矿用组合开关电流保护的研究

侯林

（中国煤炭科工集团太原研究院，山西 太原 030006）

1 引言

在煤矿采掘工作面，由电气系统引起的故障危害较大，它不仅直接影响人身安全，还会形成相间短路等故障引发瓦斯和煤尘的爆炸，严重影响着煤矿的安全生产。

在矿井供电系统中，电流保护包括三相短路故障保护、两相短路故障保护、断相故障保护和不正常运行状态（过载）保护四个部分。其中，三相短路和过载故障属于对称电流故障，两相短路和断相故障属于不对称电流故障。本文主要阐述了一种在矿用组合开关上适用的电流保护设计。

2 采样方式的选择

对各种电量的采集主要有两种途径:①利用各类模拟仪表，直接或者间接地获取电量；②根据采样定理，对连续时间信号做等间隔抽样，并进行数字化处理，来获取电量。对于前者，利用仪器仪表来采集电量，采集的准确度比较高，工作可靠，但存在重大缺陷:采集成本较高，采集实时性差，依靠人力，将无法在同一时刻对多个变化的电量进行采集。所以，目前多是采用采样计算式的方法来获取电量。根据采样信号的不同，实现后者又有两种方法:直流采样法和交流采样法。

2.1 直流采样法

直流采样法是指将现场不断变化的模拟量先转换成直流电压信号，再送至A/D转换器进行转换，即将各种交流电量，通过降压、整流、滤波、非线性校准等各种电子电路变为相应大小的直流电量，然后对直流量进行采样和A/D转换。

直流采样的主要特点:

（1）直流采样对A/D转换器的转换速率要求不高，软件算法简单。只要将采样结果乘上相应的标度系数便可得到电流、电压的有效值，但不能得到其它的电参数，比如功率因数、有功功率等，从而不能有效地实现相敏保护和分析所控制的采掘设备工作状况；

（2）直流采样输入回路，要滤去整流后的纹波，往往采用R－C滤波电路，因此其时间常数较大（一般几十ms～几百ms），采样结果实时性差，而且无法反映被测模拟量的波形。

2.2 交流采样法

交流采样法是一种直接针对交流电量进行采样的方法。按照采样定理，一个限带连续模拟信号xa（t），其频谱的最高频率为F0，对它进行等间隔采样而得离散时间信号x（n），则只有在采样频率Fs＞2F0时，x（n）就可准确地恢复成xa（t）。依照其原理，设定一个等间隔采样的时间间隔，即为采样周期T，其倒数为采样频率，它的值必须大于被采样的模拟信号频谱中最高频率的两倍，用这样的采样频率对被测交流信号的瞬时值进行直接采样，然后采用一定的算法，对采集所得交流电量进行数据分析，获得被测量，经过这样的处理才不会发生频谱混叠效应，才使离散时间信号x（n）能够比较准确地表示原模拟信号xa（t），从而可以保证原模拟量信号中的主要信息不会被丢掉，测量的结果才是可信的。由于在数据采集过程中等间隔采集交流量的瞬时值，因此，借助于各种交流采样算法，可以很方便地获得每个瞬时值的大小和相位，以及交流值的幅值、相位，那么，其他有关电参量也可顺利求得。交流采样的主要特点为:

（1）实时性好。它能避免直流采样中整流、滤波环节的时间常数大的影响，因此在微机保护中适宜采用交流采样。

（2）能反映原来电流、电压的实际波形，便于对被测量的结果进行波形分析，因此在需要分析的场合，必须采用交流采样。

（3）对A/D转换器的转换速率和采样保持器的要求较高。为了保证测量精度，一个周期内必须保证有足够的采样点数，因此要求A/D转换器要有足够的转换速率。

（4）测量准确性不仅取决于模拟量输入通道的硬件，而且还取决于软件算法，因此采样和计算程序相对复杂。

由于交流采样实时性好，直接对原始信号进行采样，最大限度地保留了原信号的一些特征，而且现在大规模集成电路的技术大大地提高了A/D转换的速率以及各种成熟算法的推出，使交流采样得到了广泛的应用。因此在本文中，采用了交流采样方式，用倍福的电力测量模块KL3403实现了交流采样。

KL3403是一种基于倍福I/O系统的新型三相电力线测量总线端子，它使得电量测量和保护可以用于任何现场总线系统。KL3403的预处理在过程映像中直接提供均方根值，在控制器上无需高计算能力，由均方根值计算出的电压、电流、有效功率、功率因数功耗以及视在功率，其中电流的测量范围最大为1A，精度为0.001A；电压的测量范围最大为500V，精度为0.1V。

KL3403采用均方根算法，根据连续周期交流信号的有效值及平均功率的定义，将连续信号离散化，用数值积分代替连续积分，以离散点数据拟合连续周期性变化的信号，从而导出有效值（或平均值）与采样值之间的关系式。均方根算法中己考虑了谐波分量在有效值中的成分。

该算法已经考虑谐波分量在有效值中的成分，计算公式如下:

式中，U、I分别为电压、电流的有效值；Ui（n）、Ii（n）分别为输入电压、电流的等间隔采样值；N为采样点数。

3 短路保护

短路是指供电系统中不等电位的导体在电气上被短接，各种类型的短路故障是煤矿井下最常见的故障之一。

短路故障发生的原因主要是由于电气设备载流部分绝缘损坏。绝缘损坏是由于绝缘老化、过电压、机械损伤等原因造成的。如井下矿车出轨砸挤电缆而引起的短路；其他如操作人员带负荷拉隔离开关、检修后未拆除接地线就送电等误操作，都有可能引发短路故障；漏电故障发生后，如果漏电保护装置拒动，长时间的漏电故障也可能发展为相间短路。

（1）煤矿井下开关过流保护装置电流整定值计算

式中:IZ为过流保护装置的电流整定值；IQe容量最大电动机额定起动电流；Kx为需用系数，取0.5～1；ΣIe为其余电动机额定电流之和。

（2）短路保护装置的整定电流计算

式中，Id为保护装置保护范围最远点的两相短路电流；Ue为变压器二次侧的额定电压；ΣR为短路回路内一相电阻值之和；ΣX为短路回路内一相电抗值之和。

保护装置动作的可靠性检验:

（3）整定计算遇到的问题

随着采煤技术的发展及高产高效工作面增多，采煤机械设备的功率越来越大，如采煤机、刮板输送机及带式输送机的功率已达到了1000kW以上，同时工作面的走向也达到1～2km，给采掘工作面的开关设计带来了一定的难度。由于设备功率增加，起动电流随着增大，因而使短路保护电流动作值的整定产生了困难。若整定值过小，电机起动时，造成保护误动；若整定值过大，电网末端短路时保护拒动。同时，供电距离的增加，线路阻抗随之增加，最小两相短路电流随之减小，也使动作灵敏系数减小，短路保护装置不能可靠动作。

由此可见，仅以电流大小来区分电动机的起动与短路电流是困难的。目前常采取的主要方法有:一是采用8s可返回的方法。即在起动时如电流能在8s之内降下来，则认为是正常的起动过程；如8s之内没有降下来，则认为是发生了短路故障，这种方法不能满足起动时发生短路的动作时限要求。另一种方法是采用在起动时设置一高比较值，而在起动后比较值降低，从而来区分满足起动的要求，这种方法也有不妥之处，例如，在起动的时候发生短路就无法保护。

（4）相敏保护的实现

随着近年来的研究发现，鼠笼型电动机起动时的电流虽然大，但起动时的功率因数却较低，一般在0.35～0.45左右，而在井下低压供电系统最末端，其短路时功率因数却较高，接近于1。由此可见，同样出现峰值电流，但功率因数明显不同，这样通过检测电流信号幅值大小和系统电压、电流的相位差即功率因数，就可以有效的将起动电流与短路电流区分开来，短路保护可靠性得到提高，这就是相敏保护的基本原理。

采用幅值与相位检测相结合的保护方式，取样信号:

式中，u为保护装置的取样信号；I为电流信号；cosφ为功率因数。

式中，u为常数，I*为线路中实际电流与额定电流的比值，cosφ为功率因数。当I*与cosφ的乘积大于u时，就可以断定线路发生了短路故障。通过对u选择不同的值，就可以得到不同的临界动作曲线。

另外，当供电线路近端发生短路时，即电流超过8倍时，此时不需要对功率因数进行检测，即可断定线路发生了短路故障。

4 断相保护

三相异步电动机运转中电源一相断线，使电动机在受到严重不对称电压的作用下运行，称为断相运行。发生断相运行时在噪音很大的车间或井下难以辨别电动机是否正常运转，由于没有足够的重视，常常致使电动机烧毁。据统计由于断相运行使电动机烧毁事故约占电机烧毁事故的70%，因此有必要对断相运行进行理论分析以引起对断相运行的重视，进而设置有效的保护装置。

发生断相故障主要有以下五种原因:

①星星接法三相异步电动机电源一相或绕组一相断开；

②三角形接法三相异步电动机电源一线断开；

③三角形接法三相异步电动机绕组一相断开；

④供电电源变压器原边一相断开；

⑤多台三相异步电动机公用供电母线断开。

4.1 起动前断相

三相供电导线之一在电动机起动前断开时，合闸后电动机接在单相电源上。

（1）电动机星形接法一相断开

图1 电动机星形连结电源一相断开

如图1所示，此时两相绕组串联后接到线电压上，假设每相阻抗为Zφ，则断相后的电流

三相对称运行时，相电压Uφ与线电压UX的关系

于是可得电流

可见，断相后起动电机，星形连接电动机的线电流IS约是三相运行时起动电流IS3的87%，断相电流很大，且线电流的相位差为180°。

（2）供电变压器接法为Y/Δ，电动机接法为Y时一相断开

供电变压器原边一相断开，则副边一相没有电压。假定C相断开，

此时Uca=0。原边由于两相绕组串联后接到线电压上，每相电压是电源电压的一半，如图1所示。此时，线电压

式中，Uφ3为三相状态下副边的额定线电压。

变压器的副边仍存在上述关系，因此

式中，UN为三相状态下副边额定线电压。

变压器副边b相的电流

断相时线电流等于三相起动时线电流，其他两相电流是Ib的一半，即:

当供电变压器为Δ/Y联接时，情况与此相同。

图2 供电变压器原边一相断开

4.2 运行中断相

电动机运行中发生断相时，电流大小与电动机负载大小有关。

（1）定子绕组星形联接电源一相断开

这种情况下，两相绕组串联后接在线电压上。以Iφd、IXd、cosφd和ηd分别表示断相运行时的相电流、线电流、电动机的功率因数和效率，可得断相运行时的输出功率:

三相运行时的输出功率:

若输出保持三相状态下负荷不变，则断相运行时的线电流:

断相运行时，由于有负序电流，电动机的功率因数和效率均明显下降。若取 cosφd=0.9cosφ3，ηd=0.87η3，由此可算出断相运行时的线电流IXd=1.2Iφ3。

（2）供电变压器接法为Y/Δ，电动机接法为Y时一相断线

变压器原边一相断开时如图所示。由于原边是两相绕组串联后接在线电压上，所以副边电压下降到额定电压的0.866倍。而且副边输出单相电压Uab=Ucb。这时对电动机来说，其等效电路如图3所示。

图3 变压器原边一相断开时电动机等效电路

断相运行时的输出功率可表示为:

当负荷保持不变时，断相后的线电流为:

由上面的分析计算可知，断相故障发生后，断相电流最小值为额定电流的1.2倍，尤其是起动前发生断相，断相电流更大，接近电动机的起动电流，此时由于绕组中电流产生的磁场不是三相正弦磁场，电动机将无法起动，绕组中将一直流过起动电流，因此必须对电动机的断相故障进行保护。从以上分析可见，断相故障发生后，最大的特点是流过电动机的三相电流不对称，且电流比较大和线电流相位差接近180°。

5 过载保护

电动机在井下工作过程中，经常会发生电动机的实际负载超过其额定负载的情况，即过载。电动机在过载状态下运行时，绕组温度升高，长期运行在此状态，绕组绝缘会逐渐老化，直至击穿，造成电动机烧毁。因此必须对运行在过载状态下的电动机加以保护，即所谓的过载保护。

电动机过载时，其温升时间与电动机的过载倍数有关，不同倍数的过载电流，达到允许温升的时间也不相同，从电动机过载开始，到电动机达到允许温升的时间称为电动机的允许过载时间，允许过载时间与电动机过载倍数的关系称之为允许过载特性，过载反时限特性如图4所示。

图4 过载反时限特性曲线

6 结语

本文设计的矿用组合开关的电流保护，采用了交流采样的方式，在进行各种电流故障保护的同时，采用幅值和相位相结合的方式，提高了系统的安全和可靠性，经过在井下的实际运行，该种保护方式性能稳定，维护方便，工作可靠，是煤矿井下采掘工作面电气产品的理想保护系统。

［1］黄静波，牟龙华.矿用组合开关主控单元的设计［J］.工矿自动化，2007（2）:74－77.

［2］Beckhoff产品手册［Z］.