王春瑜

（山西明卓勘測設(shè)計有限公司， 山西 太原 030012）

引言

供電系統(tǒng)為煤礦生產(chǎn)的動力源，供電系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性直接影響綜采工作面的正常運行，并可減少由于供電不穩(wěn)定而對設(shè)備造成的沖擊和損壞。供電系統(tǒng)的接地方式尤為重要，部分煤礦的供電系統(tǒng)采用中性點非有效接地的方式，主要包括有中性點不接地系統(tǒng)和中性點經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)。在實際生產(chǎn)中上述接地系統(tǒng)容易發(fā)生短路故障從而導(dǎo)致綜采工作面大面積的停電，在制約煤礦生產(chǎn)的同時，對煤礦設(shè)備的安全性也帶來極大的隱患。導(dǎo)致上述隱患的主要因素之一為接地線選擇不合理[1]。因此，急需設(shè)計一款接地選線裝置保證供電系統(tǒng)接地線，充分保護電網(wǎng)的正常運行。

1 需求分析

隨著煤礦綜采工作面生產(chǎn)能力的提升，對應(yīng)綜采設(shè)備的綜合耗能增加，供電系統(tǒng)的供電規(guī)模和用電負荷也明顯增加。實踐表明：煤礦供電系統(tǒng)由于接地故障所導(dǎo)致的問題占據(jù)所有問題的80%以上，而其余問題絕大部分也是由于接地故障而引起的，包括短路和電纜著火等。目前，煤礦供電系統(tǒng)所采用的選線裝置對應(yīng)準確率最高僅為50%；同時，傳統(tǒng)選線裝置無法對線路中的故障類型和故障點進行精確判斷，只能夠通過拉線的方式逐一排查?？偟膩碇v，傳統(tǒng)選線裝置不僅耗時耗力，而且在實際生產(chǎn)中的應(yīng)用效果也較差[2]。

煤礦供電系統(tǒng)傳統(tǒng)接地選線系統(tǒng)的問題可總結(jié)如下：

1）傳統(tǒng)接地選線裝置主要基于“功率方向型”和“電流方向型”的原理實現(xiàn)其功能；上述接地選線裝置中一旦上一級變電所出現(xiàn)接地類故障，極容易導(dǎo)致下一級出現(xiàn)選線錯誤甚至出現(xiàn)故障報錯的情況。

2）針對煤礦供電系統(tǒng)中的環(huán)網(wǎng)供電方式，當綜采工作面的饋線支路發(fā)生相關(guān)的接地故障時，采用傳統(tǒng)的接地選線系統(tǒng)無法確定出發(fā)生故障的位置及其類型。

3）經(jīng)實踐表明，煤礦供電系統(tǒng)的接地故障絕大多數(shù)均是由于線纜老化或者劣化所導(dǎo)致的。因此，需對煤礦供電系統(tǒng)線纜的絕緣情況進行實時監(jiān)測，避免接地故障的發(fā)生。

2 接地選線裝置的總體設(shè)計

接地選線裝置的核心在于準確掌握煤礦供電系統(tǒng)不同接地故障對應(yīng)的零序電壓和零序電流的波形；根據(jù)實際監(jiān)測中零序電流和電壓的波動與理想波形對比，判斷變電站電網(wǎng)中是否出現(xiàn)接地故障，并通過進一步分析確定接地故障，準確選擇接地線路。因此，變電站電網(wǎng)接地選線裝置包括有上位機和下位機兩大部分。

上位機主要為嵌入式系統(tǒng)，主要實現(xiàn)其與變電站RTU 的通信，并對相關(guān)的零序電壓、電流等波形進行記錄存儲；

下位機為DSP 系統(tǒng)，主要對供電系統(tǒng)線纜的實時數(shù)據(jù)和相關(guān)故障信息進行采集，并對應(yīng)的完成故障線路的實時、精準選線。

基于上述需求分析和接地選線系統(tǒng)的功能要求，設(shè)計如下頁圖1 所示的礦用變電站電網(wǎng)系統(tǒng)接地選線裝置的結(jié)構(gòu)：

如圖1 所示的電網(wǎng)接地系統(tǒng)故障選線裝置具備對電網(wǎng)中單相接地故障的識別和診斷，可對電纜的絕緣狀態(tài)進行實時檢測和顯示，完成單相接地故障的選線功能，并對故障波形進行記錄。

圖1 礦用變電站電網(wǎng)接地系統(tǒng)選線裝置結(jié)構(gòu)示意圖

此外，為了保證接地選線裝置精確對故障波形進行檢測，鑒于分布式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)具有較強的抗干擾特性和實時響應(yīng)性能，本方案中接地系統(tǒng)選線裝置采用分布式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。同時，工作面環(huán)境相對惡劣容易導(dǎo)致數(shù)據(jù)傳輸時受到干擾，為了減少數(shù)據(jù)通信和傳輸過程中被干擾，采用CAN 總線進行通信。

3 接地選線裝置的設(shè)計

3.1 接地選線裝置的硬件設(shè)計

接地選線裝置的硬件主要包括有中央單元、采集模塊、電源模塊、人機接口單元、通信單元以及相關(guān)的零序電流互感器、故障錄波分析裝置等。

針對中央單元的選型，考慮到功能、開發(fā)環(huán)境以及通訊等功能，本裝置采用型號為80C198 單片機為其核心處理；

對于采集模塊而言，其選型首選需考慮與80C198 單片機匹配性，本裝置將采用以AD7575A 芯片為核心的采集模塊；

針對電源模塊而言，為保證其均能夠適應(yīng)交直流電源的應(yīng)用環(huán)境，本裝置采用型號為SPA5-220S12W的電源模塊為本裝置供電；

零序電流互感器采用工程中常用的WF-LJ 零序電流互感器，該型電流互感器在環(huán)境溫度、使用海拔以及相對濕度等方面均能夠滿足煤礦的生產(chǎn)。

從接地選線裝置的功能實現(xiàn)和成本兩個方面綜合考慮，選用型號為ZH-3D 型數(shù)字故障錄波分析裝置對信號進行存儲和簡單的處理。

3.2 接地選線裝置的軟件流程設(shè)計

接地選線裝置主要對接地故障進行判斷，并對相關(guān)電纜的絕緣狀況進行監(jiān)測。針對接地故障判斷對應(yīng)診斷和處理流程如圖2 所示。

圖2 接地故障診斷與處理流程

當選線裝置采集到線路中中性點電壓升高后，具體對出現(xiàn)故障的線路進行確定，并調(diào)用相關(guān)線路診斷算法綜合電流值具體確定出現(xiàn)故障的線路，并對故障信息進行報警顯示于上位機；與此同時，上位機對故障類型和故障點進行記錄。

4 接地選線裝置功能測試

采用綜診配置軟件對礦井變電站電網(wǎng)系統(tǒng)接地選線裝置的功能進行測試，經(jīng)測試得出如下結(jié)論：

1）接地選線裝置能夠完成配置更新操作；上位機能夠完成相關(guān)執(zhí)行系統(tǒng)的操作更新。

2）接地系統(tǒng)選線裝置對線路中的故障進行判斷，判斷結(jié)果如表1 所示。

表1 接地選線裝置故障判斷準確率結(jié)果

如表1 所示，基于所設(shè)計的接地選線裝置可對線路中發(fā)生頻率較高的故障進行100%的準確診斷和判斷。