一種礦用低壓饋電開關(guān)綜合保護(hù)系統(tǒng)

童 軍，王 悅，吳偉東

（西安科技大學(xué) 電氣與控制工程學(xué)院，陜西 西安710054）

隨著煤礦開采技術(shù)的不斷發(fā)展，礦井規(guī)模增大、礦井電網(wǎng)電量增加、供電線長(zhǎng)度不斷增長(zhǎng)的趨勢(shì)也更加明顯，并且井下環(huán)境陰暗潮濕，這些不利因素使漏電和短路故障時(shí)有發(fā)生[1]，因此饋電開關(guān)保護(hù)系統(tǒng)成為了保證井下電氣安全的重要保障[2-3]，我國(guó)《煤礦安全規(guī)程》第四百五十一條規(guī)定：井下饋電線上必須安裝具備過流保護(hù)、短路及漏電保護(hù)功能的電氣設(shè)備[4-5]。為此,基設(shè)計(jì)了一種以STM32F407 為微控制器的饋電綜合保護(hù)系統(tǒng)，它有良好的信號(hào)處理能力，并有參數(shù)設(shè)置、故障分析等功能，且具備判斷井下漏電、短路、斷相、及過壓欠壓故障的能力。

1 漏電保護(hù)

漏電保護(hù)是指當(dāng)供電網(wǎng)絡(luò)的對(duì)地絕緣電阻遭到破壞的情況下，保護(hù)系統(tǒng)可快速檢測(cè)出故障點(diǎn)，并切斷電源[6]。饋電總開關(guān)采用的方法是附加直流電源法，這種方法以電網(wǎng)對(duì)地阻值大小為標(biāo)準(zhǔn)來判斷是否發(fā)生漏電故障，附加電源法的特點(diǎn)是范圍較廣且所需動(dòng)作時(shí)間短，能夠識(shí)別出因整體絕緣下降導(dǎo)致漏電的情況。由于這種方法沒有選擇性，故障發(fā)生時(shí)若沒有分開關(guān)的配合會(huì)導(dǎo)致井下大面積停電，對(duì)井下的用電設(shè)備和生產(chǎn)效率都有較大影響，因此故障發(fā)生時(shí)總開關(guān)需和分開關(guān)進(jìn)行延時(shí)配合，分開關(guān)先斷開，在仍不能排除故障的情況下再斷開總開關(guān)，實(shí)現(xiàn)橫向和縱向保護(hù)，附加直流電源保護(hù)原理如圖1。

圖1 附加直流電源保護(hù)Fig.1 Additional DC power protection

圖1 中，直流電流I 為：

式中：Rsk為三相電抗器的直流電阻；rΣ為三相對(duì)地絕緣電阻之和；R2為取樣電阻；R1為固定電阻取樣電阻。

R2上的電壓U1為：

則總絕緣電阻為：

若總絕緣電阻值達(dá)到系統(tǒng)的設(shè)定值，則控制器發(fā)出漏電故障信號(hào)，繼電器使真空斷路器跳閘，切斷電源，與饋電分開關(guān)延時(shí)100～300 ms，井下電壓等級(jí)為380 V 時(shí)，動(dòng)作值設(shè)定為3.5 kΩ，660 V 時(shí)動(dòng)作值設(shè)定為11 kΩ，1 140 V 時(shí)動(dòng)作值設(shè)定為20 kΩ。

為保證各回路具有橫向選擇性[7-8]，在分開關(guān)處采用零序功率法，零序功率方向法的硬件原理圖如圖2，從互感器獲取到零序電壓和零序電流信號(hào)后，先由二階低通濾波電路進(jìn)行濾波處理[9]，然后由運(yùn)算放大器和二極管構(gòu)成的精密整流電路對(duì)信號(hào)進(jìn)行整流，與預(yù)先設(shè)定的基準(zhǔn)電壓值VB通過比較器進(jìn)行比較，比較結(jié)果分別為Au和Ai，兩者的輸出通過與門電路連接至74HC74 使能控制端。當(dāng)與門輸出為高電平時(shí)，方波產(chǎn)生電路將零序電壓和零序電流信號(hào)分別轉(zhuǎn)換為Du和Di的相位方波，在漏電支路中，零序電流相位滯后于零序電壓相位[10]，正常線路的零序電流相位與故障線路零序電流相位相差180°，當(dāng)零序電壓的電平信號(hào)處在上升沿時(shí)，故障線路的零序電流的電平信號(hào)為高，而非故障線路零序電流的電平信號(hào)為低，所以故障線路的74HC74 輸出電平D0由高變低，正常線路的輸出電平D0則一直為高電平，不發(fā)生改變，STM32 單片機(jī)的漏電保護(hù)程序被故障線路輸出的低電平觸發(fā)，判斷故障信號(hào)。

圖2 零序功率方向保護(hù)原理圖Fig.2 Schematic diagram of zero sequence power direction protection

為驗(yàn)證保護(hù)系統(tǒng)的可靠性，在不同的電壓下需對(duì)相關(guān)保護(hù)參數(shù)進(jìn)行整定，380 V 時(shí)電壓和電流整定值分別為2 V 和10 mA，660 V 電壓下保護(hù)整定值為3 V 和15 mA。

2 過流故障保護(hù)

三相短路故障是煤礦井下造成后果最為嚴(yán)重的故障，故障電流可達(dá)額定電流In的6～8 倍以上，此類故障檢測(cè)采用相敏檢測(cè)及鑒幅檢測(cè)。當(dāng)井下大型電機(jī)在啟動(dòng)時(shí)，啟動(dòng)電流幅值可達(dá)兩相短路的電流幅值，由于電機(jī)啟動(dòng)時(shí)的功率因數(shù)較小，一般小于0.3，而發(fā)生三相短路時(shí)比較大，一般大于0.9，固可采用相敏檢測(cè)，保護(hù)判據(jù)整定為功率因數(shù)=6Incos20°。但當(dāng)故障發(fā)生在變壓器出線端，其功率因數(shù)也很低，相敏保護(hù)失效，此時(shí)采用鑒幅保護(hù)，一旦在變壓器出線端檢測(cè)到大電流，立即進(jìn)行瞬時(shí)保護(hù)動(dòng)作。

相敏檢測(cè)是利用相位轉(zhuǎn)換硬件電路將信號(hào)轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的邏輯電平，利用STM32F407 芯片的引腳捕獲功能，對(duì)管腳邊沿信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)，相位轉(zhuǎn)換電路如圖3，2 個(gè)輸入信號(hào)經(jīng)比較器轉(zhuǎn)換為方波信號(hào)后送至相位比較電路進(jìn)行轉(zhuǎn)換。在輸入U(xiǎn)ab為高電平的情況下U2B變?yōu)榉聪啾容^器，輸出電平為低，二極管D1導(dǎo)通，由于開關(guān)管Q1柵極為低電平，所以為關(guān)斷狀態(tài)，此時(shí)U2A為同相放大器，輸出極性與UIa的極性相同。同理在輸入信號(hào)Uab電平為低時(shí)，比較器U2B輸出信號(hào)電平為高，二極管D1關(guān)斷，在開關(guān)管Q1處于開通的情況下U2A變?yōu)榉聪喾糯笃鳎敵龇讲O性則與UIa極性相反。

圖3 相位轉(zhuǎn)換電路Fig.3 Phase conversion circuit

引起電網(wǎng)中電流產(chǎn)生負(fù)序分量的故障稱為非對(duì)稱性過流故障，主要由兩相短路、斷相、及相間電流不平衡所致，負(fù)序分量可通過對(duì)稱分量法得到，根據(jù)負(fù)序檢測(cè)原理，利用運(yùn)算放大器實(shí)現(xiàn)移相疊加功能，負(fù)序提取電路如圖4。

圖4 負(fù)序提取電路Fig.4 Negative sequence extraction circuit

為區(qū)分這些不同故障，需對(duì)不同故障參數(shù)進(jìn)行整定，電網(wǎng)三相不平衡的整定值為0.3In～0.65In，其保護(hù)方式為反時(shí)限保護(hù)，斷相故障的整定值為0.64In～2In，在0.8 s 內(nèi)跳閘，兩相短路故障整定值為大于2In，并延時(shí)70 ms 跳閘。

目前過流故障保護(hù)主要采用反時(shí)限和定時(shí)限保護(hù)2 種方法。系統(tǒng)將反時(shí)限與定時(shí)限相結(jié)合，過載倍數(shù)在1.05～6 時(shí)進(jìn)行反時(shí)限保護(hù)，過載倍數(shù)小于1.05或大于6 時(shí)，采用定時(shí)限保護(hù)，反時(shí)限保護(hù)表達(dá)式為：

式中：t 為過載延時(shí)時(shí)間，ms；C 為反時(shí)限特性常數(shù)，本系統(tǒng)中C＝2；In為額定電流，A；Ir為實(shí)際工作電流，A；K 為反時(shí)限常數(shù)。

3 功率計(jì)量模塊

基于井下的實(shí)際需要，保護(hù)系統(tǒng)還增添了以計(jì)量芯片ADE7752 為核心的功率計(jì)量模塊。該芯片的輸入為電壓和電流采樣信號(hào)，并且為差動(dòng)輸入模式，該芯片具有模數(shù)轉(zhuǎn)換、低通和高通濾波、相位校正等功能，ADE7752 外部接線圖如圖5。芯片的輸出引腳CF 通過光耦與STM32 相連，引腳CF 在單位時(shí)間輸出的脈沖個(gè)數(shù)代表有功功率的值，功率數(shù)值通過屏幕進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示。

圖5 ADE7752 外部接線圖Fig.5 ADE7752 external wiring diagram

4 軟件設(shè)計(jì)及測(cè)試

漏電故障檢測(cè)流程圖如圖6，過流故障檢測(cè)流程圖如圖7。

在實(shí)際測(cè)試中，從保護(hù)系統(tǒng)檢測(cè)到漏電故障信號(hào)到斷開故障支路共用95 ms，從檢測(cè)到短路故障到斷開共用了75 ms，在4 倍過載的情況下，斷開故障用了17.18 s，過壓和欠壓故障斷開時(shí)間為4 s，符合實(shí)際要求。

5 結(jié) 語

圖6 漏電故障檢測(cè)流程圖Fig.6 Leakage fault detection flowchart

圖7 過流故障檢測(cè)流程圖Fig.7 Overcurrent fault detection flowchart

研究了基于STM32F407 的饋電保護(hù)系統(tǒng)，針對(duì)不同故障設(shè)計(jì)了相應(yīng)的電路，并對(duì)各模塊進(jìn)行設(shè)計(jì)，對(duì)其進(jìn)行了試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明基本符合預(yù)期要求。