基于電流變化率的煤礦電網(wǎng)短路故障快速判斷裝置及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及煤礦電網(wǎng)領(lǐng)域，尤其涉及煤礦的繼電保護(hù)裝置及煤礦電網(wǎng)短路故障判 斷領(lǐng)域，特別涉及一種基于電流變化率的煤礦電網(wǎng)短路故障快速判斷裝置及方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著現(xiàn)代煤礦井下設(shè)備容量的不斷增大，煤礦電網(wǎng)故障時(shí)短路電流值也不斷上 升，井下電網(wǎng)中部分支路的短路電流已逼近甚至超過井下開關(guān)的遮斷容量，這在很大程度 上限制了井下電網(wǎng)的運(yùn)行。強(qiáng)大的短路電流產(chǎn)生的熱沖擊和電動(dòng)力破壞性很大，因此盡早 發(fā)現(xiàn)短路故障并且在短路電流還未達(dá)到最大值時(shí)就將故障點(diǎn)切除，不僅可以避免線路上各 設(shè)備及控制開關(guān)本身長(zhǎng)時(shí)間承受巨大的熱沖擊及電動(dòng)力，而且還可以防止因短路故障點(diǎn)產(chǎn) 生的電火花引爆瓦斯或煤塵等易燃易爆氣體，對(duì)于煤礦井下電力系統(tǒng)安全、穩(wěn)定的運(yùn)行有 著重大的意義。因此，對(duì)煤礦供電系統(tǒng)中短路故障檢測(cè)判斷的要求是準(zhǔn)確、快速地判斷短路 的發(fā)生。
[0003] 根據(jù)有關(guān)實(shí)驗(yàn)和文獻(xiàn)，如果電氣設(shè)備的故障分?jǐn)鄷r(shí)間小于煤礦井下電網(wǎng)形成外露 電火的故障形成時(shí)間，就可以保證在形成電火花之前有效的將供電電源切斷，從而保證不 會(huì)因電火花引起瓦斯或煤塵爆炸。文獻(xiàn)指出，煤礦井下供電系統(tǒng)各個(gè)環(huán)節(jié)的故障形成時(shí)間 分別為:隔爆外殼l〇ms;橡套線纜5ms。也就是說，當(dāng)我們?cè)诠收闲纬蓵r(shí)間之前就有效的限制 短路電流水平，將短路電流幅值限制在安全范圍之內(nèi)，這樣可以保證故障點(diǎn)電火花產(chǎn)生的 能量不會(huì)引燃瓦斯等氣體，極大地提高了煤礦電網(wǎng)運(yùn)行的安全性。
[0004]目前應(yīng)用于煤礦電網(wǎng)的短路檢測(cè)判斷技術(shù)主要有3種方法：（1)基于短路電流瞬時(shí) 值大小的判斷方法。（2)基于相敏原理的短路檢測(cè)方法。（3)基于載頻原理的短路檢測(cè)技術(shù)。 研究表明，以線路電流的有效值或是最大值作為檢測(cè)量的取樣方式比較可靠，但是采樣時(shí) 間長(zhǎng)，至少需要l〇ms以上;反映線路電流瞬時(shí)值的檢測(cè)方式，取樣時(shí)間較短，在10ms以內(nèi)，但 是可靠性差?；陔娏魉矔r(shí)值故障判斷方法是預(yù)先設(shè)定短路電流判斷設(shè)定值，當(dāng)線路電流 的瞬時(shí)值達(dá)到預(yù)先設(shè)定值時(shí)，即判斷為短路故障，發(fā)出動(dòng)作指令。因此，這種方法必須考慮 線路在正常工作時(shí)可能出現(xiàn)的電流最大值，使短路判斷設(shè)定值高于此最大電流值，否則就 可能會(huì)出現(xiàn)誤判誤動(dòng)，且故障判斷時(shí)間過長(zhǎng)，不能滿足快速故障判斷的要求。同時(shí)檢測(cè)線路 電流和阻抗角的相敏短路保護(hù)必須在短路電流的穩(wěn)態(tài)下進(jìn)行，取樣時(shí)間也較長(zhǎng)?；谳d頻 原理的短路檢測(cè)技術(shù)多用于井下煤電鉆綜保中，檢測(cè)的電壓、電流值較小，應(yīng)用范圍有限。 相敏短路保護(hù)以電流和相位角兩個(gè)參數(shù)為監(jiān)測(cè)量，提高了故障判斷的準(zhǔn)確性，尤其在短路 電流較小而功率因數(shù)較高的情況下，判斷更準(zhǔn)確。但是，相位角取樣的速度受到限制，而且 存在一定的"死區(qū)"，應(yīng)用受到一定的限制。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的在于克服上述現(xiàn)有技術(shù)中的不足提供一種能在短路發(fā)生瞬間快速 準(zhǔn)確發(fā)現(xiàn)故障的基于電流變化率的煤礦電網(wǎng)短路故障快速判斷裝置及方法。
[0006] 本發(fā)明的技術(shù)方案是這樣實(shí)現(xiàn)的：一種基于電流變化率的煤礦電網(wǎng)短路故障快速 判斷裝置，該裝置包括電流信號(hào)采集部分、信號(hào)轉(zhuǎn)換處理部分、計(jì)算判斷部分和人機(jī)接口部 分；
[0007] 電流信號(hào)采集部分由安裝在每條線路上的電流互感器CT組成，負(fù)責(zé)采集線路上電 流情況，CT將線路的大電流變換為小電流；
[0008] 信號(hào)轉(zhuǎn)換處理部分由電流變送器、多路轉(zhuǎn)換開關(guān)、采樣保持器和模/數(shù)轉(zhuǎn)換器組 成，該部分輪流采集每條線路上的電流信號(hào)，送入CPU進(jìn)行判斷計(jì)算;其中，電流變送器對(duì)電 流信號(hào)進(jìn)一步進(jìn)行調(diào)理，將CT二次側(cè)的電流信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娮泳€路可以接受的弱電流信號(hào)； 模/數(shù)轉(zhuǎn)換器將模擬量的電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，送入CHJ處理；
[0009] 計(jì)算判斷部分主要包括CPU，CPU可選用單片機(jī)，對(duì)輸入的數(shù)字量電流信號(hào)進(jìn)行相 應(yīng)計(jì)算，然后進(jìn)行判斷，給出故障判斷信號(hào)；
[0010] 人機(jī)接口部分由液晶顯示器和數(shù)字鍵盤區(qū)組成。
[0011] -種基于電流變化率的煤礦電網(wǎng)短路故障快速判斷方法，主要作為煤礦電網(wǎng)短路 故障判斷，在判斷過程中該方法主要包括四個(gè)階段的判斷計(jì)算:第一階段，電流一階導(dǎo)數(shù)計(jì) 算;第二階段，電流一階導(dǎo)數(shù)過零點(diǎn)判斷；第三階段，電流一階導(dǎo)數(shù)判斷；第四階段，電流二 階導(dǎo)數(shù)計(jì)算及判斷;首先進(jìn)入第一階段，不間斷計(jì)算煤礦電網(wǎng)線路電流變化率情況;然后進(jìn) 入第二階段，判斷一階導(dǎo)數(shù)是否過零點(diǎn)，如果一階導(dǎo)數(shù)過零，則進(jìn)入第四階段，啟動(dòng)電流二 階導(dǎo)數(shù)計(jì)算；否則，則進(jìn)入第三階段，與前一個(gè)電流變化率計(jì)算結(jié)果相比較，如果電流變化 一階導(dǎo)數(shù)超出設(shè)定的變化范圍，則判定發(fā)生短路故障，如果未超過設(shè)定范圍，進(jìn)行第一階段 繼續(xù)進(jìn)行一階導(dǎo)數(shù)計(jì)算;第四階段中，電流二階導(dǎo)數(shù)計(jì)算，與前一個(gè)計(jì)算的電流變化二階導(dǎo) 數(shù)相比較，如果超出設(shè)定范圍，則判定為短路故障，并進(jìn)行相應(yīng)操作，否則，返回第一階段。
[0012] 基于電流變化率的煤礦電網(wǎng)短路故障快速判斷方法的具體步驟為：
[0013] 步驟1:線路電流瞬時(shí)值采集;通過安裝在各條線路上的電流互感器，采集各條線 路上流過的電流瞬時(shí)值信號(hào)，進(jìn)行電流分析計(jì)算；
[0014] 步驟2:進(jìn)入第一階段：電流一階導(dǎo)數(shù)計(jì)算判斷;計(jì)算各條線路電流變化率的一階 導(dǎo)數(shù)值，并進(jìn)行數(shù)據(jù)記錄；
[0015] 步驟3:進(jìn)入第二階段：電流一階導(dǎo)數(shù)過零點(diǎn)判斷;計(jì)算得到的一階電流導(dǎo)數(shù)值與 上一個(gè)采樣點(diǎn)的電流一階導(dǎo)數(shù)值相對(duì)比，如計(jì)算值為零或前后兩個(gè)計(jì)算值符號(hào)發(fā)生改變， 則判定為電流一階導(dǎo)數(shù)過零，則進(jìn)入步驟五，否則，進(jìn)入步驟四；
[0016] 步驟4:進(jìn)入第三階段:將計(jì)算的電流變化率一階導(dǎo)數(shù)值與記錄的前一個(gè)一階導(dǎo)數(shù) 值進(jìn)行比較計(jì)算，計(jì)算式如下：

[0018]
表示在t = ti時(shí)刻，電流對(duì)時(shí)間一階導(dǎo)數(shù)的絕對(duì)值 下一個(gè)采樣時(shí)刻即t = t2時(shí)刻，電流對(duì)時(shí)間一階導(dǎo)數(shù)的絕對(duì)值，lu為系數(shù)，其大小可以根據(jù)煤 礦電網(wǎng)實(shí)際供電情況進(jìn)行設(shè)置；
[0019] 若滿足該式，則判定為短路故障，否則，進(jìn)入第一步驟；
[0020]步驟5:進(jìn)入第四階段:二階導(dǎo)數(shù)計(jì)算;對(duì)于一階電流過零點(diǎn)線路，計(jì)算多個(gè)電流變 化二階導(dǎo)數(shù)值，將電流變化二階導(dǎo)數(shù)值與前一個(gè)二階導(dǎo)數(shù)值進(jìn)行比較計(jì)算，計(jì)算式如下：
[0022]若滿足該式，則判定為短路故障，否則，進(jìn)入第2步驟。
[0023]根據(jù)煤礦電網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)形式和負(fù)荷結(jié)構(gòu)不同，設(shè)置不同的電流一階變化率、二階變化 率判斷系數(shù)lu，k2，以滿足煤礦電網(wǎng)供電負(fù)荷情況變化要求。
[0024] 本發(fā)明的技術(shù)方案產(chǎn)生的積極效果如下：由于煤礦電網(wǎng)正常、短路故障時(shí)電流變 化率不同，本發(fā)明通過不間斷的計(jì)算短路前后線路電流的一階、二階導(dǎo)數(shù)，并與前一次計(jì)算 的一階、二階導(dǎo)數(shù)值進(jìn)行對(duì)比，如果二次計(jì)算出的短路電流導(dǎo)數(shù)超過設(shè)定的比例系數(shù)，即判 斷為電路發(fā)生了短路故障；由于線路電流的一階、二階導(dǎo)數(shù)具有變化速度快、變化顯著的特 點(diǎn)，選用一階、二階導(dǎo)數(shù)作為監(jiān)測(cè)參數(shù)，可以在短路發(fā)生瞬間快速準(zhǔn)確地發(fā)現(xiàn)故障。
【附圖說明】
[0025] 圖1為本發(fā)明煤礦電網(wǎng)短路故障快速判斷系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。
[0026]圖2為本發(fā)明煤礦電網(wǎng)系統(tǒng)等效圖。
[0027] 圖3為本發(fā)明短路系數(shù)N與電流變化率的關(guān)系曲線圖。
[0028] 圖4為本發(fā)明短路系數(shù)N與電流二階導(dǎo)數(shù)關(guān)系的變化曲線圖。
[0029] 圖5為本發(fā)明故障判斷主程序框圖。
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