矿用隔爆型移动变电站高低压馈电开关项目建设可行性研究报告.doc
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1、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
2、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
3、,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
4、,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
5、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
6、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
7、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
8、;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
9、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。系统具有模拟漏电、过流试验的自检功能。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。计量功能可以计算并记录系统的有功功率、无功功率、功率
10、因数、电能等参数。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。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。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。大屏显示人机界面保护系统采用分辨率为240128的大屏LCD显示器,可实现单屏8行15个汉字的显
11、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。系统具有模拟漏电、过流试验的自检功能。计量功能可以计算并记录系统的有功
12、功率、无功功率、功率因数、电能等参数。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。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。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。大屏显示人机界面保护系统采用分辨率为240128的大屏LCD显示器,可实现单
13、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。TMS320
14、F28335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
15、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
16、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
17、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
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