CN104852348A - 一种基于sscb的煤矿电网快速故障限流器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于SSCB的煤矿电网快速故障限流器，主要作为煤矿供电网络限流使用，所述快速故障限流器串联在煤矿电网供电线路上，用以限制煤矿电网短路电流；所述快速故障限流器包括正常通流回路、故障限流回路及故障判断部分，所述正常通流回路包括主关断回路和辅助关断回路，所述主关断回路采用了二极管桥型整流电路，将交流转变为直流进行控制，由1个绝缘栅双极型晶体管实现直流回路部分通断控制，所述辅助关断回路主要由电阻、电容、门极可关断晶闸管组成快速关断辅助回路，用于实现正常通流回路的快速关断。本发明提供一种通过在故障时降低短路电流水平来提高煤矿电网故障时母线残压水平进而保证该母线上所连其它条线路的正常供电的基于SSCB的煤矿电网快速故障限流器。

Description

一种基于SSCB的煤矿电网快速故障限流器

技术领域

本发明属于供电领域，具体涉及一种用以限制故障电流水平、提高故障时煤矿电网母线残压水平的基于SSCB的煤矿电网快速故障限流器。

背景技术

目前我国煤矿多采用电力作为井下生产机械的动力来源，因此煤矿供电网络担负着为井下各生产设备提供能源的重任，煤矿供电网络的运行状态直接关系到煤矿的正常生产，对矿山的安全有着重要的作用。煤矿井下空间狭小，负荷集中，生产环境恶劣，煤矿供电网络处于恶劣的工作环境中极易发生短路、漏电等各种故障。当电网中发生小故障后，又由于处理不及时、设备自身问题等引起其他连锁反应，使得故障影响范围扩大。

短路电流严重影响了煤矿的生产安全，需要采取有力的故障限流措施，来限制短路电流对煤矿电网造成的影响。《煤矿安全规程》规定，井下电力网的短路电流不得超过其控制用的断路器在井下使用的开断能力，所以在一些旧的煤矿中地面变电所高压下井电缆上串联限流电抗器来限制短路容量。

通过对限流电抗器耗电量的计算统计发现，如果直接将限流电抗器串接在高压下井电缆上，运行过程会消耗大量的电能，使煤矿生产的经济性变差，所以需要采用新的故障限流方法。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术中的不足提供一种通过在故障时降低短路电流水平来提高煤矿电网故障时母线残压水平进而保证该母线上所连其它条线路的正常供电的基于SSCB的煤矿电网快速故障限流器。

本发明的技术方案是这样实现的：一种基于SSCB的煤矿电网用快速故障限流器，主要作为煤矿供电网络限流使用，所述快速故障限流器串联在煤矿电网供电线路上，用以限制煤矿电网短路电流，电网正常时，该故障限流器呈现出低阻抗状态，限流器阻抗很低，两端压降及电能损耗均很低，不影响供电系统的正常运行；所述快速故障限流器包括正常通流回路、故障限流回路及故障判断部分，所述正常通流回路包括主关断回路和辅助关断回路，所述主关断回路采用了二极管桥型整流电路，将交流转变为直流进行控制，由1个绝缘栅双极型晶体管实现直流回路部分通断控制，所述辅助关断回路主要由电阻、电容、门极可关断晶闸管组成快速关断辅助回路，用于实现正常通流回路的快速关断。

在煤矿电网三相线路中，每相上均安装故障限流器，运行时采取“两用一备”的方法，选择三相中两相FCL投入系统，一相FCL进行维护检修。

所述故障判断部分由硬件电路和软件两部分组成，硬件部分主要由DSP和复杂可编程逻辑阵列CPLD组成，编制相应的控制、计算程序，实现电流信号快速采集与处理，可以实时监测母线上各条出线的电流，同时给快速故障限流器中IGBT、GTO提供脉冲控制信号，实现快速通断功能；所述故障判断部分，还包括IGBT过电流保护，用以控制其正常开断，能实现IGBT的过电流保护功能。

所述故障限流器(FCL)串联在输电线路中，供电系统正常时其阻抗很小，几乎为零；当系统发生短路时，FCL在极短的瞬间转变为高阻抗，这样系统总的短路阻抗增加，相应短路电流变小，达到限制短路电流的目的。

正常通流回路由固态断路器构成，与故障限流回路并联，供电系统正常时固态断路器闭合，其阻抗很小，电流流过正常通流回路，因此FCL两端压降和电能损耗较小；在短路故障发生时固态断路器将迅速断开，正常同流回路退出系统，故障限流回路就可以接入供电系统。故障限流回路由空心电抗器构成，也称限流电抗器，空心电抗器流过交变电流时，表现出较大的感抗，可以阻碍电流变化。

本发明的技术方案产生的积极效果如下：短路故障发生后，供电系统的电流电压都要发生变化，故障检测部分根据检测的电流电压变化情况，判断是否是短路发生，确定故障后给正常通流回路发出动作信号，控制固态断路器断开退出系统，限流回路接入系统，完成FCL由低阻抗正常状态到高阻抗限流状态的转变。

另外，本发明的技术方案具有以下优点：

1.故障限流器能够有效地降低电网的短路电流水平，保证断路器等各种开关设备的正常开合，保证其动作可靠性，提高电气设备的动、热稳定性，延长使用寿命。

2. 由于降低了短路电流，可以降低变压器、断路器、互感器等各种电气设备的参数选择要求，提高电网的传输容量，节省设备投资。

3. 安装故障限流器后，可以降低线路正常工作时的电压降落，减小因装设线路电抗器产生的电能损耗。

4.安装故障限流器后，可以减小限流电抗器消电能损耗，降低煤矿的生产成本，提高煤矿生产的经济性。

附图说明

图1为本发明快速故障限流器原理图。

图2为本发明快速故障限流器单相电路拓扑结构图。

图3为本发明故障判断部分硬件组成原理图。

图4 为本发明快速故障限流器在矿井高压电网安装方式示意图。

具体实施方式

      一种基于SSCB的煤矿电网用快速故障限流器，如图1、2、3、4所示，主要作为煤矿供电网络限流使用，所述快速故障限流器串联在煤矿电网供电线路上，用以限制煤矿电网短路电流，电网正常时，该故障限流器呈现出低阻抗状态，限流器阻抗很低，两端压降及电能损耗均很低，不影响供电系统的正常运行；所述快速故障限流器包括正常通流回路、故障限流回路及故障判断部分，所述正常通流回路包括主关断回路和辅助关断回路，所述主关断回路采用了二极管桥型整流电路，将交流转变为直流进行控制，由1个绝缘栅双极型晶体管实现直流回路部分通断控制，所述辅助关断回路主要由电阻、电容、门极可关断晶闸管组成快速关断辅助回路，用于实现正常通流回路的快速关断。

图2中是一相电路的结构图，虚线框中部分为煤矿快速故障限流器(FCL)。在该故障限流器结构中，选用限流电抗器Lx作为限流元件。二极管整流桥D1～D4将交流电整流为直流，由T1作为正常状态下电流回路。T2、电阻R0、电容C0是快速关断续流回路。

另外所述短路故障检测部分由故障检测判断部分控制。

该故障限流器中T1采用绝缘栅双极型晶体管IGBT作为主元件，构成固态断路器(SSCB）作为正常通流回路中开关元件，采用桥式整流结构将交流转化为直流进行控制，其优点是关断时间短、需要控制的元件少，控制电路简单；缺点是线路所用的元件较多、要求IGBT的通态电流大等。T2选用门极可关断晶闸管GTO，经济可靠。

故障限流元件由空心电抗器构成，也称限流电抗器，空心电抗器是没有铁心的电感线圈，流过交变电流时，依靠自身的感抗，阻碍电流变化。故障限流器串联在输电线路中。供电系统正常时，电流流过正常通流回路，阻抗很小，因此FFCL上压降和电能损耗较小；正常通流回路还可以在短路发生时动作，自动退出系统，这样限流电抗器就可以接入供电系统。

故障检测部分由DSP和外围电路构成，将检测到的电流电压变化信号，转换为数字信号，送入DSP进行计算，DSP计算各条线路的电流变化率情况，判断是否是短路发生，确定故障后给正常通流回路发出动作信号，控制正常通流回路退出系统，限流电抗器接入系统，完成FCL由低阻抗正常状态到高阻抗限流状态的转变。

为了实现达到电流采样计算判断的快速性，本发明采用DSP（digital signal processing）和复杂可编程逻辑阵列CPLD(Complex Program Logic Device)组成故障判断部分，实现电流信号采集处理，同时给快速故障限流器中IGBT提供控制脉冲信号，实现快速通断功能。对于IGBT必须要能够控制其正常开断，同时在此基础上必须要能实现过电流保护。故障判断部分结构图如图3所示。

主电路上的电流信号经过电流传感器变换后进入高速数据采集芯片，高速A/D采样芯片可以实现数据的高速采集。为了进一步提高数据的实时性保证处理速度，可使用独立的单片机来实现数据的采集工作。

由DSP和CPLD组成的控制电路，由DSP对所采集的电流信号进行分析处理，完成故障判断，DSP输出控制信号给CPLD，由CPLD控制IGBT的触发模块，这样可以实现电流信号的变换和运算，得到IGBT的触发脉冲控制信号。

该快速故障限流器具体工作过程如下：当系统正常时，控制电路判断电路状态正常，给T1触发脉冲，保持T1导通，T2无触发脉冲保持截止；电路电流经D1～D4桥式整流后，流过T1，与负载构成闭合回路。由于二极管和晶闸管导通时阻抗很小，限流电抗Lx被短路，电路正常时不起作用，因此电路正常时FFCL的压降和能耗很小。当该相发生短路故障时，故障检测判断部分发现短路电流变化，判断为短路故障发生，撤去T1触发脉冲，同时给T2一个很短的触发脉冲信号，T2导通，T2导通瞬间T1截止，电流通过R0、C0 、T2构成的回路，直到T2截止。由于T2回路中有电阻R0，因此T2中电流很快衰减到零；当T2回路中总电抗值大于限流电抗值时，限流电抗被接入该相回路中，开始限流。

故障限流器在煤矿电网三相中安装如图4所示。选择在A、B、C三相均安装FCL，这样需要多投入资金，设备花费更高，同时FCL日常维护检修费用也相应增多，经济性稍差，但是系统的可靠性得到了很大的提高，运行的灵活性也大大提高。

三相FCL运行方式选择“两用一备”的方法，选择三相中两相FCL投入系统，一相FCL进行维护检修，过一段时间再将检修这组FCL投入系统，将运行中的FCL退出一组进行维护，轮流更换维护，这样设备可以得到定期维护保养，设备的使用年限将延长，具有较高的操作灵活性，设备的可靠性也得了到提高；也可以三相FCL都投入系统中，这样可以获得更高的可靠性。

所述快速故障限流器具备人机接口，通过DSP的I/O接口连接键盘及显示器，设置中断实现DSP访问键盘等外设；DSP计算各条线路电流情况，通过显示器实时显示各条线路电流瞬时值、电流变化率、故障限流器的短路动作电流整定值等参数。

所述人机接口，可以通过键盘选择故障限流器参数修改，输入新的故障限流器动作电流值，对程序中设定的故障限流器动作电流进行修改，实现短路动作电流值修改、整定、设置等功能。

Claims (5)

1.一种基于SSCB的煤矿电网快速故障限流器，主要作为煤矿供电网络限流使用，其特征在于：所述快速故障限流器串联在煤矿电网供电线路上，用以限制煤矿电网短路电流，电网正常时，该故障限流器呈现出低阻抗状态，限流器阻抗很低，两端压降及电能损耗均很低，不影响供电系统的正常运行；所述快速故障限流器包括正常通流回路、故障限流回路及故障判断部分，所述正常通流回路包括主关断回路和辅助关断回路，所述主关断回路采用了二极管桥型整流电路，将交流转变为直流进行控制，由1个绝缘栅双极型晶体管实现直流回路部分通断控制，所述辅助关断回路主要由电阻、电容、门极可关断晶闸管组成快速关断辅助回路，用于实现正常通流回路的快速关断。

2.根据权利要求1所述的一种基于SSCB的煤矿电网快速故障限流器，其特征在于：在煤矿电网三相线路中，每相上均安装故障限流器，运行时采取“两用一备”的方法，选择三相中两相FCL投入系统，一相FCL进行维护检修。

3.根据权利要求1所述的一种基于SSCB的煤矿电网快速故障限流器，其特征在于：所述故障判断部分主要由DSP和复杂可编程逻辑阵列CPLD组成，实现电流信号快速采集与处理，可以实时监测母线上各条出线的电流，同时给快速故障限流器中IGBT、GTO提供脉冲控制信号，实现快速通断功能；所述故障判断部分，还包括IGBT过电流保护，用以控制其正常开断，能实现IGBT的过电流保护功能。

4.根据权利要求3所述的一种基于SSCB的煤矿电网快速故障限流器，其特征在于：故障限流器可以在煤矿电网发生故障时，由程序判断出故障，DSP向CPLD发出控制信号，切断IGBT、GTO控制脉冲，快速断开IGBT、GTO正常通流回路，使限流电抗器回路开始流通电流，故障限流器转变为高阻抗状态，增加了煤矿电网的短路阻抗，限制短路电流的进一步增加，同时提高系统短路时母线残压水平，保证煤矿电网中其他部分的正常供电。

5.根据权利要求1所述的一种基于SSCB的煤矿电网快速故障限流器，其特征在于：所述故障限流器上设置有人机接口，所述人机接口为键盘和显示器，通过DSP的I/O接口连接，设置中断实现DSP访问键盘，可以同时监测多条线路的电流情况，实时显示各条线路电流瞬时值、电流变化率及短路动作整定值。