基于功率因数检测的矿井低压电网相敏保护的研究

基于功率因数检测的矿井低压电网相敏保护的研究1.西安交通大学电力设备电气绝缘国家重点实验室，7100492.西安潞安矿务局王庄煤矿，046031山西短路保护是煤矿井下供电系统中的三大保护之一［1］，它是一种保证供电可靠性和安全性所必需的保护措施。然而在我国煤矿井下供电系统中至今仍在沿用传统的鉴幅式继电保护或电子保护［2］。这种保护整定误差大，动作时间长，可靠性低，尤其在用于馈电线路中的短路保护时，若要保护全线路，则应按保护范围末端最小短路电流整定,要求整定值小，因而使大型电动机起动时易造成保护误动作;若要躲过起动电流，则要求整定值大，此时将不能保护线路全长而且灵敏度较低［3］。另外在馈电开关附近短路时，其他开关往往会由于母线电压降低而造成误动作，无横向选择性［4］，远不能适应现代化煤矿供电系统监测监控的需要。针对上述缺陷，本文研究了以单片机为中央控制单元的基于功率因数检测的相敏短路保护，建立了相敏短路保护的数学模型，分析了其作用原理，设计了硬件和软件电路，并将其应用于矿用隔爆型真空馈电开关［5］，验证了其有效性和实用性。2相敏保护的数学模型在煤矿井下供电系统中，现有隔爆型馈电开关中的短路保护大多是根据电流幅值整定动作值，其动作特性和大电机起动特性曲线如图1所示。图1鉴幅式过流保护特性和大电机起动特性Fig.1Characteristicsofshort-circuitbymeasuringcurrentmagnitudeandstartingcharacteristicsoflargemotor图中曲线3和2分别为供电系统不同整定值下的保护特性，a、a′、b、b′和c、c′分别为对应曲线的反时限、定时限和速断保护区，曲线1为大型电动机起动时的起动电流特性。由图1可见，只要电流超过其整定电流，保护便立即动作，执行机构跳闸。在大型电动机起动时，最大起动电流可能超过其整定电流，此时会引起保护误动作。煤矿井下供电系统中的负载均为感性负载，在大型电动机起动时，功率因数比较低，而在短路故障情况下，功率因数则很高，所以采用基于功率因数检测的相敏保护原理不但可提高短路保护的灵敏度，而且还能保证其动作的可靠性。由于功率因数和短路电流的鉴别方式不同，相敏保护的动作特性也不完全相同。图2为一般相敏保护的保护特性。图2鉴幅、鉴相保护特性Fig.2Protectivecharacteristicsofmagnitudeandpowerfactordiscriminationrespectively图2中，1为单独鉴相式保护特性，2为单独鉴幅式保护特性，显然存在保护死区，3为鉴幅值和鉴相值相乘后所构成的保护特性，即I*cosφ＝C(1)由式（1）可见，只要选择合适的常数C,此时的保护区较单独鉴幅、鉴相的保护区大。为了躲过大型电动机的起动电流而又使保护在正常运行方式下当保护范围内发生短路故障时能可靠动作，则必须确定合理的保护动作区。图3给出了典型煤矿供电系统短路电流、功率因数和短路点距电源距离之间的关系曲线。图中I*＝Ish/Ismax，Ish为短路电流，Ismax为供电系统最大短路电流。图4给出了鼠笼式电动机起动电流与功率因数之间的关系曲线，其中Is*＝Is/In,Is为电动机的起动电流，In为电动机的额定电流。图3短路点至电源的距离与短路电流、功率因数的关系曲线Fig.3Characteristicsofcablelengthandshort-circuitcurrent,powerfactor将图2、图3和图4画于同一坐标下可得到短路电流、起动电流和功率因数之间的关系曲线，如图5所示。图5中，A为短路电流相对值与功率因数的关系曲线，B、C为不同起动电流的相对值与功率因数的关系曲线，D为鉴幅、鉴相相乘的临界动作曲线，E、F为取不同系数C1、C2时，鉴幅、鉴相相“或”的临界动作曲线。图4电动机起动电流与功率因数的关系曲线Fig.4Characteristicsofstartingcurrentandpowerfactor图5短路电流、起动电流和功率因数的关系曲线Fig.5Generalcharacteristicsofshort-circuitcurrent,startingcurrentandpowerfactor在图5中，短路电流和起动电流相对值都是以供电系统可能发生的最大短路电流为基准。由此可见，传统的鉴幅式短路保护要躲过起动电流，将使保护范围大大缩小。例如，电流动作值取I*＝0.25时，保护范围小于500m。然而，对于单纯鉴相式保护，若要保护线路全长，即动作整定值为cosφ＝0.4,则电动机起动时可能产生误动作。若要躲过起动电流，则不能保护距离较小的范围内发生的短路；如取动作整定值cosφ＝0.8,则在保护范围200m内短路时将会产生拒动作。综合考虑这两个因素，就既能避免电动机起动时的误动，又能保护线路全长。曲线D是两者相乘为一常数所确定的临界动作曲线，即I**cosφ＝C(2)由式（2）可以看出，取不同的常数C，可得到不同的临界动作曲线，只要常数选择合理，就可以取得满意的保护效果，图5中的曲线D取C＝0.1。然而从图中也不难发现，动作界限的选择余地是比较小的。将鉴幅、鉴相所得到的值分别与常数C1、C2相乘后再相“或”，即C1*I*＋C2*cosφ＝1(3)选择不同的常数C1、C2，可得到不同的临界动作直线，如图5中直线E、F所示。根据电网负荷大小选择不同的C1、C2，可得到不同的动作区，这样可以取得最佳的保护效果，它不但有较宽的动作界限选择余地，而且有很高的动作灵敏度和可靠性。图6中直线E是C1＝1和C2＝1时的临界动作线，直线F是C1＝1.25和C2＝0.9时的临界动作线。3保护的硬件和软件设计使用模拟式分离元件来实现上述保护功能，其电路是相当复杂的，而且可靠性比较低。用单片计算机作为中央控制单元，再配合相应的波形处理、信号转换等电路，可完成矿井供电系统的相敏短路保护，其硬件框图如图6所示。图6保护电路原理框图Fig.6Schematicdiagramofhardwarecircuit系统电压经传感器和波形变换后得到周期为2π的方波信号，如图7(a)、(c)所示。故障电流经电流传感器和波形变换后也是周期为2π的方波信号，如图7(b)、(d)所示，只是电流方波滞后于电压方波，滞后角度为φ，这就是功率因数角。电压、电流方波经波形逻辑处理，然后再经光电耦合、全波相位合成为周期为π的脉冲序列，如图7(e)所示，脉冲宽度即为要检测的功率因数角。同时故障电流经整流、滤波、V/F转换后向单片机提供幅值信号。CPU对脉冲信号和电流信号进行检测、计算并判断线路所处的工作状态。对不同的供电线路，其电源容量、负荷大小是不同的，系统的最大短路电流也不同。为了计算线路电流的相对值并比较其过载程度，又考虑到现场操作方便，本保护系统设计了额定电流和最大短路电流整定值输入接口，操作人员只要按实际使用系统输入此参数，CPU在软件支持下会自动完成过载和相敏短路保护功能。图7功率因数测量波形Fig.7Waveformforpowerfactormeasurement相敏短路保护软件是智能化真空馈电开关综合保护系统中的一中断模块，程序流程如图8所示。图8相敏短路保护中断程序流程图Fig.8Interruptroutineflowchartofphasesensitiveprotection当线路电流超过3In时，由硬件电路直接向CPU发出中断请求信号，CPU响应中断后，首先完成对线路电流的检测、计算，然后与临界动作曲线上对应点的值（在主程序初始化阶段完成）进行比较，以判断线路的运行状态。若电流大于7In，则说明线路发生近端短路故障，CPU会立即发出跳闸信号；若电流位于3In～7In之间，则说明线路中可能发生短路故障，也可能有大型电机正在起动。如果是短路故障，CPU立即发出跳闸信号；如果是电动机起动，CPU会自动起动延时电路，10s后若电流还未减小，说明电动机堵转或严重过载，CPU便发出跳闸信号；若电流位于1In～3In之间，属于过载运行状态，CPU会根据过载程度写入相应的延时常数，然后起动延时电路。不管线路处于何种运行状态，CPU发出跳闸信号后，通过显示器显示跳闸前电网的运行状态，而且还能记忆跳闸时电网参数值，大大提高了操作人员判断故障和排除故障的效率。4试验与应用基于功率因数检测的相敏短路保护与基于零序电流方向的选择性漏电保护以及负序保护等组成了BKD2－400Z/1140(660)Z(F)隔爆型真空馈电开关中的综合保护系统［5］。该系统已于1993年应用于潞安矿务局王庄煤矿，下井前对该开关进行了地面试验，相敏短路保护系统的试验条件是：电网额定电压Un＝1140V，最大短路电流按51#井下采区变电所实际最大短路电流输入，实际电源为KSJ2-320/6油浸式变压器，负荷电流大小及功率因数角由可变电感和电阻来调节，试验数据如表1所示。表1中的测试数据均为10次测试的平均值，而且表1相敏短路保护技术性能测试数据Tab.1Measuringresultsoftechnicalpropertiesofphase-sensitiveprotection整定电流/A最大短路电流/A实际电流/A功率因数C1C2运行状态动作时间要求值实际值350420023000.801.10.9短路100ms75ms350420023000.321.10.9起动10s11s350420017500.911.10.9远端短路100ms84ms350420017500.421.10.9起动10s11s220420013200.851.10.9短路100ms80ms220420013200.351.10.9起动10s∞*22042009000.951.10.9远端短路100ms88ms22042009000.451.10.9起动10s12s220420022000.7510次中均不出现误动或拒动现象。由表可见，在低压电网不同地点发生短路故障时，相敏保护均能可靠动作，动作时间满足设计要求，尤其在近端发生短路时，保护可在50ms内切断故障点，这不但解除了事故进一步扩大的危险性，而且保证了断路器分断大电流时的安全性。在模拟大型电动机起动（cosφ＝0.4）时，若10s内电流不减小，CPU认为是严重过载，会在11s左右发出跳闸指令。该系统投运几年来，运行正常，动作可靠，显示准确，大大提高了煤矿井下电网供电的连续性和安全性。该项技术鉴定后已转让于生产厂家，在煤矿井下得到广泛应用。5结论本文提出的基于功率因数检测的矿井低压电网相敏短路保护已应用于矿用隔爆型真空馈电开关，采用短路电流相对值与功率因数相或的方法，不仅具有较宽的保护范围，而且具有较高的动作灵敏度。远端短路时，保护动作时间小于100ms，近端短路时小于50ms。保护系统以单片机为中央控制单元，不仅增强了保护的灵活性，而且建立了良好的人机界面，提高了操作人员判断故障和排除故障的效率。经现场运行表明，该系统工作稳定，动作可靠，显示准确，具有广阔的应用前景。6参考文献［1］煤矿安全规程.北京：煤炭工业出版社，1992［2］顾永辉etal.煤矿电工手册.北京：煤炭工业出版社,1990［3］BishopMTetal.Overcurrentprotectionalternativesforundergrounddistributionsystems.IEEETransonPowerDelivery,1995；10(1)［4］刘思沛etal.煤矿供电.北京：煤炭工业出版社,1991［5］宋建成etal.单片机在矿用隔爆型真空馈电开关中的应用.煤炭科学技术，1995;(1)