煤矿电力系统短路故障电算理论及应用研究.pdf

煤矿 现代化 2 0 1 3 年第5 期 总第1 1 6 期 煤矿电力系统短路故障电算理论及应用研究 廉王龙 ， 陈 烨 。 赵 励 ( 1 晋城乾泰安全技术有限责任公司， 山西 晋城 0 4 8 0 0 6 ； 2 中国矿业大学信息与电气工程学院，江苏 徐州 2 2 1 0 0 8 ) 摘要本文结合煤矿电网故障计算的特点， 根据煤矿企业故障计算的实际要求， 应用基本电工理论 和方法， 给出了有限大电源对短路点转移阻抗的计算公式， 提 出了特定时刻电流计算的计算机求解方 法， 最后 阐述 了本 系统故障电流计算的流程 图。 关键词煤矿 ； 短路 ； 节点阻抗矩阵 中图分类号 ： T M7 1 3 文献标志码 ： A 文章编号 ： 1 0 0 9 0 7 9 7 ( 2 0 1 3) 0 5 0 0 7 3 0 3 煤矿企业处于电力系统 的末端 ，煤矿企业电网 中可 能包 含发电机 、 变压器 、 供 配电线路 、 补偿 电容 器 、 限流电抗器 、 各种开关设备 、 负荷等多种电气元 件。故障电流计算是煤矿电气技术人员最经常进行 的 日常工作之一 。目前在煤矿企业 中普遍采用手工 方法进行计算， 过程繁琐且结果不精确， 采用计算机 进行故障计算可以提高计算的准确度和速度，减轻 电气技术人员劳动强度 。 短路是供 电网络和电气设备因绝缘损坏等缘 故， 致使相与相或相与地之间电气上被短接的现象， 它是 电力系统 中最常见且危害较大的一种故障 。由 于煤矿企业生产环境 的特殊性 ，煤矿 电网有特殊要 求 ， 即煤矿井下电网中性点严禁直接接地 ， 所以不存 在相与地 ( 地线 ) 之间的短路。 1 l 煤矿电网都为小接地电流系统 ，对称短路故障 在煤矿电网中虽然发生的几率小于不对称短路故 障， 但它是最严重 的故障类 型 ， 是探讨其它各种故 障 的基础， 所以首先研究三相对称短路故障的计算。 1 网络数学模型的建立 煤矿电网分为高压( 额定电压大于 1 1 4 0 V ) 和低 压( 额定电压小于等于 1 1 4 0 V) 两部分。高压电网的 接线方式有单 电源辐射状接线 、 多 电源( 包含附加电 源 ) 放射状接线和多电源环状接线 ， 而低压 电网一般 为单 电源辐射状接线。 煤矿电网的负荷分支 网络是 由若 干个辐射状负 荷 网络所构成的。辐射状 网络是最简单 、 最常见 的供 电网络 ， 它是由某一个方向单 向馈 电的网络 。 计算机 在对负荷分支网络的描述中引入了节点支路相关矩 阵 的概念 。 1 1 节点支路相关矩阵 节点支路相关矩阵 ： 以支路顺序号为行号， 节点 号为列号所形成的表明节点与支路相关特性的矩阵， 并且规定在矩阵中只含有 0 、 1 两个元素， 由电源注入 节点的电流必须流经某一支路时 ， 称此节点与该支路 相关 ， 在支路相关矩 阵的对应位置元素取 I ； 否则不 相关 ， 对应元素取 0 。在矩阵默认电源节点为 1 ， 因为 它是整个放射状 网络的供 电节点 ，与各支路均相关 ， 故不包含在相关矩 阵中。对 于一个含有 P个节点 、 q 条支路的放射状负荷分支网络， 其节点支路相关矩阵 【 G 为 q x( p - 1 ) 阶。如图 1 所示的放射状网络的相关 矩阵为式 1 。 G 】 = 8 图 1 辐射状网络示意图 1 l 1 l 1 l 1 0 1 1 l l 1 O O 0 0 O 0 0 1 O 0 1 O 0 0 O O O 0 l 1 l 0 0 0 O 0 1 0 0 0 O O 0 O l O 其中节点支路相关矩阵 G 的行所代表的支路依 次为 ： 1 0 2 、 2 0 3 、 2 0 8 、 3 0 4 、 3 0 5 、 5 0 6和 5 0 7 。 1 2 故障点辐射状等值网络形成 通过形成节点阻抗矩阵 z 】 和节点支路相关矩阵 G 】 对系统进行描述， 煤矿电网的结构即可被计算机 所识别。为了进一步实现故障电流的求解 ， 煤矿电网 高压部分应被转化为只包含若干个电源节点 、短路 故障点和电源对短路点转移阻抗的辐射状等值网络 【 5 5 ， 5 6 ， 5 7 ， 5 8 ， 其 中转移 阻抗 的计算是辐射状等值网 络形成的关键 3 。 设网络 中有 m个有限大容量 电源 E 、 E 、 E 向煤矿企业供 电 ( 如图 2 ) ，其内阻值分别 为 z 、 z ： 、 、z ， 而 z (i = l ， 2 X) 为主干网络的节点阻抗矩阵 z 】 中第 x列 的对应元素 ， 令 当 x节点发生对称短路 故障时，各个电源对 x节点的转移阻抗值分为 z Z2 x、 、 Zm x 。 73 煤矿 现代化 2 0 1 3 年第5 期 总第1 1 6 期 根据互易定理和转移阻抗的定义，各电源对故 障点 x的转移阻抗可通过图2所示的网络求解 ： I U l l I z 1x l l U 2 l z 2) I ； I = i I I x ( 2 ) U 【I z i 【 u x J 【 z ) () ( J Ui = ；詈= 等 - ； ： ( 3 ) 一 一 一 一 根据 ( 2 ) 和( 3 ) 可得 ： = ； = - - 。 ； = Z l ZI x Z2 Z Z Z仃 一 公式变形，各个电源对短路点的转移阻抗分别 为 ： Z , x = Z ； z z 一 Z ( 5 ) 主 干 罔 络 墨 zl t J 无 曼 z ， “ 岳 J熏 同 曼 岳 J络 主 干 圈 络 ! l 卜仁二 _ J 无 ； Z。 薯 _ I I卜 - - 仁二 卜 ： M 同 ： z 1 I I卜二 _ J 络 ( I J 图2 故障节点位于主干网络且没有无限大容量电源 1 3 短路节点位于负荷分支网络 若 主干 网络 中没有 无 限大容量 电源( 如 图 3 ( a ) ) ， 首先利用公式 ( 5 ) 求 出主干网络 内各 电源对故 障支路相关节点 s的转移阻抗值 z z 、 z ( 如 图 3 ( b ) ) ， 然后再根据分支系数的概念分别求出各电 源对故障发生点 的转移阻抗值 z 、 z 孙 、 z m x ( 如图 3 ( c) ) 主 弼 络 z 无 岳 j 孥 _ M 终 H ( b ) ( c ) 图 3 故障节点在分支网络 设发生对称故障的放射状 负荷分支网络 的支路 7 4 数 n ， 节点数为 m， 对称故障节点为 X， 则 G 为 n ( m 一 1 ) 阶。图 3中的 Z 为主干网络中的相关节点 S 与负荷分支网络中故障节点 x之间所有支路的阻抗 值之和 ， 并且有 ： Z x = Z G ) ( ： 【 Z ， Z z ， ， Z G J 式中： 【 z 】为以发生对称故障的负荷分支网络中各个 支路的阻抗值为元素的一个行矩阵， 并且有 z = z ， Z ： ， ， Z n l = ( r x ， ) ， ( r l + j x ) ， ( r + i x ) 【 C x 一 节点 支 路相关矩阵的第 x列元素。 当节点 x发生对称短路故障时，有限大容量电 源 E i ( i = l ， 2 ， m) 对故 障节点 x的转移 阻抗值 z x 按 下式计算 ： 7 Z j x =Zis + i 其中： c ； 为电源 i 对短路故障节点 x的分支系数， C i= ! 。 z is ( 1) 2 故障电流计算的实现流程 在建立的煤矿电网故障计算的数学模型之上， 本系统采用高级编程语言 D e l p h i7 ， 利用面向对象程 序设计的方法，对整个故障计算模块过程进行了软 件实现， 程序的实现流程见图 4 。 形成主干网络的节点阻抗矩阵 故障发生在主干网终时各电源 对故障点的转移阻抗求解 形成负荷分支网绍的节 支路相关矩阵 故障发生在负荷分支网络时各 电源对故障点转移阻抗的求解 簿电流的计算 二 两相短路故障 电流的计算 二 单相接地电容 电流 的计算 结束 图4 煤矿电网故障计算流程图 3 计算系统的总体设计 煤矿继电保护整定计算专家系统是煤矿电网继 电保护系统计算软件的一个重要的组成部分 ，存储 知识和使用知识是专家系统的两大基本功能 ，本专 家系统在 结构设计 时应 充分考虑这 两大功能 的实 现。煤矿继电保护整定计算专家系统是由知识库 、 推 理机、 解释器、 知识库管理和综合数据库系统五部分 组成 ， 其总体结构如图 5所示 ， 各组成部分及主要功 能如 下 鹄 ： 煤矿 现代化 2 0 1 3 年第5 期 总第1 1 6 期 综合数据库系统 l 数据库管理系统 l 广 一 ： = = = ： = ： = = = = 1 l l 数据库管理系统 I ； I 数 一I j J 数据 库管理 系统I J 据 =二二二=： l 数 据 库 管 理 系 统ll ! 库 =二二=： ： l 数 据库管 理系 统 l l i 一一一 兰皇 堡 蔓 竺一 图 5 煤矿电力系统短路计算系统总体结构 3 1 知 识库 它是专家 系统存放知识的部分 ，整定计算 时所 需要的保护配置规则、整定计算规则和不同运行方 式下整定计算的处理规则构成知识库的主体内容。 3 2推理机 专家系统实现使用知识功能的主要机构 ，用来 控制知识库 、综合数据库 系统 的工作流程以完成保 护整定计算工作 。 3 3 综合数据库 系统 用来存放智能系统进行保护整定 计算过程 中的 所有原始信息 、 中间结果和最终结论 ； 3 4 知识库管理模块 对知识库 中的知识进行增加 、删 除和修改等操 作 ， 并对新加入 的知识 进行有效性 、 一致性 、 完整性 进行检验 ； 3 5 解释器 在解释器 中记录推理过程 中匹配成功的触发规 则和整定计算结果， 当用户提出过程解释的需求时， 解释器可以以文本形式 向用户提供详尽地推理过程 和整定计算结果的解释。 4 结论 本文介绍了煤矿电网故障计算的特点，根据煤 矿企业故障计算的实际要求及目前计算方法中存在 的不足 ， 应用基本 电工理论和方法 ， 给 出了有 限大 电 源对短路点转移阻抗 的计算 公式 ，之后基于电机故 障暂态过渡过程 的基本理论 提出了特定时刻 电流计 算的计算机求解方法 ，最后 阐述 了本系统故 障电流 计算的流程图。准确的故障电流的计算为煤矿企业 的电气设备的选择 、设计和保护装置的整定计算提 供了必要数据的准备。 参考文献： 1 顾永辉 ， 范廷瓒 煤矿 电工手册( 修订本 ) ( 第二分册) 矿井 供 电 M 】 ， 煤 炭工业出版社， 1 9 9 4 2 许建安 继电保护整定计算 M ， 中国水利水电出版社， 2 0 0 0 【 3 李瑞龙 短路 电流实用计算 M 中国水利水电出版社， 2 0 0 3 作者 简介： 廉王龙， 男， ( 1 9 7 7 0 8 2 9) ， 本科 学历， 山西省晋城市沁 水县， 现任晋城乾泰安全技术有限责任公司副经理。 ( 收稿 日期 ： 2 0 1 3 8 3 0 ) ( 上接 第 7 2页 ) 给煤机控制、皮带保护系统及定量称重结合到一起 ， 实现相互 闭锁 ， 避免 了原来各 系统 的独立运行 ， 提升 设备运行 自动化水平 ， 极大的提高系统 的可靠性 。 自 改造完成 以来 ， 系统一直稳定运行 ， 取得 了很好 的实 际效果 。 参考文献 ： 【 1 】西门子( 中国) 有限公司自动化与驱动集团 深入 浅出西门 子 Wi n C C V 6 M 北京： 北京航 空航 天大学出版社 ， 2 0 0 5 【 3 j黄鹤松 ， 范士帅， 王公华， 等 基于P L C与 Wi n C C的东滩煤 矿 主井装载 系统 改造【 J 】 煤矿 安全 ， 2 0 1 2 ( 1 0 ) ： 1 1 9 1 2 2 I 4 白宏峰 ， 李文德， 盛团秀 双箕斗提升主井 Y形装载封闭闸 门的若干组合 煤炭科学技术， 2 0 0 5 ( 2 ) ： 2 6 2 8 作者简介： 孔明( 1 9 8 4 一 ) ， 男， 山东济宁人 ， 硕 士学位 ， 见习技 术 员， 现 于兖矿集团济宁三号煤矿提升队从事技术工作。 子 S 7 3 0 0P L C M 北京： 北京航 空航 天大 学出版社 ， 2 0 0 4 2 西门子( 中国) 有限公司 自动化与驱动集团 深入浅出西门 ( 收稿日期： 2 0 1 3 6 3 ) Th e Re s e a r c h a n d Ap p l i c a t i o n o f J i n i n g 3 样c o a l mi n e ma i n s h a f t e l e c t r i c c o n t r o l l o a di ng s y s t e m Ko ng Mi ng， Li a n Lu we i ， Li u Ka i ， Ha n Xi a nmi ng 【 Ho i s t T e a m， J i n i n g 3 #c o a l mi n e ， Ya n k u a n g Gr o u p 2 7 2 0 0 0 ， C h i n a) Ab s t r a c t ： Ma i n s h a f t l o a d i s i n t h e k e y p o s i t i o n o f t h e c o a l mi n e p r o d u c t i o n ， s afe a n d s t a b i l i t y c o n t r o l s y s t e m o f ma i n s h a f t l o a d i n g i s o f g r e a t s i g n if i c a n c e f o r t h e c o a l mi n e I n t h i s p a p e r ， t h e h a r d wa r e a n d s o f t t h r e e c o a l mi n e ma i n we l l l o a d i n g c o n t r o l s y s t e m， i n t r o d u c e s t h e ri s e o f S 7 3 0 0 P L C a s a l o a d i n g c o n t r o l s y s t e m ma i n c o n t r o l ， c o mb i n e d w i t h t h e a p p l i c a t i o n o f c o mb i n e d s wi t c h ， s y s t e m a n a l y s i s o f t h e i mp r o v e d d e s i g n a n d c o n t r o l s y s t e m， t h e a p p l i c a t i o n o f c o mmo n c o n t r o l l o a d i n g s y s t e m of mi n e a r e d e s c r i b e d a n d d i s c u s s e d Ke y wo r d s ： ma i n s h a f t ； l o a d ； e l e c t r i c a l c o n t r o l s t e m； t r a n s f o r ma t i o n ； c o mb i n e d s w i t c h 75 器 一 一 机 一 一 库 释 理 工识