礦井選擇性漏電保護裝置的硬件設計

李志國

（汾西礦業集團運銷管理中心， 山西 介休 032000）

引言

長期以來，國內許多學者針對小電流接地系統選線裝置進行了大量的研究，不僅在軟件方面提出了許多選線方法，如群體比幅比相法、注入信號法等等[1-2]，并根據不同的選線方法研制了實際裝置，而且在硬件方面也不斷引入新技術新工具，如96系列的單片機、80C196單片機及DSP芯片等。但實際運行結果表明并不十分理想，因此，對于進一步研究選線裝置是十分必要的[1-3]。

1 選線裝置硬件組成框圖

根據硬件實現功能選線裝置大致可以分為數據采集和智能控制兩個部分。根據智能控制功能，選線裝置大致可以分為單片機方式和工控機方式[4]。

目前我們更強調的是選線裝置的擴展性，利用結合更先進的技術工具，能夠充分發揮其特點；而且易于選擇性漏電保護裝置的二次開發，進一步提高裝置的選線準確性，所以我們選用了工控機方式的故障選線裝置，結合了研華公司開發的PCI-1716L多功能數據采集卡，能夠充分發揮其計算能力的特點，提高了數據采集的高速性和準確性，為進一步完善裝置的人機界面和開發選線方法也打下了基礎[5-6]。

圖1所示的是一般的基于單片機的繼電保護裝置，包括數據采集系統、CPU主系統、開關量輸入/輸出系統、人機接口與通信系統、電源系統等五個基本部分組成。本文提出了工控機結合PCI-1716L數據采集卡的設計理念，選用研華IPC-610L型工控機，主板為PCA-6006LV，CPU為P4 2.4G，有512 MB的內存和80 GB的硬盤空間，支持多個PCI插槽；PCI-1716L是一款功能強大的低成本多功能PCI總線數據采集卡，利用它完成數據的采集、A/D轉換等功能，在工控機中進行數據處理，完成選線裝置的選線功能。從硬件結構上看，與單片機方式相比，采用PCI-1716L數據采集卡代替了采樣保持、多路轉換開關及模數轉換等模塊，數據采集系統相對簡化，從而提高了裝置的可靠性，并且在工控機方式下也可以進一步完善人機接口界面。

圖1 基于單片機繼電保護裝置硬件結構框圖

2 零序信號的獲取

2.1 零序電壓的獲取

根據對稱分量法，3U0=UA+UB+UC，即把 A、B、C三相相電壓的相量直接相加，零序電壓的模值就是其合成相量的1/3，方向就是其合成相量的方向。

現場中直接輸入保護裝置，一般采用三相五柱式電壓互感器以取得零序電壓，如下頁圖2所示。其中有三個繞組，第一個是一次繞組，以“Y”接方式接在6 kV電路上；第二個繞組是二次繞組，也是“Y”接線方式，通過它可以知道一次的電壓；第三個繞組也是二次繞組，是“開口三角”接線，正常運行時電壓為零，當6 kV系統發生單相接地時，會在開口三角處產生電壓。

零序電壓互感器接入保護裝置時，應注意極性不能接錯，電壓互感器的開口三角同名端（帶星號端）接出L，L為消弧線圈的電感，同時接保護裝置的同名端3U0*。

2.2 零序電流的獲取

零序電流互感器安裝時一般套在三相電纜的外面，如下頁圖3所示。互感器的一側電流是IA+IB+IC，只當一次側有零序電流時，在互感器的二次側才有相應的3I0輸出。

圖2 三相五柱式電壓互感器接線示意圖

圖3 零序電流互感器接線示意圖

3 信號調理電路模塊的設計

3.1 電壓形成回路

數據采集卡要求輸入信號為±5 V或±10 V的電壓信號，因此，電壓形成回路的主要任務就是將零序電壓/電流互感器的二次側輸出量進行變換，并將電流量轉換為電壓量，以滿足模數轉換器的要求。另外，電壓形成回路還起到了隔離和屏蔽的作用，以減小高壓設備對微機繼電保護裝置的干擾。本系統選用淄博元星電子有限公司生產的TV31B-02型號的微型電流型電壓互感器。

TV31B系列電流型電壓互感器使用狀態為2 mA/2 mA，次級輸出的mA級電流信號經外接運放I/V轉換電路變換為電壓信號，如圖4所示。

用TV31B-02設計一個交流電壓采樣電路，其額定輸入電壓為100 V，額定輸出電壓為5 V，其電路及其參數如下：

假設TV31B-02額定點的角差φc=8'，φc為每只傳感器上標的未補償前的相移值，以分為單位。

限流電阻R'：取初級額定電流為2 mA，R'=100 V/2 mA-0.16 kΩ=49.84 kΩ，選 R'=50 kΩ（1W）。0.16 kΩ為TV31B的初級繞組內阻值。

反饋電阻R=Vo/Is=5 V/2 mA=2.5 kΩ，如果補償電容C取0.022 μF，則補償電阻r為：

圖4 電壓互感器電壓形成回路原理圖

用該電流互感器設計一個交流電壓采樣的電路，其額定輸入電流為5 A，輸出電壓為5 V，如圖5所示。反饋電路參數的確定：

圖5 電流互感器電壓形成回路原理圖

其額定點的角差φc=15'；反饋電阻R=Vo/Is=5 V/2.5 mA=2 kΩ；C 選 0.022 μF， 則 補 償 電 阻

3.2 濾波電路

由于本裝置是應用于繼電保護系統中，一旦發生故障，系統將會產生相當高的高頻分量，而實際中，本系統中只需提取基波分量以及五次諧波，這些高頻信號（主要是7次以上的諧波）將會干擾正常的信號分析，因而需要一個RC低通濾波器。將從電壓電流互感器變換過來的5 V電壓信號進行濾波處理，才能由數據采集卡進行采集和工控機的處理。

4 開關量輸出電路的設計

在選線裝置中設有開關量輸出電路，用于驅動各種繼電器，如跳閘出口繼電器、裝置故障報警繼電器等。考慮到控制電路的抗干擾能力，采用光電耦合器，電路圖原理如圖6所示。當板卡數字量輸出1通道（管腳13）為高電平時，經與非門電路之后，輸出為低電平，經光電耦合器使驅動晶體管VT導通，出口繼電器K得電吸合。當管腳13輸出低電平時，經與非門電路后輸出高電平，經光電耦合器使VT截止，K釋放。

5 結論

圖6 開關量輸出電路

由于目前強調的是選線算法的準確性以及選線裝置的擴展性，因此，在比較單片機實現方式和工控機實現方式各自特點的基礎上，設計本裝置選用工控機方式，充分利用工控機方式擴展能力強的特點，結合PCI-1716L高速數據采集的優點，為以后選線裝置的升級、完善打下基礎。