煤礦井下低壓電網(wǎng)選擇性漏電保護(hù)的仿真研究

趙波　關(guān)微　郭洪月　張津銘　張玉良　陳明非

摘 要：針對(duì)目前各種選擇性漏電保護(hù)存在的問(wèn)題，研發(fā)了一種以C8051F040單片機(jī)為核心，運(yùn)用總開(kāi)關(guān)支路基于附加直流電源漏電檢測(cè)原理、分開(kāi)關(guān)支路基于零序功率方向漏電檢測(cè)原理的選擇性漏電保護(hù)系統(tǒng)。經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證，該漏電保護(hù)系統(tǒng)可靠、方便、有效、安全、穩(wěn)定、性?xún)r(jià)比高，供電線路通過(guò)檢測(cè)零序電流信號(hào)，可有選擇性地關(guān)斷漏電的線路，不必切斷整個(gè)供電網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)了供電最優(yōu)化。

關(guān)鍵詞：選擇性漏電保護(hù)；附加直流電源；單片機(jī)；檢測(cè)原理

中圖分類(lèi)號(hào)：TP368.1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2016.01.014

煤礦井下漏電故障約占井下供電系統(tǒng)總故障的70%，該故障不僅會(huì)引發(fā)人身觸電傷亡，還會(huì)導(dǎo)致瓦斯、煤塵爆炸，甚至提前引爆電氣雷管。因此，裝設(shè)漏電保護(hù)裝置對(duì)礦井的安全生產(chǎn)極為重要。目前，我國(guó)井下低壓電網(wǎng)廣泛采用基于附加直流電源原理的非選擇性裝置，存在原理單一、動(dòng)作無(wú)選擇性、易誤動(dòng)作等缺陷。

采用本文提出的新型選擇性漏電保護(hù)檢測(cè)方法，當(dāng)電網(wǎng)某一支路發(fā)生漏電故障時(shí)，能有選擇性地發(fā)出故障信號(hào)或切斷故障支路電源，不必切斷整個(gè)供電網(wǎng)絡(luò)，從而保證了非漏電故障支路的持續(xù)運(yùn)行，縮小了故障停電范圍，便于尋找漏電位置，縮短了停電時(shí)間，有利于提高生產(chǎn)效率和供電可靠性，滿(mǎn)足了選擇性、速動(dòng)性、靈敏性和可靠性等要求，實(shí)現(xiàn)了供電最優(yōu)化。

1 井下低壓電網(wǎng)選擇性漏電檢測(cè)原理

針對(duì)我國(guó)礦井低壓電網(wǎng)變壓器具有的中性點(diǎn)不接地的特點(diǎn)，對(duì)基于零序電流方向的選擇性漏電保護(hù)裝置進(jìn)行了改進(jìn)——在電網(wǎng)的主支路上附加了運(yùn)用直流電源保護(hù)原理的漏電裝置，在電網(wǎng)的分支路附加了運(yùn)用零序功率方向保護(hù)原理的漏電裝置。選擇性漏電保護(hù)的判斷機(jī)制基于零序電流、零序電流與零序電壓的相位比。零序電流和零序電壓的相位采用硬件判斷，零序電流采用硬件整流，微處理器只進(jìn)行直流采樣和脈寬測(cè)量即可，軟件算法簡(jiǎn)潔，系統(tǒng)判斷速度較快。 該系統(tǒng)以C8051F040單片機(jī)為核心，開(kāi)關(guān)電源直接供電，零序電流和零序電壓的相位送至微處理器的PCA；整流后的附加直流電源的電壓信號(hào)和零序電流信號(hào)送入A/D轉(zhuǎn)換器；單片機(jī)的I/O口連接有按鍵和顯示模塊；單片機(jī)SPI接口連接有信息存儲(chǔ)模塊；單片機(jī)IIC接口可實(shí)時(shí)接受時(shí)鐘信號(hào)。系統(tǒng)判斷存在漏電故障時(shí)，控制器會(huì)發(fā)出指令，驅(qū)動(dòng)模塊驅(qū)動(dòng)斷路器分閘，電源被切斷。該系統(tǒng)的選擇性漏電保護(hù)原理如圖1所示。

1.1 總開(kāi)關(guān)支路附加直流電源檢測(cè)法

附加直流電源法漏電檢測(cè)硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。在圖2中，獨(dú)立的直流電源附加在三相電網(wǎng)與大地間，由于三相電抗器的電阻非常小，采樣電阻R1上的直流電流值直接反映了電網(wǎng)對(duì)地絕緣電阻的變化，檢測(cè)和利用該電流能實(shí)現(xiàn)附加直流電源檢測(cè)漏電保護(hù)。

由于電網(wǎng)運(yùn)行中存在的雜波分量會(huì)影響檢測(cè)的可靠性，因此，在采樣電阻R1后級(jí)加了有源低通濾波器，通過(guò) Pspice 仿真得到的頻率響應(yīng)曲線如圖3所示。其截止頻率為6 Hz，實(shí)現(xiàn)了通過(guò)直流濾除雜波的目的。

濾波后的漏電信號(hào)通過(guò)線性光耦器HCRN200可實(shí)現(xiàn)被測(cè)電路與測(cè)試電路的電氣隔離，從而減少噪聲對(duì)被測(cè)試電路的影響。附加直流源法的動(dòng)作電阻值和零序電流的動(dòng)作電阻值可根據(jù)井下現(xiàn)場(chǎng)的具體情況確定。

1.2 分開(kāi)關(guān)支路零序功率方向檢測(cè)法

井下電網(wǎng)電纜的對(duì)地絕緣電阻非常大，電網(wǎng)對(duì)地的阻抗主要表現(xiàn)為容抗。故障支路的零序電流相位滯后于零序電壓90°～180°，主要通過(guò)零序電壓和零序電流的相位信息判斷漏電故障。零序功率方向法漏電保護(hù)的硬件結(jié)構(gòu)如圖4所示。

零序電壓通過(guò)三相電抗器人為中性點(diǎn)上端連接的電阻獲得，信號(hào)通過(guò)無(wú)源、有源濾波衰減后，再經(jīng)移相、整形、光耦隔離后與零序電流信號(hào)接通，最后送入微處理器的脈寬測(cè)量單元。零序電流通過(guò)三相線上套入零序電流互感器獲得電壓信號(hào)，信號(hào)經(jīng)放大、濾波后分為兩路：一路通過(guò)方波整形、光耦隔離后與零序電壓信號(hào)接通，最后送入脈寬測(cè)量單元；另一路通過(guò)整流、線性光耦隔離后送入微處理器的A/D采樣單元。對(duì)于零序電流互感器而言，當(dāng)負(fù)載為1.98 kΩ時(shí)，線性度最好，測(cè)試結(jié)構(gòu)如圖5所示。

2 選擇性漏電保護(hù)的實(shí)現(xiàn)

2.1 硬件設(shè)計(jì)

采用SILICON LABORATORIES公司的C8051F040 系列單片機(jī)，該系列器件屬于混合信號(hào)片的系統(tǒng)型MCU，具有64個(gè)數(shù)字I/O引腳，片內(nèi)集成了1個(gè)CAN2.0B控制器，采用外部晶體振蕩的方式，晶振頻率為22 MHz；人機(jī)交互功能通過(guò)按鍵和液晶顯示屏完成；按鍵分別有合閘、分閘、移位加、移位減、確定和菜單六個(gè)鍵；系統(tǒng)包括反相保護(hù)、光耦隔離、脈沖整形三部分電路，抗外界干擾能力強(qiáng)、可靠性高、防抖動(dòng)，非常適合在井下的惡劣環(huán)境中使用；系統(tǒng)選用ST7920控制器系列的中文圖形液晶屏，分辨率為128×64點(diǎn)陣，內(nèi)置8 192個(gè)漢字（16×16點(diǎn)陣）、128 個(gè)字符（8×16點(diǎn)陣），可與CPU直接連接；存儲(chǔ)芯片采用ST公司的高速8 Mbit串行M25P80，具有整體擦除、扇區(qū)擦除、頁(yè)編程指令和寫(xiě)保護(hù)等功能；實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯片采用ST公司的低功耗串行計(jì)時(shí)器M41T0。系統(tǒng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖6所示。

當(dāng)系統(tǒng)檢測(cè)到電網(wǎng)發(fā)生漏電故障時(shí)，微處理器發(fā)出跳閘指令，通過(guò)輸出驅(qū)動(dòng)電路動(dòng)作中間繼電器，可使斷路器脫扣，微處理器I/O口與斷路器進(jìn)行光電耦合、電氣隔離。微處理器發(fā)出的信號(hào)經(jīng)過(guò)光耦隔離后，可控制中間繼電器的啟閉。

2.2 軟件設(shè)計(jì)

附加直流電源法的軟件部分包含三部分，分別為漏電電阻值的校準(zhǔn)、漏電動(dòng)作電阻值的標(biāo)定和漏電故障的判斷。漏電電阻值的校準(zhǔn)采用分段線性擬合法，微控制器的A/D 可在電阻箱模擬電網(wǎng)漏電電阻0～100 kΩ的區(qū)間內(nèi)采集取20 個(gè)點(diǎn)，并通過(guò)軟件計(jì)算出每?jī)蓚€(gè)采樣點(diǎn)間的線性度K。在系統(tǒng)判斷電網(wǎng)是否漏電時(shí)，會(huì)通過(guò)19個(gè)K值計(jì)算，從而得到當(dāng)前電網(wǎng)的絕緣電阻值。零序功率方向法的軟件部分包含零序電流幅值現(xiàn)場(chǎng)標(biāo)定和漏電分支故障判斷兩方面。如果發(fā)生漏電故障，硬件電路會(huì)產(chǎn)生零序相位脈沖，并啟動(dòng)PCA捕獲中斷信息；如果零序相位脈沖時(shí)間>5 ms，則根據(jù)零序電流幅值判斷。零序電流幅值大于標(biāo)定值時(shí)，系統(tǒng)會(huì)認(rèn)定該支路發(fā)生漏電故障，并進(jìn)入漏點(diǎn)故障處理模塊；反之，軟件跳出中斷模式，重新等待PCA中斷。