李 鵬

（山西潞安配售電有限公司， 山西 襄垣 046200）

引言

供電系統(tǒng)是煤礦生產(chǎn)的動(dòng)力源，采煤機(jī)、刮板輸送機(jī)、液壓支架等大型設(shè)備均由電力驅(qū)動(dòng)。礦用變壓器作為煤礦供電系統(tǒng)的重要組成部分，其是否能夠穩(wěn)定運(yùn)行直接關(guān)系著供電系統(tǒng)的穩(wěn)定性，也決定著綜采設(shè)備是否能夠穩(wěn)定、安全地運(yùn)行。在實(shí)際生產(chǎn)中，需根據(jù)變壓器的容量等相關(guān)性能設(shè)計(jì)變壓器繼電保護(hù)裝置。目前，變壓器繼電保護(hù)裝置在實(shí)際應(yīng)用中受到其他元器件的干擾，導(dǎo)致其內(nèi)部電流不平衡，影響了繼電保護(hù)裝置正常功能的發(fā)揮[1]。因此，本文重點(diǎn)對(duì)礦用變壓器繼電保護(hù)裝置進(jìn)行硬件改造，并對(duì)改造后裝置的性能開展動(dòng)態(tài)性能試驗(yàn)。

1 礦用變壓器繼電保護(hù)裝置硬件改造的總體設(shè)計(jì)

針對(duì)傳統(tǒng)變壓器繼電保護(hù)裝置存在電流不平衡的問題，本文將基于DSP 為核心實(shí)現(xiàn)對(duì)礦用變壓器的微機(jī)保護(hù)。目前，工業(yè)中常應(yīng)用的微機(jī)保護(hù)裝置硬件普遍采用插件式結(jié)構(gòu)，基于該種結(jié)構(gòu)可將礦用變壓器分為多個(gè)功能模塊，包括有雙CPU 模塊、輸入/輸出模塊、信號(hào)采集輸入模塊、人機(jī)接口模塊以及通信模塊等。礦用變壓器微機(jī)保護(hù)裝置的基本硬件結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

如圖1 所示，變壓器微機(jī)保護(hù)裝置由雙CPU 結(jié)構(gòu)為核心實(shí)現(xiàn)對(duì)變壓器的保護(hù)，一個(gè)CPU 承擔(dān)保護(hù)功能，具體對(duì)變壓器實(shí)現(xiàn)主保護(hù)和后備保護(hù)，另一個(gè)CPU 承擔(dān)監(jiān)控功能。其中，保護(hù)CPU 以DSP 處理器為核心實(shí)現(xiàn)對(duì)所采集信號(hào)的模數(shù)轉(zhuǎn)換、濾波處理以及通過保護(hù)算法實(shí)現(xiàn)對(duì)變壓器的保護(hù)。監(jiān)控CPU 以另一塊DSP 處理器為核心完成人機(jī)交互功能、通信功能以及保護(hù)啟動(dòng)功能的實(shí)現(xiàn)[2]。結(jié)合當(dāng)前工業(yè)中DSP 處理器的應(yīng)用類型，本工程選用的兩塊處理器型號(hào)為TMS320LF2407A，設(shè)計(jì)繼電保護(hù)裝置，實(shí)現(xiàn)對(duì)礦用變壓器的保護(hù)。

圖1 變壓器微機(jī)保護(hù)裝置硬件結(jié)構(gòu)框圖

2 變壓器微機(jī)保護(hù)裝置的硬件改造

2.1 變壓器微機(jī)保護(hù)裝置的硬件改造設(shè)計(jì)

針對(duì)變壓器微機(jī)保護(hù)裝置的硬件部分，重點(diǎn)完成信號(hào)采集電路、輸入/輸出電路、外設(shè)電路等硬件的設(shè)計(jì)。

2.1.1 信號(hào)采集轉(zhuǎn)換電路的設(shè)計(jì)

目前，可應(yīng)用的信號(hào)采集轉(zhuǎn)換電路方式分為直流采樣和交流采樣。其中，直流采樣電路具有算法簡(jiǎn)單且便于濾波的優(yōu)勢(shì)，但是該種采樣電路成本較大，適用性并不強(qiáng)。而交流采樣電路具有較好的實(shí)時(shí)性、數(shù)據(jù)相位失真少且便于維護(hù)[3]。因此，本工程采用交流采樣電路對(duì)信號(hào)進(jìn)行采集。交流采集轉(zhuǎn)換電路如圖2所示。

圖2 交流采集轉(zhuǎn)換電路圖

以圖2 所示的交流采集轉(zhuǎn)換電路為基礎(chǔ)，配置10 bit ADC 模塊，其中包含有16 個(gè)模擬輸入通道，并可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)排序功能。

2.1.2 輸入/輸出電路的設(shè)計(jì)

針對(duì)微機(jī)保護(hù)裝置控制信號(hào)的特殊性，必須將開關(guān)量信號(hào)轉(zhuǎn)換為微機(jī)可接收/發(fā)送的電平信號(hào)后才能夠傳輸。因此，需要為變壓器繼電保護(hù)裝置設(shè)計(jì)專用開關(guān)量輸入電路和開關(guān)量輸出電路，如圖3 所示。

圖3 開關(guān)量輸入/輸出電路

針對(duì)開關(guān)量輸入電路，采用型號(hào)為DLP521-1 的光耦電路，提高了整個(gè)回路的抗干擾能力。針對(duì)開關(guān)量輸出電路，采用型號(hào)為TLP521-1 的光耦隔離放大電路，能夠?qū)⑽C(jī)保護(hù)裝置的電源與數(shù)字系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)相互隔離，解決了電源對(duì)數(shù)字系統(tǒng)造成的干擾，解決了保護(hù)裝置中電流不平衡的問題[4]。通過開關(guān)量輸出電路，能夠根據(jù)工況實(shí)現(xiàn)跳閘、合閘、驅(qū)動(dòng)繼電器動(dòng)作，并發(fā)出聲光報(bào)警。

2.2 微機(jī)保護(hù)裝置抗干擾設(shè)計(jì)

為進(jìn)一步提升礦用變壓器微機(jī)保護(hù)裝置的抗干擾能力，有效避免因不穩(wěn)定電流存在而導(dǎo)致的保護(hù)裝置誤動(dòng)作和延遲動(dòng)作，在完成保護(hù)裝置基本功能設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，還需強(qiáng)化抗干擾設(shè)計(jì)。結(jié)合設(shè)計(jì)和實(shí)踐生產(chǎn)的經(jīng)驗(yàn)，針對(duì)保護(hù)裝置硬件抗干擾設(shè)計(jì)采取如下措施：

1）為變壓器保護(hù)裝置的電源增加一個(gè)匹配的電源濾波器，抑制電磁干擾對(duì)系統(tǒng)回路的耦合路徑。

2）鑒于傳統(tǒng)管腳接地布線的連續(xù)性較差，為了減少實(shí)際裝配時(shí)的過孔數(shù)目，本工程采用貼片封裝的方式對(duì)DSP 等元件進(jìn)行封裝。

3）結(jié)合微機(jī)保護(hù)裝置的特點(diǎn)，將保護(hù)裝置的機(jī)殼、電源的共模濾波器通過靜電屏蔽層實(shí)現(xiàn)與大地的連接，保證接地電阻小于10 Ω。

此外，在上述基礎(chǔ)抗干擾措施之外，還存在少量干擾信號(hào)耦合進(jìn)入微機(jī)保護(hù)裝置的可能性。因此，為了進(jìn)一步提升微機(jī)保護(hù)裝置的抗干擾能力，還需對(duì)保護(hù)裝置的相關(guān)硬件和插件進(jìn)行合理分配和布置。具體措施為：將變壓器保護(hù)裝置的核心部分包括CPU、ROM、RAM以及A/D 轉(zhuǎn)換器等放入屏蔽箱內(nèi)，實(shí)現(xiàn)干擾源與薄弱環(huán)節(jié)之間的空間隔離[5]。

3 變壓器保護(hù)裝置的動(dòng)態(tài)試驗(yàn)分析

為驗(yàn)證所設(shè)計(jì)的變壓器微機(jī)保護(hù)裝置的動(dòng)態(tài)性能，基于MATLAB 建立變壓器的故障模型，并將模型應(yīng)用于保護(hù)裝置中，重點(diǎn)對(duì)保護(hù)裝置的電流速斷保護(hù)功能的性能進(jìn)行試驗(yàn)。本文所設(shè)計(jì)的保護(hù)裝置針對(duì)電流速度保護(hù)包含有三個(gè)動(dòng)作時(shí)間，分別為電流速斷保護(hù)時(shí)間為0.1 s，電流反時(shí)限速斷保護(hù)時(shí)間為0.8 s，定時(shí)限速斷保護(hù)時(shí)間為4.2 s。同時(shí)，所設(shè)計(jì)的繼電保護(hù)裝置的額定工作電流為3 A，設(shè)定電流值在5 A 和8 A 時(shí)動(dòng)作，并對(duì)響應(yīng)能力進(jìn)行仿真，仿真結(jié)果如表1 所示。

表1 微機(jī)保護(hù)裝置動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性

如表1 所示，微機(jī)保護(hù)裝置能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)變壓器可靠、有效的保護(hù)，在不同的電流保護(hù)范圍內(nèi)，系統(tǒng)動(dòng)作電流值與整定值的相對(duì)誤差均控制在±3%之內(nèi)，達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。

4 結(jié)語

變壓器為煤礦供電系統(tǒng)必不可少的電氣裝置，其工作的可靠性和穩(wěn)定性直接決定其是否能夠?yàn)椴擅簷C(jī)、帶式輸送機(jī)等機(jī)電設(shè)備提供穩(wěn)定的電能。傳統(tǒng)變壓器繼電保護(hù)裝置存在容易被干擾的薄弱環(huán)節(jié)，導(dǎo)致其內(nèi)部存在不平衡的電流，進(jìn)而造成保護(hù)裝置誤動(dòng)作、延時(shí)動(dòng)作。為解決上述問題，本文以雙DSP 處理器對(duì)傳統(tǒng)繼電保護(hù)裝置的硬件進(jìn)行改造，并根據(jù)設(shè)計(jì)和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，增加了保護(hù)裝置的抗干擾設(shè)計(jì)。測(cè)試結(jié)果表明，微機(jī)保護(hù)裝置能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)變壓器可靠、有效的保護(hù)，在不同的電流保護(hù)范圍內(nèi)，系統(tǒng)動(dòng)作電流值與整定值的相對(duì)誤差均控制在±3%之內(nèi)，達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。