对称分量法在掘锚机组保护系统中的应用.pdf

第 4 3卷 第 1 O期 2 0 1 7年 1 O月 工矿 自 动化 I nd us t r y a n d M i ne Au t oma t i on V0 L 4 3 NO ．1 0 oc t ．2 01 7 文章编 号 1 6 7 1 2 5 1 X 2 0 1 7 1 0 0 0 1 4 0 4 DO I 1 0 ． 1 3 2 7 2 ／ j ． i s s n ． 1 6 7 1 2 5 1 X ． 2 0 1 7 ． 1 0 ． 0 0 3 对称分量法在掘锚机组保护系统中的应用 焦晓峰 中 国煤炭 科工 集 团太原研 究 院有 限公 司 ，山西 太原0 3 0 0 0 6 摘要 针对掘锚机组异步电动机故障诊断可靠性和准确性不高的问题， 提 出将对称分量法应用到掘锚机 组保 护 系统 中， 实现 不对称 性过 流故 障诊 断 。将 三相 电压 分解 为 正序 分量 、 负序 分量 和 零序 分量 ， 通 过 有 源 移相 电路 和相 序 判别 电路 判别 主回路 的相 序 ， 通过 负序 分量 采集 电路得 到 负序 电压值 ， 根 据 负序 电流值 判 断 故 障及 其 类型 。工业 性试 验结 果表 明 ， 对 称分 量 法的应 用提 高 了掘 锚 机组 保 护 系统 的 灵敏 度 、 可靠 性 、 准 确 性和智能化水平， 降低 了系统维护成本， 同时提 高了掘锚机组异步 电动机 的使 用寿命 和掘进工作面的掘进 速度 。 关 键词 煤炭 开采 ； 掘 锚机 组 ； 过 流保 护 ；对称 分 量法 ；不 对称性 故 障 ； 故 障诊 断 中图分类 号 T D 4 2 1 ． 5 文 献标 志码 A 网络 出版时 间 2 0 1 7 - 0 9 2 7 1 3 4 5 网络 出版地 址 h t t p ／ ／ k n s ． c n k i ． n e t ／ k c ms ／ d e t a i l ／ 3 2 ． 1 6 2 7 ． TP ． 2 O 1 7 0 9 2 7 ． 1 3 4 5 ． 0 0 3 ． h t ml Ap pl i c a t i o n o f s y mme t r i c a l c o mp o ne n t me t h o d i n p r o t e c t i o n s y s t e m o f b o l t e r mi n e r J I AO Xi a o f e n g CCTEG Ta i y u a n Re s e a r c h I n s t i t u t e ， Ta i y u a n 0 3 0 0 0 6 ，Ch i n a Ab s t r a c t I n v i e w of p r ob l e m s of l o w r e l i a b i l i t y a n d a c c ur a c y o f f a ul t d i a gn o s i s o f a s yn c hr o n ou s m o t o r i n b o l t e r mi ne r ， s y mm e t r i c a l c o m p o ne n t me t h od wa s pu r po s e d t o a p pl y i n p r ot e c t i o n s y s t e m o f bo l t e r m i n e r t o r e a l i z e a s y mm e t r y o v e r c ur r e n t f a ul t d i a g no s i s．Th r e e ph a s e v ol t a g e i s d e c ompo s e d i nt o p os i t i v e s e q u e nc e c omp one nt ， ne ga t i v e s e qu e n c e c o m p o ne n t a nd z e r o s e q u e nc e c omp on e nt ， t h e n a c t i ve pha s e s h i f t i n g c i r c u i t a n d p h a s e s e q u e n c e j u d g me n t c i r c u i t a r e u s e d t o j u d g e p h a s e s e q u e n c e o f ma i n c i r c u i t ，a n d t he ne g a t i ve s e qu e n c e v o l t a ge i s o bt a i ne d by n e g a t i v e s e q ue n c e c o m p o ne n t a c q u i s i t i o n c i r c u i t a nd i s us e d t o j u d g e f a u l t a n d i t s t y p e ．I n d u s t r i a l t e s t r e s u l t s s h o w t h a t a p p l i c a t i o n o f t h e s y mme t r i c a l c o mp o n e n t me t h o d i m p r ov e s s e ns i t i v i t y，r e l i a bi l i t y，a c c u r a c y a n d i n t e l l i g e n c e l e ve l of t he p r o t e c t i o n s ys t e m o f bo l t e r ～ mi ne r， r e duc e s s y s t e m ma i n t e n a nc e c os t ，a nd i m p r o ve s s e r v i c e l i f e o f a s y nc hr o no us m o t o r a nd e x c a v a t i o n s p e e d o n wor ki n g f a c e． Ke y wo r d sc o a l m i n i ng； b ohe r mi ne r； o ve r c ur r e nt p r ot e c t i o n； s y mm e t r i c a l c o m p on e n t me t ho d； a s y m me t r y f a ul t ；f a ul t d i a g no s i s 0 引言 掘锚 机 组是适 用 于高产 高 效矿井 煤巷 高效 掘进 的掘锚 一 体 化 新 型掘 进 设 备 ， 它 将 掘进 和 支 护 有 机结合起来 ， 可有效减少掘进和支护设备 的换位作 业 时间 。掘锚 机组 集掘进 、 装 载 、 运 输 、 支护 于一体 ， 电气 系统 较 复杂 ， 它 的正 常 工 作 保证 了整 个 掘 进 工 作 面 的掘 进速 度 。 由于 掘 锚机 组处 在 粉 尘 较 大 、 湿 收稿 日期 2 0 1 6 - 1 1 1 0 ； 修 回日期 2 0 1 7 0 8 0 9 ； 责任编辑 胡娴 。 基金项 目 山西省科技攻关项 目 2 0 1 5 0 3 1 0 0 6 1 。 作者简 介 焦晓峰 1 9 8 7 一 ， 男 ， 山西晋城人 ， 助理工程 师 ， 硕 士， 从事煤矿 自动化方面 的研究工作 ， E ma i l 7 2 4 1 1 4 9 7 5 q q ． c o rn。 引用格式 焦晓峰． 对称分量法在掘锚机组保护系统中的应用 E J 3 ． 工矿 自动化 ， 2 O 1 7 ， 4 3 1 0 1 4 1 7 ． J I A O Xi a o f e n g ． Ap p l i c a t i o n o f s y mme t r i c a l c o mp o n e n t me t h o d i n p r o t e c t i o n s y s t e m o f b o h e r mi n e r[ J ] ．I n d u s t r y a n d Mi n e Au t o ma t ion， 2 O 1 7， 43 1 0 1 4 1 7 ． 2 0 1 7年第 1 O期 焦晓峰 对称分量法在掘锚机组保护 系统中的应用 1 5 度 高 、 空 间 狭小 的工 作环 境 中 ， 所 以对 其 电气 系统 的 稳定性 、 安全性 、 可靠性提出了较高的要求 。 目前掘锚机组主要通过 比较异步 电动机的三相 电流值来判断电动机的各种故障， 保护功能可靠性 和准确性差 ， 一定程度上影响 了其持续稳定 运行及 整个 掘进 工 作 面 的 掘 进 速度 _ 2 ] 。 因此 ， 本 文 提 出将 对 称分 量 法应 用 于 掘锚 机 组 保 护 系统 中 ， 通 过 对 称 分量法诊断掘锚机组电气系统的不对称性过流故障 及其类型 ， 根据诊断结果可采取相应 的保护措施 ， 提 高掘锚 机组 电气 系统保 护 的灵敏 度、 可靠 性 和稳 定性 。 1对 称分 量法 原 理分 析 由对称分量法可知 ， 任意一组三相不对称量都 可以分解为 3组对称分量 ， 即正序分量、 负序分量和 零序分量。因此 ， 任何故障点 的不对称电压和电流 可分解为三相对称的正序 、负序 和零序分量 ， 从 而 可以通过三相对 称电路 的计算 方法计算 各相序分 量 ， 然 后按 照 叠加 原理 相加 ， 得 到不 对称 故 障 电流和 故 障 电压嘲 。 设 j ， j ， j 为三相 电流， j ， j 。 ， j 。 分别为 A相电流正序 、 负序、 零序分量 ， j ， j 也进行 同样 分 解 ， 根据 叠加 原 理可 得 j A j A j A j 。 1 j R j j j B 。 2 j c j j 。 j c 。 3 设 A 相 为基 准相 ， 则 B相 和 C相 的正 序 、 负序 、 零序分量分别为 f j B 1 一口 。 j A l 1 j c l 一 ’ f j B 2 一 口 f A 2 j}c 。 j A 。一 j B 。一 j c 。 6 式 中 口为 旋转 向量 ， 其 表达 式 为 口 一 e x p j l 2 0 。 一号 j 7 根 据式 1 一式 7 可得 j A 1 一 1 j A 4 - 口 j B 4- 口 2 j c 8 j A 2 一妻 j A 4-口 2j 口 j c 9 J A 。一 I A 4- J B 4- I c 1 O 由式 8 一式 1 O 可 知 ， 当供 电 系 统 正 常运 行 时， 几乎没有负序和零序分量 ， 当系统发生不对称性 故障时， 就会 明显 出现负序分量和零序分量。因此 ， 通过分析回路中负序分量的大小可判断各类不对称 故 障 。 负序 电压可通过移相的方法得到[ 4 ] 。分解后 的 电压 各相 序分 量如 图 1所示 。 b 负序分量 c 零 序分量 图 1 分 解 后 电压 各 相 序 分 量 Fi g ．1 Ph as e s e q ue n c e c o mpo ne nt s o f v o l t a ge a f t e r de c ompo s i t i on 将 A 相 电压 前移 1 2 0 。 ， C相 电压后 移 1 2 0 。 ， B相电压不动 ， 得 到如 图 2所示的各相序分量。将 移相处理后的各电压信号相加 ， 即可提取 出三相 电 压 中的 负序分 量 ， 其 幅值 为 B相 负序 电压 的 1 ／ 3 。 a 正序移相后 b 负序移相后 c 零序移相后 图 2 移相后 电压各相序分量 Fi g．2 Ph a s e s e q ue n c e c o mpo ne n t s of v o l t a g e a f t e r p h a s e s h i f t i n g 2 对称 分量 法在 掘锚 机 组保护 系统 中的应 用 本文中的掘锚机组采用交流变频调速牵引 ， 整 机拥有2台截割 电动机、 2台牵引 电动机、 1台油泵 电动 机 、 2台装 载 电动机 、 2台 运输 电动 机 和 1台除 尘 电动机 ， 分别 为截 割部 、 装 运机 构 、 液 压系 统 、 行走 系统 和 除尘机 构提 供动 力 。电动 机采用 三相 鼠笼式 异步 电动机[ 5 ] ， 其常见故障分为对称性和不对称性 故障。对称性故 障可 以通过线路 的过流程度来反 映， 不对称性故障主要分为断相、 相间短路、 单相接 地和两相接地等故障。当电动机发生不对称性故障 时 ， 回路 中会 出现负序 分 量 ， 负序 分 量 的大小 可反 映 系统回路的不对称程度[ 6 ] 。 2 ． 1 掘 锚机 组保 护 系统 掘 锚机 组 保 护 系统 功 能 主要 包 括 过 流保 护 、 漏 电保护 、 接地保护 、 传感器保护 、 通信保护等 。本文 主要 针 对其 中 的过 流保 护 ， 应 用 对 称 分 量法 诊 断 掘 ＼ ＼ ＼ ． 1 6 工矿 自动化 2 0 1 7年 第 4 3卷 锚机组电气系统中的不对称性过流故障及其类型。 将 对称 分 量 法应 用 于 掘锚 机 组 保 护 系统 中时 ， 应注意其前提是主回路供 电系统 的相序为正相序 ， 否则不能使用。因此， 应用时首先要通过有源移相 电路 和相 序 判 别 电路 判 别 主 回路 的 相序 ] ， 然后 通 过 负序分 量 采集 电 路得 到 负 序 电压值 ， 最 后 根 据 负 序电流值判断故障及其类型。 2 ． 2 电路 设 计 2 ． 2 ． 1 有 源移相 电路 有 源移 相 电路 如 图 3所 示 _ 8 ] 。 以 图 3 a 为 例 进 行分 析 ， R 为输 入 电 阻 ， R 为反 馈 电阻 ， 电阻 R 3 和电容 C为移 相元 件 ， 为 输入侧 电压 ， 【 ， 叭 儿 为 输 出 侧 电压 。 R， R a 有源前 向移相 电路 b 有源后向移相 电路 图 3有 源 移 相 电路 Fi g． 3 Ac t i v e pha s e s hi f t i n g c i r c u i t 由 图 3可列 出以下方 程 j U。 一U 一 U／ R。 1 1 ui 一U一 ／ R1一 U一 一U。 ／ R 1 2 一 1 3 式 中 叫为 电流 角 频 率 ； U， U一分 别 为 运 算 放 大 器 的 同相 和 反 向输 入 端 电压 。 令 R 一R ， 由式 1 1 一 式 1 3 可得 U。 一 Ui o C R 3 1 ／ j o o C R。 1 1 4 设 U。 与 Ui 相位 差 为 A O ， 由式 1 4 可得 A O a r c c o s F U C R； 一1 ／ ∞ C R； 1 ] 1 5 由式 1 5 可 知 ， 改 变 电 阻 R3 和 电容 C 的值 就 可 以改 变 Ui 的相 角 。 2 ． 2 ． 2 相 序判 别 电路 判别相序 的依 据 当三 相 电压为正 相序 时， 将 B相电压前移 1 2 0 。 可与 A相 电压重合； 当三相 电压 为负相序时， B相 电压经过移相后不能与 A相 电压 重合 。相序判别电路如图 4所示 ] 。 经滤 波后 的 A 相 电压 信 号 通 过 过 零 比较 器 转 换 成 方波 信号 ， B相 电压 信 号 先 经 过 有 源 移 相 电路 前移 1 2 0 。 ， 然 后 通 过 过 零 比较 器 转 换 成 方 波 信 号 ； 对 A 相和 B相 的方 波信 号进 行异 或处 理 ， 将 信号 滤 图 4 相序判别 电路 Fi g ．4 Pha s e s e q ue nc e di s c r i mi n a t i on c i r c ui t 波放 大后 输 出 。当三 相 电压 为正 相 序 时 ， 发 光 二 极 管 不亮 ； 当三 相 电压 为 负 相序 时 ， 发光 二 极 管 点 亮 ， 同时将结 果输 出给 中央控制 器口 ” ] 。 2 ． 2 ． 3 负序分量采集电路 中央 控制 器判 断 主 回路 三相 电压 的相序 为正 相 序后 ， 通 过负 序分 量采集 电路 图 5 采集 负 序 分 量 。 A 相 电 压 U 经 过 由 电 阻 ， ， 滑 动 电 阻 器 WR ， 电容 C 。 和运算 放 大器 L M3 2 4组 成 的有 源 移 相 电路后 ， 前 移 1 2 0 。 ； B相 电压 u 不 做 移 相 处 理 ； C相 电压 U 经 过 移 相 电 路 后 后 移 1 2 0 。 。通 过 由 。 ，R R 。 ， R R 。 和 L M3 2 4组 成 的加 法 电路 输 出负序 电压 信号 ， 然 后 经过 偏 置 电路 和稳 压 电路 输 入 P L C的 AI 输 入模 块 ， 在 P L C中完成 相应 故 障 的 判 断 ， 并 将结 果通 过人 机界 面显示 。 图 5负 序分 量采 集 电 路 Fi g．5 Ne ga t i v e s e qu e nc e c omp on e nt a c q ui s i t i o n c i r c ui t 2 ． 3不对 称性 故 障分析 掘 锚机 组 中央控 制器利 用 负序分 量值来 判 断不 对 称故 障 。当负序 电流大 于 额定 电流 的 3 O 时 ， 可 判断系统发生了不对称性故障 1 ； 当负序电流大于 额定 电流 的 3 O 且 小于 额定 电流 的 6 8 ． 3 时 ， 保护 系统采 用反 时 限跳 闸保 护 方 式 进 行保 护 ； 当 负序 电 流大 于额定 电流 的 6 8 ． 3 ％且 小 于 2倍 额 定 电 流时 ， 可判 断 为 断 相 故 障 ， 7 S后 跳 闸 ； 当 负 序 电 流 大 于 2 倍 额定 电流 时 ， 可判断 为两 相不 对称短 路 故障 。 2 0 1 7年 第 1 O期 焦晓峰 对 称分 量法在 掘锚 机 组保 护 系统 中的应 用 3 结 语 将 对称 分量 法 应用 于掘 锚机 组保 护 系统 中实 现 不对称性过流故 障诊断 ； 介绍 了对称分量法的原理 及 其具 体实 现 ， 设计 了有 源 移相 电路 、 相序 判别 电路 和负序分量采集 电路 。目前应用对称分量法进行过 流保 护 的掘 锚机 组 已在 阳泉 煤业股 份 有 限公 司进行 工业 性 试验 ， 实 际运 行情 况表 明 ， 对 称 分量 法 的应用 提 高 了掘锚 机组 保护 系统 的灵 敏度 、 可 靠性 、 准 确性 和智能化水平 ， 降低了系统维护成本 ， 同时提高了掘 锚机组异步电动机的使用寿命和掘进工作面的掘进 速 度 。 参考文献 R e f e r e n c e s E 1 ] E 2] [3] [ 4] E 5] 王虹． 我国煤 矿巷 道 掘进 技术 和 装 备 的现状 与 发展 I- J ] ． 煤炭科学技术 ， 2 0 1 0 ， 3 8 1 5 7 6 2 ． W ANG Ho n g ．Pr e s e n t s t a t u s a n d d e v e l o p m e n t o f mi n e r o a d wa y h e a d i n g t e c h n o l o g y a n d e q u i p me n t i n C h i n a c o a l mi n e [ J ] ． C o a l S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y ， 2 0 1 0， 3 8 1 5 7 6 2 ． 国家安全生产监 督管 理总局 ， 国家煤矿 安全 监察 局． 煤矿 安全规程E M] ． 北京 煤炭工业 出版社 ， 2 0 1 0 ． 呼守 信． 连续采煤机 变频 调速装置独立控制保护 电路 设计 I- J 1 ． 煤矿机电 ， 2 0 1 l 6 3 6 3 8 ． HU S h o u x i n ． De s i g n o f i n d i v i d u a l c o n t r o l a n d p r o t e c t i o n c i r c u i t i n f r e q u e n c y c o n t r o l d e v i c e o f c o n t i n u o u s mi n e r [J] ． C o l l i e r y Me c h a n i c a l El e c t r i c a l Te c h n o l o g y， 2 0 1 1 6 3 6 3 8 ． 宋建成 ， 石宗义 ， 杨毅 ， 等 ． 矿 井 电网过 电流特 征分 析 及其 保 护 系 统 的研 究 E J 1 ． 煤 炭学 报 ， 2 0 0 1 ， 2 6 1 81 86 ． S ONG J i a n c h e n g ， S HI Zo n g y i ， YANG Yi ， e t a 1 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