張 杰

（山西焦煤西山煤電官地礦機電科三電辦， 山西 太原 030002）

引言

我國當前煤礦生產已經全部進入綜采時代，主要依靠采煤機、掘進機、刮板輸送機等大型機電設備完成生產任務，可想而知電能對煤炭工作面的重要性。礦用變壓器的主要功能是將電網所提供的高電壓根據工作面機電設備的電壓等級進行降壓操作。變壓器的穩(wěn)定運行是保證工作面大型機電設備穩(wěn)定運行的基礎。在實際生產中，為了保證變壓器的穩(wěn)定運行，確保其在運行中不出現(xiàn)故障和事故，常用繼電器保護裝置實現(xiàn)對變壓器的保護[1]。近年來，隨著工作面綜采設備生產能力的提升、功能的不斷豐富，傳統(tǒng)繼電器保護裝置已經無法適應當前綜采工作面機電設備的生產要求。因此，急需對礦用變壓器的繼電器保護裝置進行改造設計。

1 礦用變壓器保護系統(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裝置為研究對象。該變電站是供電電壓等級為6 kV。

官地礦所采用主變壓器的型號為SF7-20000/35，該變壓器所連接線路的總長度為6.6 km，擔負著礦井的供電任務。隨著官地礦綜采設備采煤能力、采煤技術以及采煤工藝的不斷進步，當前的繼電器保護裝置存在如下問題：

1）目前，與該主變壓器相配套的高壓柜采用過電流繼電器保護裝置，其能夠實現(xiàn)對高壓的速斷和過流保護。但是，在實際應用中發(fā)現(xiàn)繼電器保護裝置的耗能較大且控制精度較低，常出現(xiàn)機械部件卡死的現(xiàn)象，嚴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效率[2]。

2）繼電器保護裝置的接線過于復雜，而且大部分元器件長期暴露在外，在外界環(huán)境的風蝕、水分等影響下導致繼電器保護裝置的接觸點出現(xiàn)被氧化的現(xiàn)象進而出現(xiàn)接觸不良的事故發(fā)生，從而降低保護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，使得變壓器所需轉化電壓的等級更多，從而要求其保護裝置對電壓等級的分類越細?；诶^電器保護裝置無法對更多電壓的等級進行區(qū)分，往往導致實際應用中出現(xiàn)跳閘的事故發(fā)生。

4）隨著工作面供電情況復雜程度的不斷增加，傳統(tǒng)繼電器保護裝置的靈敏度和選擇性無法滿足實際生產需求，無法對其配套設備進行監(jiān)測。

綜上所述，繼電器保護裝置已經無法適應當前自動化水平高、產煤效率高、供電量和供電種類增加的現(xiàn)狀。在綜合分析當前工業(yè)生產中常用的保護裝置，官地礦擬采用微機式保護系統(tǒng)實現(xiàn)對繼電器保護裝置的改造。

2 礦用變壓器保護系統(tǒng)的改造設計

2.1 礦用變壓器保護系統(tǒng)的總體改造思路

為了確保對變壓器保護系統(tǒng)改造的有效性，要求微機保護系統(tǒng)除了滿足繼電器保護裝置的功能外，要求其能夠實現(xiàn)如下功能：瓦斯保護、電流速斷保護、縱聯(lián)差動保護、過電流保護、零序電流保護、過載保護、過勵磁保護以及非電量保護等[3]。將微機保護系統(tǒng)在主變壓器中的應用，實現(xiàn)對繼電器保護裝置的改造，主要從硬件和軟件兩個維度闡述。

2.2 微機保護系統(tǒng)的硬件設計

2.2.1 微機保護系統(tǒng)硬件的總體設計

微機保護系統(tǒng)各個模塊采用插件式結構組成為一體，在需求分析的基礎上設計如下頁圖1所示的微機保護系統(tǒng)硬件結構示意圖。

如圖1所示，微機保護系統(tǒng)采用雙CPU的結構形式，一套CPU系統(tǒng)為實現(xiàn)對變壓器的主保護和后備保護功能；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CPU能夠完成采樣模數(shù)轉換、數(shù)字濾波以及保護算法的實現(xiàn)等功能；監(jiān)控CPU主要實現(xiàn)上位機與下位機的通信（RS232和RS485）、人機界面的實現(xiàn)（液晶顯示器和鍵盤）等。

圖1 微機保護系統(tǒng)硬件結構示意圖

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 信號采集電路的設計

根據采樣原理，可將采樣所得信號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困難，更重要的是其無法實現(xiàn)對現(xiàn)場參數(shù)的實時采集；交流采樣具有較好的實時性且后期維護方便[4]。因此微機保護系統(tǒng)對現(xiàn)場信號采用交流采樣的方式完成，其對應的交流采樣電路設計如圖2所示。

圖2 交流采樣電路示意圖

2.2.3 開關量輸入輸出電路的設計

當變壓器在運行中出現(xiàn)故障時，需對現(xiàn)場設備進行控制，此時微機保護系統(tǒng)將以開關量的形式進行控制。但是，并不能夠直接將開關量信號與微機進行通信，中間還需經專用的電路轉換電路才行。為此，為微機保護系統(tǒng)與開關量的通信設計專用的轉換電路，該電路示意圖如圖3所示。

圖3 開關量轉換電路

2.3 微機保護系統(tǒng)的軟件設計

微機保護系統(tǒng)中含有雙CPU結構，包含有保護CPU和監(jiān)控CPU。因此，需為微機保護系統(tǒng)的保護和監(jiān)控功能的程序分別進行設計。

1）保護功能的主程序設計。微機保護系統(tǒng)中保護CPU根據主程序在固定采樣周期內進行模擬量的采集和濾波、開關控制量的采集以及設備的自檢等。通過對所采集信息和參數(shù)進行判斷后決定是否具備啟動條件，從而進入正常運行程序和故障計算程序。根據控制需求，完成對主程序流程的設計。

2）監(jiān)控功能的程序設計。微機保護系統(tǒng)中的監(jiān)控功能主要對數(shù)字控制器的運行狀態(tài)進行監(jiān)測和控制，基于該程序完成對測試結果進行分析，完成對數(shù)字控制器的參數(shù)設置、故障分析和定值操作等功能。而且，當監(jiān)測到數(shù)字控制運行出現(xiàn)故障時基于其中斷程序實現(xiàn)系統(tǒng)與DSP之間的通信[5]。

3 微機保護系統(tǒng)的應用效果分析

為驗證微機保護系統(tǒng)在礦用變壓器保護功能的性能，著重對保護系統(tǒng)中的速斷保護性能進行驗證。速度保護性能為當變壓器電流超過其整定值時，對其進行速斷操作。針對速斷性能驗證結果如表1所示。

表1 微機保護系統(tǒng)速斷保護性能驗證結果

如表1所示，微機保護系統(tǒng)速斷的實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，即證明所設計微機保護系統(tǒng)的有效性。

4 結語

變壓器作為煤礦生產的關鍵設備，其運行的穩(wěn)定性和可靠性直接決定著綜采機電設備運行的穩(wěn)定性，進而決定工作面煤炭的生產效率。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)的復雜性對其保護系統(tǒng)提出了更高的要求和挑戰(zhàn)。本文針對官地礦繼電器保護系統(tǒng)采用微機保護系統(tǒng)對其進行改造。經實踐表明，微機保護系統(tǒng)能夠實現(xiàn)對礦用變壓器的有效保護。