而且，當(dāng)監(jiān)測(cè)到數(shù)字控制運(yùn)行出現(xiàn)故障時(shí)基于其中斷程序?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)與DSP之間的通信[5]。

3 微機(jī)保護(hù)系統(tǒng)的應(yīng)用效果分析

為驗(yàn)證微機(jī)保護(hù)系統(tǒng)在礦用變壓器保護(hù)功能的性能，著重對(duì)保護(hù)系統(tǒng)中的速斷保護(hù)性能進(jìn)行驗(yàn)證。速度保護(hù)性能為當(dāng)變壓器電流超過(guò)其整定值時(shí)，對(duì)其進(jìn)行速斷操作。針對(duì)速斷性能驗(yàn)證結(jié)果如表1所示。

表1 微機(jī)保護(hù)系統(tǒng)速斷保護(hù)性能驗(yàn)證結(jié)果

如表1所示，微機(jī)保護(hù)系統(tǒng)速斷的實(shí)際電流值與整定電流值之間的誤差均小于3%，滿足《煤炭安全規(guī)程》的要求，即證明所設(shè)計(jì)微機(jī)保護(hù)系統(tǒng)的有效性。

4 結(jié)語(yǔ)

變壓器作為煤礦生產(chǎn)的關(guān)鍵設(shè)備，其運(yùn)行的穩(wěn)定性和可靠性直接決定著綜采機(jī)電設(shè)備運(yùn)行的穩(wěn)定性，進(jìn)而決定工作面煤炭的生產(chǎn)效率。隨著工作面供電量以及供電電壓種類的增加，加之其供電系統(tǒng)的復(fù)雜性對(duì)其保護(hù)系統(tǒng)提出了更高的要求和挑戰(zhàn)。本文針對(duì)官地礦繼電器保護(hù)系統(tǒng)采用微機(jī)保護(hù)系統(tǒng)對(duì)其進(jìn)行改造。經(jīng)實(shí)踐表明，微機(jī)保護(hù)系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)礦用變壓器的有效保護(hù)。