矿用变压器保护系统的改造与应用

张 杰

（山西焦煤西山煤电官地矿机电科三电办， 山西 太原 030002）

引言

我国当前煤矿生产已经全部进入综采时代，主要依靠采煤机、掘进机、刮板输送机等大型机电设备完成生产任务，可想而知电能对煤炭工作面的重要性。矿用变压器的主要功能是将电网所提供的高电压根据工作面机电设备的电压等级进行降压操作。变压器的稳定运行是保证工作面大型机电设备稳定运行的基础。在实际生产中，为了保证变压器的稳定运行，确保其在运行中不出现故障和事故，常用继电器保护装置实现对变压器的保护[1]。近年来，随着工作面综采设备生产能力的提升、功能的不断丰富，传统继电器保护装置已经无法适应当前综采工作面机电设备的生产要求。因此，急需对矿用变压器的继电器保护装置进行改造设计。

1 矿用变压器保护系统现状分析

本文以官地矿变电站所采用的主变继电器保护装置为研究对象。该变电站是供电电压等级为6 kV。

官地矿所采用主变压器的型号为SF7-20000/35，该变压器所连接线路的总长度为6.6 km，担负着矿井的供电任务。随着官地矿综采设备采煤能力、采煤技术以及采煤工艺的不断进步，当前的继电器保护装置存在如下问题：

1）目前，与该主变压器相配套的高压柜采用过电流继电器保护装置，其能够实现对高压的速断和过流保护。但是，在实际应用中发现继电器保护装置的耗能较大且控制精度较低，常出现机械部件卡死的现象，严重威胁高压柜的可靠性和稳定性，从而降低了工作面的生产效率[2]。

2）继电器保护装置的接线过于复杂，而且大部分元器件长期暴露在外，在外界环境的风蚀、水分等影响下导致继电器保护装置的接触点出现被氧化的现象进而出现接触不良的事故发生，从而降低保护装置的灵敏度和可靠性。

3）随着工作面用电量和用电种类的增加，使得变压器所需转化电压的等级更多，从而要求其保护装置对电压等级的分类越细。基于继电器保护装置无法对更多电压的等级进行区分，往往导致实际应用中出现跳闸的事故发生。

4）随着工作面供电情况复杂程度的不断增加，传统继电器保护装置的灵敏度和选择性无法满足实际生产需求，无法对其配套设备进行监测。

综上所述，继电器保护装置已经无法适应当前自动化水平高、产煤效率高、供电量和供电种类增加的现状。在综合分析当前工业生产中常用的保护装置，官地矿拟采用微机式保护系统实现对继电器保护装置的改造。

2 矿用变压器保护系统的改造设计

2.1 矿用变压器保护系统的总体改造思路

为了确保对变压器保护系统改造的有效性，要求微机保护系统除了满足继电器保护装置的功能外，要求其能够实现如下功能：瓦斯保护、电流速断保护、纵联差动保护、过电流保护、零序电流保护、过载保护、过励磁保护以及非电量保护等[3]。将微机保护系统在主变压器中的应用，实现对继电器保护装置的改造，主要从硬件和软件两个维度阐述。

2.2 微机保护系统的硬件设计

2.2.1 微机保护系统硬件的总体设计

微机保护系统各个模块采用插件式结构组成为一体，在需求分析的基础上设计如下页图1所示的微机保护系统硬件结构示意图。

如图1所示，微机保护系统采用双CPU的结构形式，一套CPU系统为实现对变压器的主保护和后备保护功能；另一套CPU主要功能为监控，且两套CPU的处理器均为DSP数字处理器。其中，保护CPU能够完成采样模数转换、数字滤波以及保护算法的实现等功能；监控CPU主要实现上位机与下位机的通信（RS232和RS485）、人机界面的实现（液晶显示器和键盘）等。

图1 微机保护系统硬件结构示意图

双CPU系统所采用DSP数字控制器的芯片类型为TMS320LF2407。

2.2.2 信号采集电路的设计

根据采样原理，可将采样所得信号的类型分为直流采样和交流采样。其中，直流采样的成本较大且后期维护困难，更重要的是其无法实现对现场参数的实时采集；交流采样具有较好的实时性且后期维护方便[4]。因此微机保护系统对现场信号采用交流采样的方式完成，其对应的交流采样电路设计如图2所示。

图2 交流采样电路示意图

2.2.3 开关量输入输出电路的设计

当变压器在运行中出现故障时，需对现场设备进行控制，此时微机保护系统将以开关量的形式进行控制。但是，并不能够直接将开关量信号与微机进行通信，中间还需经专用的电路转换电路才行。为此，为微机保护系统与开关量的通信设计专用的转换电路，该电路示意图如图3所示。

图3 开关量转换电路

2.3 微机保护系统的软件设计

微机保护系统中含有双CPU结构，包含有保护CPU和监控CPU。因此，需为微机保护系统的保护和监控功能的程序分别进行设计。

1）保护功能的主程序设计。微机保护系统中保护CPU根据主程序在固定采样周期内进行模拟量的采集和滤波、开关控制量的采集以及设备的自检等。通过对所采集信息和参数进行判断后决定是否具备启动条件，从而进入正常运行程序和故障计算程序。根据控制需求，完成对主程序流程的设计。

2）监控功能的程序设计。微机保护系统中的监控功能主要对数字控制器的运行状态进行监测和控制，基于该程序完成对测试结果进行分析，完成对数字控制器的参数设置、故障分析和定值操作等功能。而且，当监测到数字控制运行出现故障时基于其中断程序实现系统与DSP之间的通信[5]。

3 微机保护系统的应用效果分析

为验证微机保护系统在矿用变压器保护功能的性能，着重对保护系统中的速断保护性能进行验证。速度保护性能为当变压器电流超过其整定值时，对其进行速断操作。针对速断性能验证结果如表1所示。

表1 微机保护系统速断保护性能验证结果

如表1所示，微机保护系统速断的实际电流值与整定电流值之间的误差均小于3%，满足《煤炭安全规程》的要求，即证明所设计微机保护系统的有效性。

4 结语

变压器作为煤矿生产的关键设备，其运行的稳定性和可靠性直接决定着综采机电设备运行的稳定性，进而决定工作面煤炭的生产效率。随着工作面供电量以及供电电压种类的增加，加之其供电系统的复杂性对其保护系统提出了更高的要求和挑战。本文针对官地矿继电器保护系统采用微机保护系统对其进行改造。经实践表明，微机保护系统能够实现对矿用变压器的有效保护。