矿用隔爆型移动变电站高低压馈电开关项目建议书.docx

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矿用隔爆型移动变电站高低压馈电开关项目建议书

矿用隔爆型移动变电站高低压馈电开关项目

可行性研究报告

一、立项背景和意义

我国是世界第一产煤大国，煤炭产量占世界总产量的37%。

煤炭是我国的主要能源，分别占一次能源生产和消费总量的76%和69%。

在未来一段时期内，我国仍将是以煤为主的能源结构。

但是我国煤矿地质条件复杂，是世界上煤矿灾害严重、事故多发的国家，煤矿生产事故造成了重大财产损失、大量人员伤亡和严重的社会影响，同时引起了国际社会的广泛关注。

煤矿的供电系统在整个矿井生产过程中起着十分重要的作用，随着我国煤炭企业向综合机械化采煤迈进，矿井供电安全可靠性与提高煤炭生产效率的关系越来越密切，同时兼并重组政策使我国大中型矿井、高产高效综采工作面不断涌现，亟需智能化程度高、使用灵活、性能可靠的电控设备来保障综采工作面设备的正常运行，从而为生产效率的不断提高提供支撑条件，因此研发出高水平、高性能的智能化开关深受煤炭企业的欢迎。

近年来井下电气设备的不断升级改造，矿用隔爆型移动变电站已经在井下采区变电所和综采工作面普遍推广使用。

矿用隔爆型移动变电站由隔爆型高压开关、隔爆型低压真空馈电开关和干式变压器组成，适用于含有瓦斯或煤尘等爆炸危险环境的矿井中，是煤矿供电系统中不可缺少的电气设备。

矿用隔爆型移动变电站用隔爆型高压开关适用于电压等级为10（6）kV的供电系统，可作为高压防爆（独立）开关，进行电能的分配和控制；矿用隔爆型移动变电站用低压真空馈电开关，用于低压侧1140（660）V供电系统的电能分配和线路保护，是矿用隔爆型移动变电站重要的组成部分。

目前，矿井使用的矿用高低压馈电开关内置的综合保护器种类、通信规约多种多样，保护功能较少，数据上传不全，并且很多保护器不具备数据通信接口；此外，信号采集硬件复杂，算法陈旧，电气参数采样精度差，大部分采集电路多采用直流输出，误差大，不能进行故障录波，难以满足开关各项保护、计量精度的要求，不能对开关实现远程合分闸控制和各项电参数数据的监视分析，同时也达不到电力监控管理系统的目的。

为了保障井下安全生产，提高生产效率，本项目旨在设计集监测、计量、控制、保护于一体的高低压新型馈电开关控制保护系统，其性能可靠，动作准确，特别是检测监控系统保护功能的完善健全，使控制系统操作更人性化，智能化，使供电设备、供电线路和用电负荷得到了全面安全地保护，有效地防止了供电系统故障运行、越级跳闸、大面积停电等事故的发生，实现了故障预先监测、报警并及时有效的分析处理、系统运行管理和实时用电量计量管理，为实现全矿井供电系统无人值守创造有利条件。

可见，该项目对于提高煤矿生产的安全性、可靠性和生产效率具有一定的社会意义和较高的经济价值。

二、研究方案

1、高低压馈电开关总体设计

（1）馈电开关组成

高低压馈电开关由断路器、隔离机构、保护用电流电压互感器、过电压保护装置和高低压开关保护系统等组成。

断路器是馈电开关的核心组成部分，其结构特点直接影响整个系统的工作性能，因此选用优质的断路器尤为重要，其中高压断路器选用ABB公司生产的VD4-12系列的可抽出式断路器，该断路器额定工作电压为12kV，工频耐压为42kV，额定电流为630A，它采用复合绝缘方式，产品结构紧凑，其操动机构为弹簧机构，具有额定电流较大、额定开断次数高等优点，可以保证馈电开关安全可靠动作；低压断路器选用ZKY1-630/1.14（0.66）-12.5（15）型低压永磁真空断路器，该断路器额定工作电压为1140V（660V），额定短路通断能力为12.5KA（15KA），额定电流为630A，其主体结构为真空开关管和永磁机构，分上下结构，断路器具有调整、维修方便，分断能力强，可靠性高，机械寿命和电寿命长等优点。

（2）高低压开关保护系统原理

高低压开关保护系统均采用TI公司的浮点型DSP-TMS320F28335构成，实现数据采集显示和保护动作。

1）高压开关保护系统原理

其系统原理框图如下：

高压开关保护系统模拟量采集部分是系统的主体，主要包括以下几个部分：

供电线路的两相电压、两相电流、零序电压和零序电流信号，经信号变换、隔离、滤波等信号处理电路后，进入DSP的AD转换模块进行交流采样；绝缘监视信号通过线性光耦隔离变换电路采集，滤波后送入DSP的AD转换模块；断路器触头温度信号由无线红外测温传感器及其处理电路采集，滤波后进入DSP的AD转换模块；开关的振动信号采用压电式加速度传感器进行监测，经过信号变换和调理送入DSP的AD转换模块。

DSP的软件系统对各种采样信号进行数字滤波、傅里叶变换、数学运算和逻辑运算后，根据开入量信号完成相应操作，并提供各种保护功能，由继电器电路完成开关分合闸动作，同时通过显示模块输出显示信息，并由485和CAN总线通信接口将测控信息输出。

时钟及E2PROM电路用于实现系统记时和系统记忆功能。

2）低压开关保护系统原理

其系统原理框图如下：

低压开关保护系统模拟量采集部分主要包括以下几个部分：

供电线路的两相电压、两相电流、零序电压和零序电流信号，经信号变换、隔离、滤波等信号处理电路后，送入DSP的AD转换模块进行交流采样；漏电信号由附加直流电路采集，滤波后进入DSP的AD转换模块。

DSP的软件系统对各种采样信号进行数字滤波、傅里叶变换、数学运算和逻辑运算后，根据开入量信号完成相应操作，并提供各种保护功能，由继电器电路完成开关分合闸动作，同时通过显示模块输出显示信息，并由485和CAN总线通信接口将测控信息输出。

时钟及E2PROM电路用于实现系统记时和系统记忆功能。

（3）馈电开关功能设计

系统采用微处理器技术和交流采样技术实现开关的保护功能和控制功能。

1）高压开关功能设计

系统具有完善的电气保护和控制功能

系统可实现定时限电流保护、反时限过流保护、过压、欠压保护、功率方向型漏电保护，绝缘监视保护，风电闭锁、瓦斯闭锁保护等电气保护，同时实现电参数（三相电压、两相电流、有功功率、无功功率、功率因数、零序电压、零序电流、电能、电缆绝缘电阻等）实时检测和显示，合分闸控制及状态显示。

保护系统采用精密的测量硬件和FFT算法，既能保证测量精度，又能提高保护速度。

②系统具有模拟漏电、过流试验的自检功能。

③系统具有红外无线测温功能和振动检测功能

系统可以检测断路器触头三相六点的温度，完成电气接点的温度采集及显示，可进行温度、温升报警值的设定，超出报警值可输出报警信号。

系统可以测取断路器分合闸时的振动时域波形和振动频域波形，从而提取断路器运动的特征时间，预测断路器的健康状态情况。

④计量功能

可以计算并记录系统的有功功率、无功功率、功率因数、电能等参数。

⑤拥有超强的记忆功能，可进行故障查询、事件记录及故障录波等

系统可以完好保存上次设置好的整定数据，避免重新启动时的误动作；记录用电度数最大可达1亿度；保存最近20次的故障记录以供查阅，能记录故障原因和故障发生的日期和时间（年、月、日、时、分），按后进先出的顺序排列，并自动编号。

⑥具有准确的时钟功能

在液晶屏的最低行显示有当前时钟：

年、月、日、时、分、秒，可通过按键调整。

⑦多总线通讯功能

系统备有两种通信接口：

RS485总线和CAN总线，用户可以根据需要选择通讯方式，通讯协议也可按用户要求定制。

⑧大屏显示人机界面

保护系统采用分辨率为240×128的大屏LCD显示器，可实现单屏8行×15个汉字的显示，使单屏显示的信息量增大，更加直观，同时设有4个按键，可配合液晶屏灵活完成参数整定、故障查询等功能，大屏LCD显示器的背光设计，使显示更加醒目。

2）低压开关功能设计

系统具有完善的电气保护和控制功能

系统可实现定时限电流保护、反时限过流保护、过压、欠压保护、附加直流型/功率方向型漏电保护，风电闭锁、瓦斯闭锁保护等电气保护，同时实现电参数（三相电压、两相电流、有功功率、无功功率、功率因数、零序电压、零序电流、电能等）实时检测和显示，合分闸控制及状态显示。

保护系统采用精密的测量硬件和FFT算法，既能保证测量精度，又能提高保护速度。

②系统具有模拟漏电、过流试验的自检功能。

③计量功能

可以计算并记录系统的有功功率、无功功率、功率因数、电能等参数。

④拥有超强的记忆功能，可进行故障查询、事件记录及故障录波等

系统可以完好保存上次设置好的整定数据，避免重新启动时的误动作；记录用电度数最大可达1亿度；保存最近20次的故障记录以供查阅，能记录故障原因和故障发生的日期和时间（年、月、日、时、分），按后进先出的顺序排列，并自动编号。

⑤具有准确的时钟功能

在液晶屏的最低行显示有当前时钟：

年、月、日、时、分、秒，可通过按键调整。

⑥多总线通讯功能

系统备有两种通信接口：

RS485总线和CAN总线，用户可以根据需要选择通讯方式，通讯协议也可按用户要求定制。

⑦大屏显示人机界面

保护系统采用分辨率为240×128的大屏LCD显示器，可实现单屏8行×15个汉字的显示，使单屏显示的信息量增大，更加直观，同时设有4个按键，可配合液晶屏灵活完成参数整定、故障查询等功能，大屏LCD显示器的背光设计，使显示更加醒目。

2、主要研究内容

（1）保护原理和保护方法分析比较

项目针对三段式电流保护（速断、过流、过载）、反时限过流保护、过压和欠压保护、附加直流型/功率方向型漏电保护和绝缘监视保护的保护原理进行分析，得到最佳保护方法和控制策略。

（2）保护系统数据采集电路和人机交互单元的硬件设计

系统采用双CPU设计，增强系统的稳定性和快速性。

数据采集电路采用TI公司32位浮点DSP芯片TMS320F28335为核心处理器进行数据采集，实现保护功能。

TMS320F28335为高性能的32位浮点CPU，具有单精度浮点运算单元（FPU），具有150MHz主频/300兆次浮点运算能力；采用哈佛流水线结构，能够快速执行中断响应，并具有统一的内存管理模式，可用C/C++语言实现复杂的数学算法。

TMS320F28335具有丰富的外设资源，其内部12位的A/D转换器具有16个转换通道、2个采样保持器、内外部参考电压，转换速度为80ns，同时支持多通道转换；具有88个可编程的复用GPIO引脚；支持58个外设中断的外设中断扩展控制器（PIE），管理片上外设和外部引脚引起的中断请求；此外还集成了18个PWM输出，3个32位的定时器，2路CAN模块和3路SCI模块串行外设等资源。

与以往的单片机或定点DSP相比，TMS320F28335丰富的外设资源和优异的高速浮点运算能力，既节省了系统硬件和软件开支，又为系统稳定运行和快速精准的保护提供了坚实的基础。

模拟量数据采集电路采用交流采样，有利于实时数据的精确采样和算法分析，提取实现保护的特征量；开关量电路采用高速输入输出隔离、微型输出驱动电路。

人机交互单元以单片机C8051F020为控制核心，由键盘、大尺寸LCD显示屏和485通信接口组成，单片机C8051F020与DSP芯片TMS320F28335进行485通信，接收键盘的操作信息和来自TMS320F28335的显示信息，完成系统的按键操作和显示功能。

（3）馈电开关保护系统的软件实现

系统采用FIR数字滤波和FFT快速傅立叶算法对模拟量采集数据进行处理，实现交流采样，结合保护原理实现三段式电流保护、反时限过流保护、过压、欠压保护、附加直流型/功率方向型漏电保护，绝缘监视保护，风电闭锁、瓦斯闭锁保护等电气保护，使保护动作更加快速。

同时实现电参数（三相电压、两相电流、有功功率、无功功率、功率因数、零序电压、零序电流、电能、电缆绝缘电阻等）及温度和振动信号的实时检测和显示、合分闸状态显示、故障查询、事件记录及故障录波功能。

本系统增加的电能计量和故障查询、事件记录及故障录波功能，为井下负荷分析和故障分析提供了重要的依据，有利于系统功能结构改进和矿井其他电气产品的选型优化。

此外本系统交流采集方法和采样算法的使用，使系统数据测量更加快速准确，使系统功率因数以及零序电压和零序电流夹角的测量计算更加精确，保证了系统保护性能的快速性和稳定性。

（4）通信功能设计

系统设计独立的两种远程通信接口（CAN总线和485总线），可实现数据及时上传和接收上位机发布远程操作命令，增强了系统的灵活性，同时系统通信兼具快速性和可靠性，为构建可靠的矿井电站自动化系统提供了保障。

（5）壳体的改进设计

该馈电开关壳体采用钢板焊接加工而成，前门为平面止口式，开门方式采用了左右平移式快开门结构，前门与隔离开关手柄设有机械电气联锁装置，保证馈电开关处于分闸状态时，前门方可打开，前门打开后以正常的操作方式也不能使馈电开关合闸。

机芯（断路器）为手车式结构，并有内置导轨，可方便拉出机芯，并设有机械闭锁装置锁紧断路器，使馈电开关适应于矿井复杂的地势环境，不至于因接触不良造成断路器烧坏的事故发生。

壳体前门结构及开门方式的良好设计是壳体优质隔爆安全性能的保证。

通用的有螺钉门、活节螺栓门和快开门三种。

螺钉门结构简单，易于加工生产，容易保证隔爆间隙，但操作不方便；活节螺栓门加工制造较前一种复杂，容易保证隔爆间隙，操作相对方便；快开门种类较多，一般使用常使用的有上下提升式和左右平移式两种，上下提升式快开门靠壳体自重和手柄支撑的支点角度转换，实现门的开关，工艺性要求高，加工工艺较为复杂，一般用于高压装置或大型箱体中，而左右平移式快开门靠轴向运动，通过门和箱体卡条的配合错位实现门的开关，外观大方，加工精度要求高，门的吃力设计是设计重点，成本略高，但一般用于低压装置或小型箱体，操作方便，性价比较好。

本设计中高压开关和低压馈电开关均采用左右平移式快开门，在保证隔爆性能的同时，也使箱体兼具大方的外观，操作方便，增加了系统品质。

3、关键技术与难点

本项目的研究对象是一个涉及到信号处理、智能控制、计算机通信和故障诊断技术的复杂应用系统，技术上主要涉及的有：

自动化检测、信号处理、通信网络、数据库等技术，目的是组建以故障特征量提取电路、交流信号调理采集电路和多总线通信模式为基本架构，采用平滑滤波采样方式和FFT算法，以及频率跟踪技术，实现电参数在线检测与实时显示、数据存储与分析、供电线路控制与保护、故障告警和数据网络化传输的保护系统，是集继电保护、综合测控、数据通信功能于一体的矿用高低压新型馈电开关控制保护系统。

本项目的技术难点是过电流选择性保护、断路器故障诊断、信号交流采样技术和FFT算法对故障特征量的提取，此外多总线通信模式设计及通信协议制定对系统显示和网络化也尤为重要。

4、拟采取的技术方案及可行性分析

（1）拟采取的技术方案

1）通过对矿用高低压线路常见故障机理、保护方法与原理和在线检测手段的分析，提出实现矿用高低压新型馈电开关控制保护系统的总体设计方案。

2）研究故障特征量在线检测的各种方法和手段，总结故障特征量与故障之间的内在关系，并结合井下高低压线路负荷的特殊情况，最终选择效果最佳的特征量在线检测方案。

3）进行在线检测及保护的硬件和软件设计。

系统采用高精度二次互感器技术、最佳的特征量在线检测方案和精密的交流采样采集单元，进行特征量提取和信号的检测处理，结合各种线路保护原理以及先进的FFT算法，得出可靠的检测数据、故障信息和合理的逻辑判据，实现高低压线路电参数的在线检测和系统继电保护。

然后，通过人机交互电路显示系统参数和状态信息及告警，同时以通信网络与其它监测系统共享资源。

（2）可行性分析

本项目目前处于研发阶段，已对国内大型矿井的现有移动变电站及高低压馈电开关使用情况、矿井负荷及供电方式的特点进行过考察，并对国内和国外相关设备进行了一定程度的研究，对国内外的科研技术动态有了深入了解，此项目有较强的理论基础和良好广阔的市场前景，实用价值高，社会效益显著。

项目申请者所在部门为太原理工大学电气与动力工程学院，学院有电力电子与电力传动硕士点，有较强的研究群体和实验设备，有比较齐全的智能电器研究方面的分析测试仪器设备。

本项目的研发团队矿用智能电器研究所是山西省高等学校优秀创新团队，长期从事矿用智能电器、电力系统自动化、煤矿供电系统及通风机监测监控技术的研究。

先后承担过国家攻关项目、国家自然科学基金重点项目、科技部国际合作重点项目、山西省国际合作项目、山西省科技攻关项目以及企业重大科技攻关项目的研究，这些项目涉及煤矿井下低压电网选择性漏电保护及其装置、大型发电机绝缘检测及寿命评估、矿井火灾防治、综采工作面组合电器、多巷道掘进多局部通风机集成控制、多局部通风机监测监控等内容。

目前团队正承担国家科技支撑重点项目“煤矿全矿井安全生产数字化监测监控及重大灾害预警系统的研究”（2007BAK29B00）（10890万元，其中国拨资金3192万元），国家支撑计划重点项目“年产千万吨级矿井综采工作面成套装备及关键技术”中“煤炭安全高效开采配套智能组合电器关键技术”（2007BAB13B01）（1100万元，其中国拨经费300万元）子项目的研究，这两个项目均已通过专家鉴定和科技部门的验收，被评定为国际领先和国际先进水平，并已经运用到了实践中，设备运行良好，达到了设计要求。

团队自2004年以来共承担横向课题18项，为企业解决了技术难题的同时，形成了具有实用价值的技术成果，获得了国家科学技术进步二等奖1项、省部级科学技术奖一等奖3项；发表论文150余篇，其中被三大索引收录20余篇；获得国家专利授权9项；五年来共转化成果6项，有9家大中型企业生产，产生了巨大的经济效益和社会效益。

创新团队深入开展的研究积累了丰富的经验，奠定了良好的基础。

团队已对申请课题做了一定的预研，拟申请中的项目研究目标和内容明确、思路清晰，计划进度安排合理，就项目成熟性而言符合要求。

5、提交成果形式与主要技术、经济指标

本项目旨在建立一种新型智能综合保护系统，该系统不仅具有电压、电流、选择性漏电等综合保护功能，还采用FFT算法及相敏保护、负序保护和反时限过载保护原理优化了保护特性，解决大容量电机起动电流与长距离线路末端短路电流难以区分的问题（过电流选择性保护）和电网不对称短路保护问题，提高了保护灵敏度，并具备电能计量、故障记忆录波和多总线网络通信功能，最终形成保护功能完善、人机界面良好、通讯功能强大的矿用高低压新型馈电开关产品。

在形成产品的同时，本项目预计发表3篇核心论文和形成1项发明专利。

由于本设计中采用TMS320F28335为控制核心，采用交流采样技术和FFT算法进行数据处理，完全克服了直流采样中固有整流时间长和普通交流采样算法误差大的缺点，使得短路保护动作更加迅速和准确，达到<50ms的瞬动，远远高于国家标准的要求。

系统主要涉及自动化检测、交流采样及信号处理、多总线网络通信等技术，其具体考核指标如下：

（1）矿用高压开关技术指标

1）额定电压：

10（6）kV；

2）额定电流：

400A；

3）额定频率：

50Hz；

4）额定短路开断电流：

20kA（有效值）；

5）短路关合电流：

50kA（峰值）；

6）额定短时耐受（热稳定）电流：

20kA；

7）额定峰值耐受（动稳定）电流：

50kA；

8）额定短路持续（热稳定）时间：

2s；

9）主回路电阻：

≤500µΩ；

10）电气保护特性

高压开关保护系统以TMS320F28335为控制核心，采用智能化全中文显示，可实现选择性漏电、绝缘监视、过欠压、短路、过流、变压器温度等保护功能，实时显示工作电压、电流值及合、分闸状态、故障状态及故障时间、系统电能等。

过载保护

过载保护动作电流值按电流互感器5A的0.2、0.3、0.4、0.6、0.8、1.2、1.4倍分级整定，精确度为±5%，其反时限保护特征符合下表规定：

系统电流/额定电流

1.05

1.2

1.5

2

6

过载延迟时间（s）

∞

＜120

＜60

＜20

可返回时间＞8

状态

从冷态开始

从热态开始

从冷态开始

短路保护

短路保护动作电流值按电流互感器二次电流（5A）的1.6倍、2.0倍、3.0倍、4.0倍、5.0倍、6.0倍、8.0倍、10.0倍分级整定，从短路信号出现到发出保护信号小于50ms，精确度为±5%。

漏电保护

a.零序电流整定值分档可调；标称值为0.5A、1.0A、2.0A、3.0A、4.0A、5.0A、6.0A、8.0A共八挡，精度为8％。

b.零序电压整定值分档可调；标称值为：

3.0V、5.0V、10.0V、15.0V、20.0V、25.0V共六挡，精度为8％。

c.漏电动作时间分档可调；标准值为：

0.1s、0.2s、0.3s、0.5s、0.7s、1.0s、1.5s、2.0s共八挡。

绝缘监视保护

绝缘监视保护是对高压双屏蔽绝缘电缆地线及监视线状况进行监视，动作特性如下表：

保护动作状态

可靠动作

允许动作

不允许动作

监视线与地线回路电阻kΩ

>1.5

0.8—1.5

<0.8

监视线与地线绝缘电阻kΩ

<3.0

3.0—5.5

>5.5

保护动作时间小于0.08s

___

<0.08

___

电压保护

当电网电压降低至网络电压70%时欠压保护，升至120%时过压保护,动作时间10s。

11）非电量保护

根据输入的瓦斯闭锁、风电闭锁及低压设备闭锁接点状态，启动保护动作于告警或跳闸；根据断路器触头温度进行温度保护，可以根据用户需求自行整定温度值。

12）通信网络

设备支持485总线和CAN总线通信，可以上传高压开关电参数及分合闸状态信息，也可接受远程控制信息实现远程监控。

系统支持用户自定义通讯协议，具备多种通讯协议的网络通讯能力。

13）采用分辨率为240×128汉字液晶显示器，配合菜单式人机交互界面，可方便地查询修改参数，运行时实时显示当前绝缘电阻值、系统电流、系统电压与合分闸状态，且具有事故性质、时间记忆与查询和电能计量功能，操作直观简便。

（2）矿用低压馈电开关指标

1）额定电压：

1140/660V；

2）额定电流：

630A；

3）额定频率：

50Hz；

4）极限分断能力：

7.5kA；

5）机械寿命：

不小于20000次；

6）电寿命：

不小于3000次；

7）电力电缆最大外径：

63mm；

8）电气保护特性

低压馈电开关的保护系统以TMS320F28335为控制核心，采用智能化全中文显示，可实现漏电、绝缘监视、过欠压、短路、过流等保护功能，实时显示工作电压、电流值及合、分闸状态、故障状态及当前故障时间等。

1馈电开关电流保护主要性能参数

保护项目

试验电流/电流整定值

动作时间t

初始状态

过载保护

1.05

2h内不脱扣

从冷态开始

1.20

5min＜t＜20min

从热态开始

1.50

1min＜t＜3min

6.00

8s＜t＜14s

短路保护

4

14～45s

从冷态开始

6

8～14s

8

瞬动

断相

任意两相

第三相

10～20s

从热态开始

1.1

0

两相不对称短路

任意两相

第三相

≤800ms

4

0

2馈电开关其他保护主要性能参数

保护项目

动作参数

动作条件

动作时间

过压

系统工作电压UW

UW＞110%Un

3～5s

欠压

系统工作电压UW

UW<75%Un

3～5s

漏电闭锁

电网对地绝缘电阻R

R≤22kΩ+20%（660V）

R≤40kΩ+20%（1140V）

漏电保护

电网对地绝缘电R

R≤11kΩ+20%（660V）

R≤20kΩ+20%（1140V）

≤30ms（R=1kΩ时）

选择性漏电保护

电源每相对地电容不大于1uF，负荷分支电容不大于0.3uF时，漏电电阻20（10）kΩ及以下能可靠实现选择性漏电保护，其后备保护动作时间不大于0.25s。