张天鹏，范秋凤*，束芳芳（.安阳工学院，河南安阳455000；.许继电气股份有限公司，河南许昌46000）

新型煤矿供电网防越级跳闸保护装置的研制

张天鹏1，范秋凤1*，束芳芳2
（1.安阳工学院，河南安阳455000；2.许继电气股份有限公司，河南许昌461000）

以煤矿供电网越级跳闸现象为研究对象，在分析电流纵联差动保护、级联闭锁工作原理和防越级跳闸保护逻辑的基础上，介绍了一种煤矿供电网防越级跳闸保护装置的研制过程。保护装置以32位ARM处理器MB9BF618S为控制核心，可以实时检测供电网输电线路的工作状态，对输电线路故障进行有效的保护。该保护装置具有结构简单、操作方便、可靠性高等特点，能够满足煤矿供电网防越级跳闸保护的要求，具有较高的应用价值。

煤矿供电网；越级跳闸；电流纵联差动；级联闭锁

煤矿供电网的可靠性和稳定性十分重要，直接影响着煤矿的生产安全和人身安全，建设可靠、稳定的供电网是煤矿建设的关键任务之一。但因为煤矿生产的特殊性，煤矿井下高压供电网大多采用多段短电缆所组成的逐级控制干线式纵向网络。在该供电模式下，供电线路距离短、截面积大，每段电缆的阻抗较小，当线路发生短路故障时，线路首端与线路末端的短路电流相差很小，导致相邻各级微机保护装置能够同时检测到故障电流［1-2］，都无法按照电流整定值来判断短路故障发生的区域，从而不能构成有效的纵向选择性短路保护系统，引起“越级跳闸”现象，造成煤矿井下大面积停电，极大地影响了煤矿井下供电网的安全［3］。本文结合当前常用的煤矿供电网防越级跳闸保护方案的特点，提出了一种基于电流纵联差动保护和级联闭锁相结合的保护方案，实现对煤矿井下供电网越级跳闸的防护。

1　保护原理和保护逻辑

1.1电流纵联差动保护

电流纵联差动保护是按比较被保护线路各端电流的大小和相位的原理实现的，是以基尔霍夫电流定律为依据的，其保护示意图如图1所示［4-5］。为了实现电流纵联差动保护，需要在输电线两侧装设性能和变比完全匹配的电流互感器，且电流互感器一次侧同名端（图中用“*”表示）均接在靠近母线的一侧，二次侧同名端用导线联接，差动继电器KD接于电流互感器二次侧的差动回路中。

图1　电流纵联差动保护示意图

当线路正常运行或被保护线路MN外部K1点发生短路故障时，在理想情况下，通过线路M、N两侧的电流IM和IN的大小相等、方向相同，通过电流互感器两次侧的电流Im和In大小相等、方向相反，流入差动继电器KD的电流为电流互感器两次侧电流之差，即

式（1）中的NTA表示电流互感器的变比。

当被保护线路MN内部K2点发生短路故障时，在理想情况下，通过线路M、N两侧的电流IM′和IN′的大小相等、方向相反，通过电流互感器两次侧的电流Im′和In′大小相等、方向相同，流入差动继电器KD的电流为电流互感器二次侧电流之和，即

式（2）中的Ik表示归算到电流互感器两次侧的总短路电流。如果Ik大于差动继电器的动作电流，则差动继电器动作，将线路两端的断路器QF1和QF2断开，切断供电线路，从而起到保护的作用。

1.2级联闭锁工作原理

级联闭锁是将具有纵联关系的保护装置连接起来，通过设置时间级差使各级保护装置的动作时间错开，当线路发生短路故障时，任何检测到故障电流的保护装置，在进行保护动作之前迅速向上一级保护装置发出闭锁信号，上级保护装置利用收到的闭锁信号快速闭锁本身的保护功能，并向更上一级保护装置发出闭锁信号，从而实现选择性跳闸，避免越级跳闸［6-7］。级联闭锁的基本工作原理如图2所示。假定图2所示系统中K3处发生短路故障，按照电流纵联差动保护的工作原理，可以判断短路故障发生在断路器QF4之外，断路器QF4的保护装置在动作之前向断路器QF3的保护装置发出闭锁信号，断路器QF3的保护装置在收到闭锁信号后，将向断路器QF2的保护装置发出闭锁信号，如此环环相扣，收到闭锁信号的保护装置将不会发出保护跳闸动作指令，从而防止了断路器QF3、QF2、QF1的保护装置先于断路器QF4的保护装置动作，避免了越级跳闸现象的发生。考虑到断路器QF4可能拒动，断路器QF4的保护装置发给上级保护装置的闭锁信号经过相应的延时时间后会自动解除，此时由断路器QF3的保护装置动作，发出保护跳闸指令，切除故障线路。

图2　级联闭锁基本工作原理

1.3保护逻辑

防越级跳闸保护功能的启用由保护软压板控制，当保护软压板投入时，保护功能启动；当保护软压板退出时，保护功能禁止，其保护逻辑如图3所示。图3中的Ik表示线路中的短路电流，Iset表示电流纵联差动保护动作的整定值，Umin表示线路中线电压的最小值，Ulset表示低电压闭锁值，U2表示线路中负序电压值，Ufset表示负序电压闭锁值，Tdy表示保护动作时间整定值。复压闭锁包括低电压闭锁和负序电压闭锁，其主要作用是防止因变压器过载而引起的误动作，提高短路故障时保护出口的灵敏度。低电压闭锁Ulset和负序电压闭锁值Ufset可以整定。在设计时，Iset的整定范围为0.05 A～200.00 A，步长为0.01 A；Tdy的整定范围为0～200 s，步长为0.01 s；Ulset的整定范围为1.00 V～200.00 V，步长为0.01 V；Ufset的整定范围为1.00V～200.00V，步长为0.01V。

图3　防越级跳闸保护逻辑图

2　保护装置的硬件电路设计

2.1硬件电路的总体结构

保护装置的硬件电路设计采用模块化设计思想，将整个电路分为微处理器模块、电流/电压输入模块、开关量输入/输出模块、人机接口模块、通信模块、电源模块等，其基本结构框图如图4所示［8-9］。

微处理器模块以32 bitARM处理器MB9BF618S为核心，MB9BF618S的主频可达144MHz，内部集成24通道12 bit A/D转换器、2路以太网控制器、8个多功能串行口，16个基本定时器和3个多功能定时器，具有足够多的I/O接口和快速处理数据能力，在电路中主要起参数设置、电流/电压采集、电气量计算、保护判断、输出控制等作用；电流/电压输入模块的作用是利用电压互感器和电流互感器完成对三相电压和三相电流输入信号的采集和变换；开关量输入模块的作用是采集断路器的位置信号和接收级联闭锁输入信号，开关量输出模块主要用于保护装置的保护跳闸出口、信号告警出口和级联闭锁信号输出；人机接口模块用以保护装置与外界进行信息交互；通信模块用以实现保护装置之间、保护装置与监控主机之间的数据通信。

图4　硬件电路设计结构框图

2.2电流/电压输入模块设计

电流/电压输入模块主要由电压互感器、电流互感器和信号调理电路构成。电流互感器和电压互感器将输电线路的三相电压和电流信号变换成弱电信号，并将强电信号和弱电信号隔离；信号调理电路的作用是将互感器输出的交流弱电信号转换成直流信号，并进行滤波，以供MB9BF618S内部的A/D转换器（输入信号为0～5 V的电压信号）使用。

电流/电压输入模块电路设计的原理图如图5所示［10］。

图5　电流/电压输入电路设计

图5中的T1为100 A/20mA的电流互感器，T2为2mA/2mA的电流型电压互感器。电流输入信号经过电流互感器T1和510Ω的电阻后（电压信号经过50 kΩ的电阻、电压互感器和5.1 kΩ的电阻后），变换成10.2 V的正弦交流信号，然后经过由6.2 kΩ和1 kΩ电阻构成的分压电路，将其变换成1.42 V，最后利用750Ω电阻和100 nF电容构成的滤波电路进行滤波，以消除高频谐波的影响，并在1.5 V基准电压的作用下，将互感器输出的正弦交流信号转变成 0.08 V～2.92 V的直流信号，送入MB9BF618S内部A/D转换器的输入端。

2.3开关量输入/输出模块设计

开关量输入/输出模块电路设计如图6所示［11］。图6中的DIIN表示开关量输入信号开关，DIOUT表示开关量输入电路的输出端，DO表示开关量输出信号，DOJA、DOJB表示输出继电器的线圈和常开触点，TLP181为光电耦合器件。当有外部开关量输入信号时，DIIN闭合，24 V直流电源经过DIIN、3.9 kΩ、680Ω和3.9 kΩ的电阻，680Ω电阻两端的电压驱动TLP181导通，DIOUT端子输出低电平（低电平表示开关量输入信号有效）。当保护装置需要输出控制信号时，DO变为低电平，TLP181导通，在24 V直流电源的作用下，三极管导通，继电器线圈DOJA得电，继电器常开触点DOJB闭合，外电路接通。

图6　开关量输入/输出电路设计

2.4通信模块电路设计

通信模块电路是保护装置与其它装置之间实现运行状态监控、参数远程设置、闭锁信号传递等数据通信功能的接口，包括RS485总线接口和以太网通信接口，RS485总线接口电路使用差分数据收发器SN65LBC184D实现，以太网接口使用以太网物理层双端收发器DP83849ID和网络插座变压器HR911105实现，其中DP83849ID的部分接口电路如图7所示。图7中的DP83849ID被设置为RMII （Reduced Medium Independent Interface）模式，使用数据信号发送线（TXD1、TXD0）、数据接收信号线（RXD1、RXD0）、数据发送使能信号（TX_EN）、接收数据有效信号/载波侦测信号（CRS_DV）等端口与MB9BF618S内部的以太网控制器进行数据交换。

3　防越级跳闸保护的程序设计

保护装置的软件设计按照模块化设计思想，将具有不同功能的模块分别进行编写，采用C语言编程，其中防越级跳闸保护部分的程序设计流程如图8所示。

图7　DP83849ID接口电路设计

图8　防越级跳闸保护程序流程图

4　结论

保护装置采用的基于Cortex-M3内核的32位ARM处理器MB9BF618S，具有接口多、性能高、功耗低、成本低等优点，大大提高了保护装置的可靠性和经济性。保护装置可以实现煤矿供电网短路保护的选择性动作，有效防止越级跳闸现象的发生。保护装置在使用过程中，当某一级保护装置发生级联闭锁信号传输故障时，上一级保护装置的定时限保护功能启动，尽可能缩小越级跳闸的范围，提高了煤矿供电网的安全性和可靠性。

［1］ 许丹，易晓郑.煤矿井下6 kV供电系统防越级跳闸方案研究［J］.煤炭工程，2013，45（10）：24-25.

［2］ 董小秋，张伟.基于闭锁控制的煤矿供电系统防越级跳闸新方案［J］.中州煤炭，2013（11）：14-16.

［3］ 王建文.防越级跳闸在煤矿供电系统的应用［J］.山西焦煤科技，2014（2）：51-53.

［4］ 马星河，马星煊，王永胜.基于数字化变电站技术的煤矿井下防越级跳闸方案研究［J］.煤矿机电，2013（5）：1-4.

［5］ 史丽萍，赵万云，蒋朝明，等.煤矿井下防越级跳闸方案［J］.煤矿安全，2012，43（8）：115-117.

［6］ 罗娟，贠保记，雷富坤.防止煤矿供电越级跳闸新方法的研究［J］.西安科技大学学报，2014，34（1）：62-66.

［7］ 陈帅，于群，于梦瑶，等.基于C8051F020的煤矿防越级跳闸保护装置的设计［J］.煤矿机电，2014（6）：20-25.

［8］ 张海波，胡大可.低成本高速率传感器网络的设计与实现［J］.传感技术学报，2010，23（5）：732-737.

［9］ 张天鹏，翟亚芳，郝申军.低压电动机热过载保护装置的研究与设计［J］.电力系统保护与控制，2015，43（13）：100-106.

［10］刘洪星，翟亚芳，吴战伟.低压三相电动机多功能保护装置的设计与应用［J］.电力系统保护与控制，2014，42（15）：100-106.

［11］张天鹏，翟亚芳，张修太，等.基于MB9BF618S的高压电机微机保护装置设计［J］.郑州大学学报（理学版），2015，47（3）：110-115.

［12］冯星辉，张修太，翟亚芳.智能型低压电动机保护装置的研究与设计［J］.电子器件，2015，38（3）：671-675.

张天鹏（1980-），男，河南南阳人，硕士，讲师，主要研究方向为电力系统自动化，zhangtp@ayit.edu.cn。

范秋凤（1978-），女，河南安阳人，硕士，讲师，主要研究方向电气工程及其自动化，fqf_god@163.com。

Developmentof Protection Device to PreventOverride Tripping in Power Supp ly Network of CoalM ines

ZHANG Tianpeng1，FAN Qiufeng1*，SHU Fangfang2
（1.Anyang Institute of Technology，Anyang He'nan 455000，China；2.XJELECTRICCO.，LTD，Xuchang He'nan 461000，China）

Based on theworking principle analysisof current longitudinal differentialprotection，and cascade blocking ofworking principle and protective logic for anti-override tripping，an anti-override tripping protection device is presented in considering the override trip in power supply network of coalmines.This protection device uses the 32-bit ARM processor MB9BF618Sas the core component，it is able tomonitor the transmission line status，to provide protection for the power supply network of coalmines.This protection device couldmeet the requirements of power supply system in coalmineson anti-override tripping protection and hashigher application value，which has the featuresofsimple structure，easy operation，and high reliability.

power supply network of coalmines；override trip；current longitudinaldifferential；cascade blocking

TD611；TM 774

A

1005-9490（2016）04-1015-05

2015-11-22修改日期：2016-01-10

EEACC:814010.3969/j.issn.1005-9490.2016.04.049