雙控制器礦井低壓電網饋電保護裝置

摘 要：針對我國礦井工程供電系統的特點，設計一種將交流采集、故障檢測與控制相分離的新型饋電開關智能控制器，解決了現有饋電裝置響應速度慢等缺點；采用附加直流和零序電壓與零序電流相位相結合的方法，較好的解決了現有饋電開關選擇性漏電檢測可靠性、穩定性差的問題。添加RS485和CAN工業通信總線，方便各個系統之間通訊與連接。我國煤礦井下低壓電網多為三相中性點不接地供電系統，該供電系統對選擇性漏電保護要求較高，因此可靠穩定的饋電智能開關是礦井安全所必須的。文章設計一種采用附加直流和零序電壓與零序電流相位相結合的選擇性漏電檢測判別方法，該方法在硬件和軟件方面均采取了多重選擇性漏電判別規則，大大提升了饋電開關檢測穩定性。該饋電開關兼有RS485和CAN工業通信總線，方便各種系統之間相互兼容和數據共享。

關鍵詞：饋電開關；AVR；漏電檢測

1 引言

我國是一個產煤大國，由于礦井內部設備龐雜，其運轉需要消耗大量電能，其供電設施的穩定與否，對整個礦井安全工作、高效生產有著直接影響。饋電開關控制器主要用于礦井供電設備的故障檢測與電源控制。在具有短路保護、過流保護、過載保護、等傳統故障檢測功能的同時，還具有可調式漏電保護功能。

目前礦井所使用的饋電開關大多采用單芯片的系統結構，該系統中央處理芯片不僅需要采集電網中各項參數，還需對測量參數進行處理與檢測。延長設備響應時間，增加了礦井的運行的危險系數。為解決該類問題，本系統采用雙芯片結構，將系統分為交流信號采集模塊與信號處理模塊。交流信號采集模塊采用電網計量芯片作為主控核心，主要負責電網中輸入信號參數測量，故障檢測與處理模塊選用單片機作為其主控核心，主要負責數據處理與故障檢測等功能有效地提高故障響應速度。

2 礦井低壓電網漏電特征及選擇性漏電保護原理

我國礦井井下低壓電網供電系統基本采用中性點不接地方式，其漏電電流分布特點如圖1所示。該圖所示煤礦電網模型主要由低壓輻射式電網為主，該電網模型采用三線供電結構，L1、L2、L3分別代表電網結構中三條支路，在各個支路的測量節點上分別安裝ZT1、ZT2、ZT3三個零序電流互感器。假設各個支路所產生的等效電容C1、C2、C3數值相同。當其中一條支路與地線發生短路故障時（Rd=0 ），該支路上所攜帶電位將為零。

圖1 中性點不接地電網系統單相漏電電容電流分布特點

而中性點的電位■n=-■C ，B相、C相對地電壓變為線電壓，即：

式（1）

式（2）

各個支路的B、A相對地電容電流為：

式（3）

式（4）

所以各支路對地的容性電流和為：

式（5）

相位超前零序電壓90°。

由圖1可知，非漏電支路L1，L2的零序電流為該支路對地的電容電流■1、■2，而漏電支路L3的零序電流為：

最終得出漏電支路的零序電流滯后零序電壓90°。

3 系統設計

該礦井供電網絡漏電檢測裝置以ARM芯片LPC2138作為其控制核心，負責信號處理與控制輸出功能，該芯片具有32K靜態存儲空間，滿足各種算法編寫等功能實現要求。信號采集方面，選取DSP電網測量專用芯片ATT7022作為6路交流信號采集芯片，該芯片可以在采集數據的同時，利用其內嵌電網參數測量算法，計算出電網運行中各項參數。該芯片與LPC2138采用SPI串口總線進行通信，實現數據同步采集與處理功能。通過兩個芯片相互通訊，最終實現高速數據采集與控制輸出功能。其結構圖如圖2所示。

4 采集電路設計

在電源電路設計中，采用電流互感器與電壓互感器對電網信號進行采集，該方案可以有效避免電網中電壓突變對系統造成的影響，有效將本系統與電網輸出網絡隔離，保證了系統的安全可靠。轉換后的電流利用ATT7022電網計量芯片進行實時采集，該芯片可同時采集三相電網中各項電流與電壓參數，避免了順序采集所產生的相位偏移。采集信號的同時，對電網中各個參數進行計算，通過串口傳輸網絡輸出電網中電壓、電流有效值、有功功率、無功功率等電網測量參數。

5 雙T濾波器設計

雙T濾波器是兩個T型濾波器的并聯，其中一個為高通濾波器，另一個為低通濾波器，組成一個帶阻濾波器。如結構圖3所示：

其中：R1=R2=2R3，C1=C2=C3=C4，由并聯雙端口網絡特性可以得到雙濾波器的傳遞函數為：

式7

式8

式9

其中：

采用NI公司的仿真軟件Multisim對雙T濾波器性能進行仿真。其中R1=R2=32K，R3=（1/2）R1=16K，C1=C2=C3=C4=0.1uF，？棕=2？仔f=2？仔*50=314由式2得：

式10

從圖5可得出，當其輸入信號頻率在49.355時，信號衰減-43.592dB。與理論計算結果是一致的。

6 選擇性漏電模塊設計

饋電保護開關其功能模塊主要以漏電保護作為其功能核心，該模塊設計決定了系統穩定性等性能參數。該漏電檢測主要根據零序電壓與零序電流之間的相位關系進行判別。由前文可知，漏電支路的零序電壓相比于該支路零序電流超前90°，由此可見，零序電壓與零序電流之間相位角決定了該支路是否漏電。圖6為選擇性漏電模塊原理圖。

零序電壓與零序電流的前端處理由二階低通濾波器與施密特觸發器兩部分組成，濾波器將信號中雜波濾除，利用施密特觸發器將交流信號整流形成方波信號，輸入單片機利用單片機其內部比較起進行檢測。由于交流電信號為正負信號，為保證其信號符合測量要求，利用運放加法器在信號輸入前端增加1.61V抬升電壓，將交流電壓由雙向轉換成單向電壓。X9C103為數字電位器，用來改變施密特觸發器的觸發電壓，以達到自動調節的目的。

7 施密特觸發器設計計算

施密特觸發器一種信號轉換器，可將緩慢變化的信號轉換成類似方波的陡峭信號，該觸發器被廣泛應用于各類數字系統信號處理模塊中。該觸發器由于其觸發器本身特性導致其具有一定滯環特性。由于該特性的存在，避免了由于輸入信號本身微弱變化而產生的輸出跳動。

施密特觸發器是由運放的正反饋構成的，如圖7所示：由疊加定理可得：

式（11）

由于運算放大器采用正反饋，它的輸出只有兩種情況：Vom（正向飽和電壓）和-Vom（負向飽和電壓）。由此可以得出：

式（12） 式（13）

施密特觸發器的滯環特性如圖8所示：

采用NI公司的仿真軟件Multisim對施密特觸發器性能進行仿真。其中運放的供電電壓為+5V和0V，兩個電阻R1=5K，Rf=15K，Vref=3V， ，Vom=3V，-Vom=0V由式3.13和3.14計算得：

與圖8中的仿真波形相對比，理論計算和仿真結果是一致的，這樣就從理論和仿真說明了施密特觸發器的可行性，并且該方案的正確性也得到了驗證。另外，施密特觸發器的上限觸發電壓（VOH）和下限觸發電壓（VOL）可以通過改變電壓Vref而得到改變。

8 結論

經過實際測量與仿真實驗可以得出，本系統檢測精度達到預期目標，并利用雙處理器連接技術使平均故障動作速度比以前提高30%。本文設計的饋電開關樣機已在煤礦井下試用，目前該樣機運行正常，實際應用的效果與仿真結論基本一致，證明本文設計方法是可行的，具有繼續推廣的價值。

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作者簡介：李輝（1973，11-），助理工程師，安徽淮北人，現從事礦山大型電氣設備技術工作。