基于电流变化率的煤矿电网短路故障快速判断装置及方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及煤矿电网领域，尤其涉及煤矿的继电保护装置及煤矿电网短路故障判 断领域，特别涉及一种基于电流变化率的煤矿电网短路故障快速判断装置及方法。
【背景技术】
[0002] 随着现代煤矿井下设备容量的不断增大，煤矿电网故障时短路电流值也不断上 升，井下电网中部分支路的短路电流已逼近甚至超过井下开关的遮断容量，这在很大程度 上限制了井下电网的运行。强大的短路电流产生的热冲击和电动力破坏性很大，因此尽早 发现短路故障并且在短路电流还未达到最大值时就将故障点切除，不仅可以避免线路上各 设备及控制开关本身长时间承受巨大的热冲击及电动力，而且还可以防止因短路故障点产 生的电火花引爆瓦斯或煤尘等易燃易爆气体，对于煤矿井下电力系统安全、稳定的运行有 着重大的意义。因此，对煤矿供电系统中短路故障检测判断的要求是准确、快速地判断短路 的发生。
[0003] 根据有关实验和文献，如果电气设备的故障分断时间小于煤矿井下电网形成外露 电火的故障形成时间，就可以保证在形成电火花之前有效的将供电电源切断，从而保证不 会因电火花引起瓦斯或煤尘爆炸。文献指出，煤矿井下供电系统各个环节的故障形成时间 分别为:隔爆外壳l〇ms;橡套线缆5ms。也就是说，当我们在故障形成时间之前就有效的限制 短路电流水平，将短路电流幅值限制在安全范围之内，这样可以保证故障点电火花产生的 能量不会引燃瓦斯等气体，极大地提高了煤矿电网运行的安全性。
[0004]目前应用于煤矿电网的短路检测判断技术主要有3种方法：（1)基于短路电流瞬时 值大小的判断方法。（2)基于相敏原理的短路检测方法。（3)基于载频原理的短路检测技术。 研究表明，以线路电流的有效值或是最大值作为检测量的取样方式比较可靠，但是采样时 间长，至少需要l〇ms以上;反映线路电流瞬时值的检测方式，取样时间较短，在10ms以内，但 是可靠性差。基于电流瞬时值故障判断方法是预先设定短路电流判断设定值，当线路电流 的瞬时值达到预先设定值时，即判断为短路故障，发出动作指令。因此，这种方法必须考虑 线路在正常工作时可能出现的电流最大值，使短路判断设定值高于此最大电流值，否则就 可能会出现误判误动，且故障判断时间过长，不能满足快速故障判断的要求。同时检测线路 电流和阻抗角的相敏短路保护必须在短路电流的稳态下进行，取样时间也较长。基于载频 原理的短路检测技术多用于井下煤电钻综保中，检测的电压、电流值较小，应用范围有限。 相敏短路保护以电流和相位角两个参数为监测量，提高了故障判断的准确性，尤其在短路 电流较小而功率因数较高的情况下，判断更准确。但是，相位角取样的速度受到限制，而且 存在一定的"死区"，应用受到一定的限制。
【发明内容】
[0005]本发明的目的在于克服上述现有技术中的不足提供一种能在短路发生瞬间快速 准确发现故障的基于电流变化率的煤矿电网短路故障快速判断装置及方法。
[0006] 本发明的技术方案是这样实现的：一种基于电流变化率的煤矿电网短路故障快速 判断装置，该装置包括电流信号采集部分、信号转换处理部分、计算判断部分和人机接口部 分；
[0007] 电流信号采集部分由安装在每条线路上的电流互感器CT组成，负责采集线路上电 流情况，CT将线路的大电流变换为小电流；
[0008] 信号转换处理部分由电流变送器、多路转换开关、采样保持器和模/数转换器组 成，该部分轮流采集每条线路上的电流信号，送入CPU进行判断计算;其中，电流变送器对电 流信号进一步进行调理，将CT二次侧的电流信号转变为电子线路可以接受的弱电流信号； 模/数转换器将模拟量的电流信号转换为数字信号，送入CHJ处理；
[0009] 计算判断部分主要包括CPU，CPU可选用单片机，对输入的数字量电流信号进行相 应计算，然后进行判断，给出故障判断信号；
[0010] 人机接口部分由液晶显示器和数字键盘区组成。
[0011] -种基于电流变化率的煤矿电网短路故障快速判断方法，主要作为煤矿电网短路 故障判断，在判断过程中该方法主要包括四个阶段的判断计算:第一阶段，电流一阶导数计 算;第二阶段，电流一阶导数过零点判断；第三阶段，电流一阶导数判断；第四阶段，电流二 阶导数计算及判断;首先进入第一阶段，不间断计算煤矿电网线路电流变化率情况;然后进 入第二阶段，判断一阶导数是否过零点，如果一阶导数过零，则进入第四阶段，启动电流二 阶导数计算；否则，则进入第三阶段，与前一个电流变化率计算结果相比较，如果电流变化 一阶导数超出设定的变化范围，则判定发生短路故障，如果未超过设定范围，进行第一阶段 继续进行一阶导数计算;第四阶段中，电流二阶导数计算，与前一个计算的电流变化二阶导 数相比较，如果超出设定范围，则判定为短路故障，并进行相应操作，否则，返回第一阶段。
[0012] 基于电流变化率的煤矿电网短路故障快速判断方法的具体步骤为：
[0013] 步骤1:线路电流瞬时值采集;通过安装在各条线路上的电流互感器，采集各条线 路上流过的电流瞬时值信号，进行电流分析计算；
[0014] 步骤2:进入第一阶段：电流一阶导数计算判断;计算各条线路电流变化率的一阶 导数值，并进行数据记录；
[0015] 步骤3:进入第二阶段：电流一阶导数过零点判断;计算得到的一阶电流导数值与 上一个采样点的电流一阶导数值相对比，如计算值为零或前后两个计算值符号发生改变， 则判定为电流一阶导数过零，则进入步骤五，否则，进入步骤四；
[0016] 步骤4:进入第三阶段:将计算的电流变化率一阶导数值与记录的前一个一阶导数 值进行比较计算，计算式如下：
[0018]
表示在t = ti时刻，电流对时间一阶导数的绝对值 下一个采样时刻即t = t2时刻，电流对时间一阶导数的绝对值，lu为系数，其大小可以根据煤 矿电网实际供电情况进行设置；
[0019] 若满足该式，则判定为短路故障，否则，进入第一步骤；
[0020]步骤5:进入第四阶段:二阶导数计算;对于一阶电流过零点线路，计算多个电流变 化二阶导数值，将电流变化二阶导数值与前一个二阶导数值进行比较计算，计算式如下：
[0022]若满足该式，则判定为短路故障，否则，进入第2步骤。
[0023]根据煤矿电网网络形式和负荷结构不同，设置不同的电流一阶变化率、二阶变化 率判断系数lu，k2，以满足煤矿电网供电负荷情况变化要求。
[0024] 本发明的技术方案产生的积极效果如下：由于煤矿电网正常、短路故障时电流变 化率不同，本发明通过不间断的计算短路前后线路电流的一阶、二阶导数，并与前一次计算 的一阶、二阶导数值进行对比，如果二次计算出的短路电流导数超过设定的比例系数，即判 断为电路发生了短路故障；由于线路电流的一阶、二阶导数具有变化速度快、变化显著的特 点，选用一阶、二阶导数作为监测参数，可以在短路发生瞬间快速准确地发现故障。
【附图说明】
[0025] 图1为本发明煤矿电网短路故障快速判断系统结构示意图。
[0026]图2为本发明煤矿电网系统等效图。
[0027] 图3为本发明短路系数N与电流变化率的关系曲线图。
[0028] 图4为本发明短路系数N与电流二阶导数关系的变化曲线图。
[0029] 图5为本发明故障判断主程序框图。
[0030]