基于L-SSCB的矿井低压供电系统快速断电安全技术的研究

发布时间：2017-04-09 14:07

  本文关键词：基于L-SSCB的矿井低压供电系统快速断电安全技术的研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：由于我国煤矿井下的特殊工作环境,伤亡事故的发生率比任何工业部门都要高。虽然近年来煤矿伤亡绝对人数有所下降,但我国煤矿事故的死亡率明显高于世界平均水平。煤矿发生事故后,如何在这样恶劣的环境下迅速、安全的营救被困矿工,成为煤矿井下安全领域的新课题。建设煤矿紧急避险设施,在煤矿事故发生后,为未能紧急撤离或升井的煤矿工人提供暂时的安全场所,是解决这一问题的有效手段。但是如何在煤矿事故发生后瓦斯大量排放等恶劣环境下,保障煤矿紧急避险设施的电气安全,使其不会发生二次爆炸,成为了煤矿紧急避险设施研究的关键和技术难点。本文将“快速断电安全技术”引入煤矿紧急避险设施电气安全保障中。通过对“快速断电安全技术”的研究本文研制成功了“127V,2kW”矿用隔爆型避险设施专用快速断电开关装置,提高了紧急避险设施供电系统整体防火防爆性能,保证紧急避险设施供电系统的可靠性和安全性,对井下灾后救援,确保人员生命安全,提高我国煤矿的抗灾救灾水平具有非常重要的意义。快速断电安全技术,是指当矿井低压供电系统发生电气故障时,保护装置能够在可能引起爆炸性介质燃烧或爆炸以前切断电源或用其它方式隔绝向故障点的能量馈送,以达到系统“全方位”防爆安全的一整套安全技术与电气设备。快速断电安全技术的本质,是用各种方法和技术防止在电网发生漏电或短路故障时电火(漏电火花和短路电弧的统称)外露,从而防止故障电火引燃周围爆炸性介质。本文详细分析了现有煤矿电气安全技术的原理及不足,指出只有采用快速断电安全技术才能从根本上保证煤矿井下紧急避险设施的电气安全。本文通过对电缆受机械创伤模拟实验的研究和橡套电缆故障明火形成时间的分析,得出了快速断电安全技术总断电时间小于5ms的结论,为快速断电安全技术时间指标找到了理论依据。提出采用快速断电安全技术保障井下紧急避险设施的电气安全,建立矿井低压供电网络整体防火、防爆安全系统的技术观点。本文详细分析了煤矿井下单相漏电故障的暂态过程。对比分析了多种漏电保护取样装置的取样时间,最终选择“3C”型零序滤序器作为漏电保护取样装置,实现了漏电参数的3ms快速取样。通过对漏电故障瞬间系统零序网络的分析,提出了基于零序电压一阶导数为原则的动作整定办法,可以在1.5ms内判断出单相漏电程度,对于127V系统,保证动作上限值不大于3.5kΩ。提出最小二乘法参数识别法作为多线路选择性快速漏电保护的暂态算法,矿用低压电缆对地参数可以看成是由分布电容和绝缘电阻的并联。当单相接地故障时,系统就会形成零序网络,根据换路定则可以建立起单相漏电故障过渡过程中各条线路的数学模型,根据多组采样数值可反演出线路对地的分布参数,识别出对地分布参数r∑和C∑。假定每一条线路都是正常线路,其对地绝缘电阻和分布电容符合上述模型,则计算出的r∑和C∑数值一定合理,说明该线路分布参数正常,线路没有单相接地故障发生；如果某条支路的分布参数的计算值不合理(均为负值),说明该线路分布参数不符合模型,也就是说“该线路没有发生单相接地故障”的假设是错误的,反证出判断该线路发生了接地故障。通过4ATLAB仿真,对比了不同接地电阻和电源电压初相角下最小二乘法参数识别法所辨识出的线路参数。结果表明：参数识别的结果都具有十分明显的特征,即正常线路的分布电容和绝缘电阻均为正值,且分布电容的识别数值非常接近实际参数；故障线路的参数均为负值。实现了有选择性的准确快速切除漏电故障。本文对煤矿井下短路过程中电流变化曲线进行了分析,得出短路电流的冲击值不但与回路的功率因数、相电压初始相位有关,而且受短路瞬间负载电流值的影响的结论,在对设备进行动稳定校验时,应计算冲击值。提出了利用空芯电流互感器进行短路电流采集的方案,并计算出了空芯电流互感器的频率指标特性和采样电阻的阻值。研究表明短路发生后电流将经历一个突变的暂态过程,利用这一过程中电流变化规律,可以正确的区分正常电流和故障电流变化,所以对短路过程中电流变化一阶、二阶导数公式进行了推导,使用MATLAB仿真出电流变化曲线,从电流变化曲线可以看出,采用电流一阶导数和二阶导数相结合的方法,可以实现全周波无盲点短路快速监测判断。通过对电动机起动电流的暂态分析,得出起动电流的一阶、二阶导数最大值在其它条件相同的情况下与起动回路的功率因数及起动瞬间相电压的初始相位有关,在进行快速短路保护设计时,应采用暂态分析法,以确保动作的正确性。提出基于电动机起动电流一阶和二阶导数的快速短路保护整定方法,并对该整定方法进行了取样时间分析,分析表明该方法的最大取样时间小于3ms。提出了通过采集母线电压和空芯电流互感器的二次电压对回路发生短路故障的时间常数进行识别的方法,实现了短路电流的快速、可靠·切断。本文在对电力电子技术进行研究的基础上,设计了基于线路固态断路器(L-SSCB)的煤矿井下紧急避险设施专用快速断电开关装置主电路结构,通过对中性点固态开关和线路固态中开关两种拓扑结构的对比仿真分析,得出了线路开关关断时间更短,适用范围更广的结论。最终确定采用线路固态开关作为快速断电安全技术的执行装置。通过仿真分析和计算求出了开关装置辅助回路中,阻容吸收装置的具体参数。分析了线路开关的导通和关断机理,提出了计算L-SSCB关断最大短路电流时间计算方法,并通过MATLAB仿真对该方法进行了验证。对防爆壳内电力电子器件的发热-散热问题进行了研究,设计了专用的热管散热装置,该装置完全满足工业运行试验的要求,解决了L-SSCB在防爆壳内的散热问题。在实验室环境下对井下紧急避险设施专用快速断电开关装置的样机进行了一系列的动态和静态模拟实验,其中包括：空芯电流互感器的特性试验,掌握空芯电流互感器的暂态特性；空芯电流互感器和铁磁互感器的对比实验,验证了空芯电流互感器在暂态信号提取方面的优越性能；快速短路保护算法实验,验证了电流高阶导数快速短路保护算法的准确性和可靠性；快速漏电保护算法实验,验证了选择性快速漏电保护算法的准确性和可靠性；开关装置关断三相短路电流和漏电电流实验。装置在实验中运行正常,对各种模拟现场情况能够准确地作出判断,并且完成了预先设计的各项指标。
【关键词】：快速断电 暂态过程 漏电故障 短路故障 线路固态断路器
【学位授予单位】：中国矿业大学(北京)
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TD611
【目录】：

• 摘要4-7
• Abstract7-14
• 第一章 绪论14-30
• 1.1 研究背景和意义14-16
• 1.2 现有煤矿电气安全技术及不足16-19
• 1.2.1 电气防爆技术16-17
• 1.2.2 隔爆型电气设备17
• 1.2.3 本质安全电路17-19
• 1.3 快速断电安全技术19-26
• 1.3.1 快速断电安全技术基本概念19-20
• 1.3.2 快速断电安全技术的核心内容20-21
• 1.3.3 电缆受机械损伤的故障形成时间分析21-26
• 1.4 国内外研究现状26-28
• 1.5 本论文的主要工作28-30
• 1.5.1 选择性快速漏电保护技术的研究28-29
• 1.5.2 电流高阶导数快速短路保护技术的研究29
• 1.5.3 快速断电固态开关(SSCB)的应用研究29-30
• 第二章 选择性快速漏电保护技术30-62
• 2.1 快速漏电保护有效性分析30-35
• 2.1.1 人身触电电流暂态分析30-35
• 2.2 快速漏电保护取样技术35-47
• 2.3 选择性快速漏电保护算法47-54
• 2.3.1 现有漏电保护原理及不足47-48
• 2.3.2 基于零序电压一阶导数的漏电保护整定值48-52
• 2.3.3 基于最小二乘法的模型参数识别法52-54
• 2.4 漏电故障仿真和参数识别法验证54-60
• 2.4.1 不同接地电阻的仿真验证55-57
• 2.4.2 不同电源初相角的仿真验证57-60
• 2.5 本章小结60-62
• 第三章 电流高阶导数快速短路保护技术62-98
• 3.1 短路故障快速测量技术62-71
• 3.1.1 概述62-63
• 3.1.2 空芯电流互感器测量电流的原理和方法63-71
• 3.2 矿井低压电网短路故障暂态过程分析71-79
• 3.2.1 短路电流暂态分析71-73
• 3.2.2 短路冲击电流73-77
• 3.2.3 电动机起动电流的暂态分析77-79
• 3.3 短路电流一阶、二阶导数综合判据79-94
• 3.3.1 现有短路故障判断方法及其不足79-82
• 3.3.2 短路故障快速判断方法82-94
• 3.4 快速短路保护算法94-97
• 3.5 本章小结97-98
• 第四章 快速断电开关技术98-128
• 4.1 快速断电直流固态断路器(SSCB)98-104
• 4.1.1 概述98
• 4.1.2 直流固态断路器拓扑结构98-104
• 4.2 L-SSCB的元件参数计算104-108
• 4.2.1 开路电压104
• 4.2.2 通态电流104-106
• 4.2.3 最大浪涌电流106
• 4.2.4 主开关管的选择106-108
• 4.3 L-SSCB关断过程及关断时间分析108-119
• 4.3.1 L-SSCB关断过程108-109
• 4.3.2 L-SSCB固有断电时间109-114
• 4.3.3 辅助回路中R_0、C_0的确定114-119
• 4.4 L-SSCB在防爆壳内的散热问题119-127
• 4.4.1 功率单元的热损耗计算119-122
• 4.4.2 热管冷却装置的设计122-123
• 4.4.3 热管冷却装置的实验123-127
• 4.5 本章小结127-128
• 第五章 样机实验及结果分析128-142
• 5.1 空芯电流互感器实验128-133
• 5.1.1 空芯电流互感器特性试验128-131
• 5.1.2 空芯电流互感器和铁磁互感器在单相漏电故障中对比实验131-133
• 5.2 快速断电开关装置静态模拟实验133-140
• 5.2.1 漏电故障参数识别实验133-136
• 5.2.2 短路故障模拟实验136-140
• 5.3 本章小结140-142
• 第六章 结论与展望142-146
• 6.1 结论142-143
• 6.2 创新点143
• 6.3 展望143-146
• 参考文献146-156
• 致谢156-158
• 作者简介158
• 在学期间发表的学术论文158
• 在学期间参加科研项目158-159
• 主要获奖159

【参考文献】

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本文编号：295413