井下低壓電網(wǎng)的饋電保護(hù)裝置設(shè)計(jì)

目前我國(guó)井下使用的漏電保護(hù)技術(shù)有：基于附加直流電源漏電保護(hù)原理構(gòu)成的漏電保護(hù)；基于檢測(cè)零序電壓大小構(gòu)成的漏電保護(hù)和由檢測(cè)零序電流大小構(gòu)成的漏電保護(hù)等。這些技術(shù)都存在一定的缺陷：

(1)通過檢測(cè)附加直流電源實(shí)現(xiàn)漏電保護(hù)，動(dòng)作無選擇性。(2)通過檢測(cè)零序電壓大小實(shí)現(xiàn)漏電保護(hù)，動(dòng)作電阻值不穩(wěn)定。(3)通過檢測(cè)零序電流大小實(shí)現(xiàn)漏電保護(hù)，單相漏電時(shí)動(dòng)作有選擇性，但動(dòng)作電阻值不穩(wěn)定，當(dāng)電網(wǎng)支路較少時(shí)，易產(chǎn)生誤動(dòng)作。(4)通過測(cè)量零序電流方向?qū)崿F(xiàn)漏電保護(hù)，可以利用故障和非故障支路零序電流的大小和方向的不同加以區(qū)分，達(dá)到選擇性保護(hù)的目的，但其存在動(dòng)作電阻值不穩(wěn)定，并且需要有足夠大的零序電流才能使能保護(hù)動(dòng)作。

針對(duì)當(dāng)前井下低壓電網(wǎng)的環(huán)境和技術(shù)上的缺陷，系統(tǒng)采用附加直流和零序功率方向檢測(cè)兩種技術(shù)，提出在電網(wǎng)的主支路選擇基于附加直流源保護(hù)原理的漏電裝置；而在電網(wǎng)的分支路選擇基于零序功率方向保護(hù)原理的選擇漏電保護(hù)裝置。既保證了準(zhǔn)確的動(dòng)作電阻值，又保證了動(dòng)作的選擇性。提高了饋電系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性，可以滿足工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的應(yīng)用需求。

1  漏電保護(hù)原理

1．1附加直流源漏電保護(hù)原理

電網(wǎng)若發(fā)生漏電故障，最容易檢測(cè)到的是電網(wǎng)各相對(duì)地絕緣電阻值的下降?？稍谌嚯娋W(wǎng)與地之間附加一個(gè)獨(dú)立的直流電源，則在三相對(duì)地的絕緣電阻上將有一直流電流流過，該電流的大小變化直接反應(yīng)了電網(wǎng)對(duì)地絕緣電阻的變化，有效地檢測(cè)和利用該電流就可以構(gòu)成附加直流電源，進(jìn)行檢測(cè)漏電保護(hù)。

如圖1所示，直流電流I由獨(dú)立直流電源的正極經(jīng)電阻R1流入三相電抗器的人為中性點(diǎn)，經(jīng)三相電抗器進(jìn)入三相線路，再經(jīng)電網(wǎng)對(duì)地絕緣電阻r1，r2，r3流入地，最終返回負(fù)極。由于三相電抗器的電阻非常小，當(dāng)取樣電阻阻值一定時(shí)，直流電流主要由電網(wǎng)對(duì)地絕緣電阻決定。因此只需檢測(cè)取樣電阻R1上的直流電壓大小即可分析電網(wǎng)對(duì)地的絕緣情況。

1．2選擇性漏電原理

在多支路的輻射式電網(wǎng)中，當(dāng)任意支路發(fā)生漏電故障時(shí)，各分支線路中都會(huì)有零序電流通過。通過故障支路的零序電流的大小和方向都與非故障支路不同。故障支路的零序電流是所有非故障支路零序電流之和。根據(jù)零序電流大小的不同可以區(qū)分故障支路和非故障支路。這就是用零序電流幅值比較法進(jìn)行選擇漏電故障支路的理論依據(jù)。此外，故障支路的零序電流方向是流向母線的，而非故障支路則由母線流向支路。它們的方向不同，這就是零序電流功率方向的保護(hù)原理。零序電流和零序電壓的相位采用硬件處理判斷，零序電流采用硬件整流，微處理器只須進(jìn)行直流采樣，使得軟件算法簡(jiǎn)潔，判斷迅速。

2  硬件及軟件實(shí)現(xiàn)

2．1附加直流源法硬件實(shí)現(xiàn)

漏電保護(hù)的附加直流源硬件框圖如圖2所示，漏電電流通過采樣電阻R2獲取電壓，經(jīng)過濾波電路濾除干擾信號(hào)經(jīng)光耦隔離后送入A／D前端進(jìn)行采樣。

2．2零序功率方向型漏電檢測(cè)法硬件實(shí)現(xiàn)

通過零序功率方向信息判斷漏電故障支路，再通過漏電支路零序電流閾值進(jìn)行二次判斷后，可以準(zhǔn)確地判斷漏電故障支路。因此該系統(tǒng)需要獲取井下電網(wǎng)的零序電壓和零序電流來進(jìn)行功率方向判斷，其獲取電路框圖如圖3所示。零序電壓的獲取是利用三相電抗器的中性點(diǎn)外接電阻獲得，通過無源、有源的濾波衰減后，經(jīng)方波整形、光耦隔離與零序電流信號(hào)異或后，再送入微處理器的電平監(jiān)測(cè)單元。零序電流互感器通過三相線獲得零序電流，電流經(jīng)采樣電阻變?yōu)殡妷盒盘?hào)。電壓信號(hào)經(jīng)放大、濾波、調(diào)理后分為兩路。一路通過方波整形、光耦隔離與零序電壓脈沖信號(hào)異或后送入為處理器的電平監(jiān)測(cè)單元；另一路通過整流，線性光耦隔離送入微處理器的A／D采樣單元。

2．3附加直流源保護(hù)軟件實(shí)現(xiàn)

附加直流源法的軟件部分主要包含漏電電阻值的標(biāo)定和漏電故障判斷兩部分。由于處理器只能獲取電阻值的電壓信號(hào)，因此首先要對(duì)采樣電壓值對(duì)應(yīng)的電阻值進(jìn)行標(biāo)定，然后把標(biāo)定值記錄在Flash中，用來判斷漏電電阻的阻值。漏電故障判斷部分流程圖如圖4所示。如果饋電系統(tǒng)被設(shè)置為總開關(guān)，那么斷路器在合閘后，軟件將進(jìn)入漏電故障判斷循環(huán)。軟件監(jiān)測(cè)采樣電阻值，如果采樣電阻值小于漏電電阻閾值，進(jìn)入漏電故障處理模塊，否則繼續(xù)監(jiān)測(cè)采樣電阻值。

2．4選擇性漏電保護(hù)軟件實(shí)現(xiàn)

如果饋電系統(tǒng)被設(shè)置為分開關(guān)，那么斷路器在合閘后，軟件將進(jìn)入漏電分支故障判斷循環(huán)。其相關(guān)軟件流程圖如圖5所示。進(jìn)入分支饋電合閘后，軟件一直等待由高電平觸發(fā)的中斷模塊。如果發(fā)生漏電故障，則故障支路硬件電路會(huì)產(chǎn)生高電平，從而觸發(fā)處理器外部中斷。軟件進(jìn)入中斷后，進(jìn)行零序電流幅值判斷，當(dāng)零序電流幅值大于標(biāo)定的動(dòng)作值時(shí)，認(rèn)定該支路發(fā)生漏電故障，進(jìn)入漏電故障處理模塊；否則，跳出中斷重新等待外部中斷。

3  抗干擾措施

煤礦井下環(huán)境惡劣、粉塵大、濕度高；同時(shí)電網(wǎng)中的大功率負(fù)載會(huì)產(chǎn)生較強(qiáng)的電磁干擾。這些都要求井下漏電保護(hù)裝置必須具有很強(qiáng)的抗干擾能力。所以設(shè)計(jì)的抗干擾措施從硬件和軟件兩部分考慮。

3．1硬件抗干擾

硬件抗干擾措施有以下3個(gè)方面：(1)關(guān)鍵電路加入濾波器。工頻電網(wǎng)中的非線性元件會(huì)產(chǎn)生諧波，諧波進(jìn)入電網(wǎng)會(huì)影響其他電器的正常運(yùn)行。在附加直流源檢測(cè)中，可以在三相電抗器的中性點(diǎn)加入雙T濾波器濾除50Hz工頻信號(hào)，再加入二階20Hz低通濾波器，可濾除高次諧波。(2)系統(tǒng)電源采用開關(guān)電源。開關(guān)電源具有輸入電壓范圍大，輸出電壓穩(wěn)定、抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)，能夠保證在電壓波動(dòng)較大的情況下，使保護(hù)設(shè)備正常運(yùn)行。各路電源通過獨(dú)立變壓器輸出，保證每路電源相互獨(dú)立，互不干擾。(3)采用浮地接地。系統(tǒng)內(nèi)部的數(shù)字部分電路和模擬部分電路的信息傳遞如果是I／O量，用數(shù)字光耦進(jìn)行隔離；如果是模擬信號(hào)，用線性光耦進(jìn)行隔離。

3．2軟件抗干擾

軟件抗干擾措施有以下3個(gè)方面：(1)采用定時(shí)器定時(shí)刷新屏幕程序，可以有效解決程序花屏的問題。(2)采用軟件消抖措施，當(dāng)按鍵操作中有意外抖動(dòng)發(fā)生時(shí)，采用延時(shí)再判斷的方法避免誤動(dòng)作，保證人機(jī)對(duì)話的可靠運(yùn)行。(3)應(yīng)用數(shù)字濾波技術(shù)，采用中值濾波和程序判斷濾波。有效地消除隨機(jī)干擾，對(duì)于明顯超出正常取值范圍的數(shù)據(jù)予以剔除，從而提高采樣的可信度。

4  試驗(yàn)及應(yīng)用

樣機(jī)接入660V三相模擬電網(wǎng)中，用0．47μF電容模擬電網(wǎng)總開關(guān)處對(duì)地電容，用0．22μF電容模擬電網(wǎng)分開關(guān)處對(duì)地電容，由相線對(duì)地間接普通電阻模擬漏電電阻，試驗(yàn)結(jié)果表明，樣機(jī)動(dòng)作迅速準(zhǔn)確，分開關(guān)選擇性良好，未出現(xiàn)誤動(dòng)和拒動(dòng)現(xiàn)象，試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1所示。

5  結(jié)束語

提出的基于附加直流源的漏電保護(hù)和基于零序功率方向的漏電保護(hù)裝置，不僅有穩(wěn)定的漏電動(dòng)作值，而且能實(shí)現(xiàn)縱向和橫向的漏電保護(hù)。保護(hù)動(dòng)作快是其主要特色：縱向<65ms的保護(hù)延遲，對(duì)多個(gè)開關(guān)的級(jí)聯(lián)，提供了保證；橫向<30ms的保護(hù)時(shí)間，有效防止上級(jí)開關(guān)誤跳，同時(shí)功率方向的判斷，也杜絕了同級(jí)開關(guān)間的誤動(dòng)作。該系統(tǒng)各項(xiàng)數(shù)據(jù)滿足《中華人民共和國(guó)煤炭行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)》中的《礦用隔爆型低壓交流真空饋電開關(guān)》的相關(guān)漏電標(biāo)準(zhǔn)。目前該保護(hù)裝置正在井下煤礦變電站試用，實(shí)踐證明該系統(tǒng)完全能滿足煤礦工業(yè)的生產(chǎn)要求。

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