礦井低壓電網(wǎng)選擇性漏電保護系統(tǒng)總體設計與實現(xiàn)

孫玉坤，朱志瑩，黃振躍，唐 平

(1.南京工程學院，南京 211167;2.江蘇大學，江蘇鎮(zhèn)江 212013)

1 前言

漏電是礦井供電系統(tǒng)的主要故障形式，約占其總故障的70%，它不但導致人身觸電事故，還會形成單相接地，進而發(fā)展成為相間短路，由此引發(fā)的電弧會造成瓦斯和煤塵爆炸。漏電保護主要用來防止漏電火災造成的經(jīng)濟損失和人身傷亡，因此得到廣泛的研究和應用［1～3］。

選擇性漏電保護是指電網(wǎng)發(fā)生漏電故障時，能夠有選擇地發(fā)出故障信號或切斷故障支路電源，而非故障部分繼續(xù)工作，從而減小故障停電范圍，便于尋找漏電故障，縮短漏電停電時間，提高供電的可靠性［3～10］。目前，我國礦井低壓電網(wǎng)的選擇性漏電保護系統(tǒng)主要采用單一的保護原理，從現(xiàn)場運行情況來看，這類保護裝置存在一系列缺陷:a.動作無選擇性;b.動作電阻值不穩(wěn)定;c.易產(chǎn)生誤動作;d.保護拒動。不能很好地完成保護的目的。

針對以上問題，筆者基于附加直流源檢測［10］和零序功率方向［11］的選擇性漏電保護原理，設計了一款新型漏電保護系統(tǒng)。該保護系統(tǒng)首次提出采用dsPIC30F4012作為控制核心、PIC16F877A為從處理器的主從式保護結構，并采用RS—485總線及光纖傳輸技術，既可完成井下低壓電網(wǎng)單相漏電時的橫向選擇性和縱向選擇性保護功能，又能保證電網(wǎng)漏電保護動作的無級差性。

2 選擇性漏電保護原理

煤礦井下低壓電網(wǎng)，尤其在采區(qū)變電所，大多采用輻射式供電，供電系統(tǒng)如圖1所示。圖1中HVB為高壓真空饋電開關，T為變壓器，GLVB為干線低壓真空開關，LVBi為第 i支路的真空饋電開關，LVCi為第i支路的傳輸電纜，GPS為總饋電開關的保護系統(tǒng)，SPSi為第i支路分饋電開關的保護系統(tǒng)。其中GPS采用附加直流電源保護原理，SPSi采用零序功率方向保護原理構成兩級漏電保護系統(tǒng)。

圖1 中有 N 條支路(F1，…，F(xiàn)i，…，F(xiàn)N)，假設 F1支線發(fā)生漏電故障，則在電網(wǎng)中產(chǎn)生零序電壓U0，如果規(guī)定由母線流向支路為正，則由支路流向母線為負，于是對于故障支路F1有:

圖1 輻射式供電系統(tǒng)框圖Fig.1 Radiation type power supply system block diagram

而非故障支路，如F2有:

由式(1)和式(2)可得，對應于故障支路總有P0＜0，而非故障支路則總有P0＞0，且故障支路的P0絕對值較非故障支路大的多，從而可以利用這個判據(jù)準確、可靠地判斷出故障支路和非故障線路而實現(xiàn)選擇性。

3 保護系統(tǒng)總體設計與實現(xiàn)

3.1 硬件系統(tǒng)

圖2是基于選擇性漏電保護原理設計的礦井選擇性漏電保護裝置的硬件系統(tǒng)框圖。主要包括核心控制器dsPIC30F4012(位于總饋電開關處)、從處理器PIC16F877A(位于分支總饋電開關處)、零序電壓、電流的采樣電路及相關輔助電路。

1) 核心控制器 dsPIC30F4012［12］。位于總饋電開關處的核心控制器要完成對直流取樣信號Us、零序電壓U0和絕緣電阻的實時采集和檢測，還要和上位機及分支開關處的從處理器通信，漏電支路的切除與報警。因此，要實現(xiàn)漏電的及時保護，其核心控制芯片必須具有較高的處理速度、較高可靠性，同時具備通信、中斷和A/D轉換功能。該系統(tǒng)采用dsPIC30F4012芯片作為硬件系統(tǒng)的核心部件，它是Microchip公司dsPIC30F系列的DSP型微控制器的一種，它有1個16位CPU和1個DSP內(nèi)核，它的中斷系統(tǒng)有高達30個故障處理源，同時它具有SPI、I2C和URT三種外圍串行通信接口，自帶10位的A/D轉換模塊，這使其能滿足本系統(tǒng)的設計要求。

圖2 硬件系統(tǒng)框圖Fig.2 Hardware block diagram

2)從處理器PIC16F877A［13］。傳統(tǒng)的集中選線方法是由總饋電開關保護裝置進行集中選線，增加了總饋電開關漏電保護裝置的計算負擔，不利于快速保護，而筆者設計從處理器后，當分支線路的任一處發(fā)生漏電故障時，總饋電開關處的核心控制器將零序電壓的值傳給從處理器，并由從處理器負責選線判據(jù)的計算，根據(jù)選線判據(jù)確定出故障支路后，無延時地動作于跳閘，同時向總饋電開關保護裝置發(fā)出故障信息;總饋電開關保護裝置收到故障信息后閉鎖其輸出信號，若經(jīng)過預定的延時后，尚未收到分支饋電開關保護裝置的動作信號，則其無選擇地動作于跳閘，從而起后備保護作用。由此可見，筆者設計的選擇性漏電保護系統(tǒng)中的各級保護裝置皆為瞬動型，可以實現(xiàn)無級差的漏電保護，使漏電保護系統(tǒng)的縱向選擇性更合理、更完善。筆者選用的從處理器是Microchip公司生產(chǎn)的PIC16F877A芯片，這款單片機外圍電路簡單，轉換精度高，可以滿足系統(tǒng)的設計要求。

3)電壓檢測模塊。在該裝置中共有兩個電壓量需要實時測量，用于絕緣檢測的Us和零序電壓U0。這兩個量是在總饋電開關處通過電壓互感器的降壓再由A/D進行采樣，具體的模擬量輸入原理見圖3。由于系統(tǒng)使用的ADC(ADS7835)是高速的單通道ADC，所以要先由一個二選一多路選擇器對U0、Us分時測量。而電壓跟隨器的使用主要是起到阻抗匹配、增強帶負載能力及電路隔離的作用，這在井下高干擾的環(huán)境下是非常必要的。低通濾波器的作用是為防止出現(xiàn)頻譜的“混疊效應”，濾除輸入信號中高于1/2采樣頻率的高頻成分，同時減輕系統(tǒng)對硬件處理速度的要求。

圖3 電壓測量模塊Fig.3 Voltage measurement module

4)零序電流采樣模塊。電流的檢測有多種方法，最通用的方法是采用阻性分流器、霍爾元件傳感器、隔離電流傳感器。阻性分流器工作室與負載串聯(lián)，無法進行隔離測量;霍爾元件傳感器測量精度較高，但輸出端需要復雜的調理電路、溫度補償電路和算法。而筆者所使用的是LEM推出的CT系列電流傳感器，此款電流傳感器是針對漏電安全檢測而設計的，根據(jù)毫安級的測量電流輸出端是0～5 V的直流電壓，可以直接由A/D進行測量，零序電流測量的框圖如圖4所示。

圖4 零序電流測量模塊框圖Fig.4 Zero sequence current measurement module

5)通信模塊。礦井環(huán)境具有高干擾、高濕度特性，傳統(tǒng)的通信介質，如雙絞線等往往有傳輸效率低、誤碼率高、傳輸距離短等缺點。而光纖傳輸系統(tǒng)具有損耗低、中繼距離長和抗電磁干擾性能好等優(yōu)點，能夠對監(jiān)測的信號進行無失真?zhèn)鬏敗＝┠觌S著成本的下降，光纖通信開始在礦井等復雜環(huán)境下得到廣泛使用。綜合考慮控制成本和系統(tǒng)的可靠性，該系統(tǒng)中核心控制器和從控制器通信電路見圖5。采用RS—485總線，它采用差分平衡電路，能有效抑制長距離傳輸中的噪聲干擾，能實現(xiàn)可靠的串行通信。圖5中MODEL277B是一款RS—485串口轉光纖的轉換器，它能夠向用戶提供RS—485串口端到端的透明傳輸。支持零延時自動轉發(fā)，自動偵測串口速率，判別和控制數(shù)據(jù)傳輸方向，最大通信速率500 kb/s。光纖分多模光纖和單模光纖，多模光纖可選ST/SC/FC接口，通信距離達到2 km，而單模光纖采用FC/SC/ST接口，通信距離達到20 km。

3.2 軟件部分

鑒于系統(tǒng)的復雜性和實時性，控制系統(tǒng)軟件部分采用匯編語言編寫，模塊化編程。這不僅提高了控制器的運行效率，而且增加了程序的通用性和可移植性，有利于系統(tǒng)的維護改進。

圖5 通信電路圖Fig.5 Communication circuit diagram

整套程序分為主控模塊、選線模塊、電壓檢測模塊、絕緣電阻檢測模塊等。主控模塊即主程序，它是整個系統(tǒng)軟件的“總指揮”，通過對各功能模塊的合理調用來完成參數(shù)的檢測、分析、判斷從而實現(xiàn)系統(tǒng)的整體功能。主程序流程圖如圖6所示。

圖6 主程序流程圖Fig.6 Master routine

選線模塊根據(jù)選擇性漏電保護原理，首先讀取各支路的零序電流和零序電壓值，然后計算功率P0，P0＜0的為故障支路，P0＞0的為非故障支路，如圖7所示。

圖7 選線模塊Fig.7 Line selection module

系統(tǒng)要實時地檢測工作電壓，以確保工作電壓正常，并完成對應的電壓顯示功能，程序框圖如圖8所示。

圖8 電壓檢測模塊Fig.8 Voltage examination module

為了實現(xiàn)漏電保護功能，總開關要不斷地檢測電網(wǎng)對地絕緣電阻，從而判斷系統(tǒng)是否發(fā)生了漏電故障，分開關在合閘前也要進行漏電閉鎖試驗，同樣需要檢測電網(wǎng)對地絕緣電阻，絕緣電阻檢測模塊程序框圖如圖9所示。

圖9 絕緣電阻檢測模塊Fig.9 Dielectric resistance examination module

3.3 軟、硬件抗干擾措施

各檢測電流信號和零序電壓信號所采集到的模擬信號來自強電回路，所以會有很多的干擾存在，在該裝置的設計中分別采取了軟、硬件抗干擾措施，使得系統(tǒng)更加穩(wěn)定可靠。硬件方面:在電源和信號輸入回路中，設計了低通濾波器以消除周期性干擾;在信號傳輸回路中，采用光電隔離將模擬量與數(shù)字量、開關量的輸入與輸出相隔離，以減小過程通道的干擾，并設置了硬件自恢復電路，一旦在干擾下程序出錯，而軟件措施不能解決，就可以通過自恢復電路自動復位。軟件方面:對輸入數(shù)據(jù)進行檢查，對運算結果進行核對，并且在模塊軟件上采用自檢和程序陷阱，此外還設計了軟硬件相結合的“看門狗”電路，保證整個系統(tǒng)的可靠性。

4 試驗

下井前對開關進行了地面試驗，試驗4臺，其中1臺總饋電開關，3臺分支饋電開關，電網(wǎng)額定電壓VN=1 140 V。漏電保護系統(tǒng)的各項技術指標測試數(shù)據(jù)如表1所示。表中的測試數(shù)據(jù)均為10次測試的平均值，而且10次中均不出現(xiàn)誤動現(xiàn)象。由表1可見，各項技術指標均滿足要求，尤其是分支開關的橫向選擇性漏電動作時間小于30 ms，總開關的縱向選擇性漏電動作時間小于200 ms，不僅滿足了井下供電的連續(xù)性要求，而且保證了人身觸電時的安全性，這項指標優(yōu)于其他同類產(chǎn)品。

表1 漏電保護裝置技術性能參數(shù)測試結果Table 1 Test results of technical properties of the leakage protection device

5 結語

1)基于附加直流電源與零序功率方向選擇性漏電保護判據(jù)，以高性能微控制器dsPIC30F4012為中央控制單元，設計了一種新型主從結構漏電保護系統(tǒng)，詳細闡述了硬件原理和軟件部分。

2)系統(tǒng)的核心處理器與從處理器的通信，以及核心處理器和上位機的通信均采用光纖通信的方式，這種信號傳輸?shù)姆绞诫m然在成本方面有所提高，但其高的抗干擾性能和高的通信效率可以保證保護裝置的瞬動性，有效地避免井下事故的發(fā)生。

3)采用模塊化結構軟件設計方法，設計了系統(tǒng)的各個模塊的程序。具有編程簡單、結構清晰、調試方便、運行效率高等優(yōu)點。

4)研究了保護裝置中主要的干擾，對應于不同的干擾信號制定了相應的硬件和軟件抗干擾措施，提高了保護裝置的工作可靠性。

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