一種礦用低壓漏電保護(hù)裝置設(shè)計(jì)

鄭慶樂， 榮相， 楊帆， 李瑞

(1.中煤科工集團(tuán)常州研究院有限公司， 江蘇 常州 213015； 2.天地(常州)自動(dòng)化股份有限公司， 江蘇 常州 213015)

0 引言

當(dāng)前我國(guó)煤礦井下采掘工作面多設(shè)置有移動(dòng)變電站，為滿足現(xiàn)場(chǎng)使用需求，通常在移動(dòng)變電站低壓側(cè)安裝饋電總開關(guān)[1]。饋電總開關(guān)中零序電抗器會(huì)對(duì)低壓電網(wǎng)進(jìn)行補(bǔ)償，根據(jù)零序電抗器對(duì)電網(wǎng)補(bǔ)償程度的不同可分為欠補(bǔ)償、全補(bǔ)償和過補(bǔ)償3種狀態(tài)[2]。目前煤礦低壓電網(wǎng)漏電保護(hù)裝置多采用零序功率方向選線原理，即利用故障支路零序電流超前零序電壓90°、非故障支路零序電流滯后零序電壓90°的原理實(shí)現(xiàn)保護(hù)[3-6]。該保護(hù)原理是建立在電網(wǎng)零序等效阻抗為純?nèi)菪缘幕A(chǔ)上[7-9]，而零序電抗器的補(bǔ)償改變了電網(wǎng)等效阻抗[10-11]，使故障支路零序電流幅值更小且相位發(fā)生變化，導(dǎo)致漏電保護(hù)裝置可靠性降低。本文設(shè)計(jì)了一種礦用低壓漏電保護(hù)裝置，該裝置通過采集零序電壓和支路零序電流，比較各支路零序電流與零序電壓相位差，以此作為故障選線判據(jù)。

1 裝置工作原理

圖1 零序電抗器并聯(lián)電阻接地系統(tǒng)發(fā)生單相接地 故障時(shí)零序等效網(wǎng)絡(luò)Fig.1 Zero-sequence equivalent network when single-phase grounding fault occurs in zero-sequence reactor grounding system with parallel resistance

根據(jù)圖1，由基爾霍夫定律可得

(1)

(2)

由式(1)、式(2)可知，非故障支路、故障支路的零序電流和零序電壓相位差有明顯區(qū)別，因此可得以下故障選線判據(jù)。

(1) 受支路絕緣電阻的影響，非故障支路零序電流與零序電壓相位差小于90°，位于第二象限。

(2) 受零序電抗器及并聯(lián)電阻的影響，過補(bǔ)償時(shí)故障支路零序電流超前零序電壓大于90°，位于第三象限；欠補(bǔ)償時(shí)故障支路零序電流滯后零序電壓大于90°，位于第四象限；全補(bǔ)償時(shí)故障支路零序電流與零序電壓方向相反。

2 裝置硬件設(shè)計(jì)

礦用低壓漏電保護(hù)裝置由信號(hào)調(diào)理電路、數(shù)據(jù)采集處理電路、執(zhí)行電路和人機(jī)交互電路組成，如圖2所示。信號(hào)調(diào)理電路對(duì)零序電流和零序電壓信號(hào)進(jìn)行隔離和幅值線性調(diào)整；數(shù)據(jù)采集處理電路通過采集、處理信號(hào)調(diào)理電路輸出信號(hào)，進(jìn)行故障判斷；執(zhí)行電路負(fù)責(zé)驅(qū)動(dòng)繼電器執(zhí)行核心處理器跳閘指令；人機(jī)交互電路負(fù)責(zé)按鍵輸入與實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)顯示。

圖2 礦用低壓漏電保護(hù)裝置硬件結(jié)構(gòu)Fig.2 Hardware structure of mine-used low-voltage leakage protection device

2.1 信號(hào)調(diào)理電路

信號(hào)調(diào)理電路如圖3所示。電路信號(hào)輸入端口使用濾波電容和鉗位二極管進(jìn)行保護(hù)，信號(hào)輸出端口使用電容濾波抑制差模干擾和共模干擾。為減小信號(hào)衰減、增強(qiáng)抗干擾能力，采用高精度的TV1005-1M型微型精密交流電壓互感器CT1，CT2進(jìn)行隔離。

圖3 信號(hào)調(diào)理電路Fig.3 Signal conditioning circuit

2.2 數(shù)據(jù)采集處理電路

數(shù)據(jù)采集處理電路如圖4所示。電能計(jì)量芯片CS5463與處理器LPC1768通過SPI總線通信，數(shù)據(jù)總線與復(fù)位信號(hào)、中斷信號(hào)之間分別使用磁耦A(yù)DUM1401，ADUM1201進(jìn)行隔離。

2.3 執(zhí)行電路

執(zhí)行電路如圖5所示。LPC1768通過模擬SPI時(shí)序?qū)⒖刂泼钏椭烈莆患拇嫫?4HC595。為確保繼電器可靠動(dòng)作，使用達(dá)林頓管ULN2004驅(qū)動(dòng)繼電器。74HC595與ULN2004之間使用光耦PC817進(jìn)行隔離，降低外部干擾對(duì)電路的影響。為防止上電造成74HC595誤輸出，74HC595使能控制引腳上拉，同時(shí)LPC1768控制引腳在完成初始化后與74HC595使能控制引腳連接。

圖4 數(shù)據(jù)采集處理電路
Fig.4 Data acquisition and processing circuit

圖5 執(zhí)行電路Fig.5 Execution circuit

2.4 人機(jī)交互電路

人機(jī)交互電路包括按鍵輸入電路和液晶接口電路，如圖6所示。圖6(a)中，外部按鍵經(jīng)光耦PC817B隔離后接入移位寄存器74HC165，LPC1768通過讀取74HC165引腳狀態(tài)來識(shí)別按鍵狀態(tài)。圖6(b)中，LPC1768通過串口將數(shù)據(jù)以TTL信號(hào)方式傳輸至液晶屏；邏輯芯片74HC14對(duì)信號(hào)進(jìn)行緩沖、整形；LPC1768通過I/O引腳控制MOS管Q2，實(shí)現(xiàn)對(duì)液晶屏電源的控制。

(a) 按鍵輸入電路

(b) 液晶接口電路

3 裝置軟件設(shè)計(jì)

礦用低壓漏電保護(hù)裝置軟件由主程序、漏電保護(hù)子程序、人機(jī)交互子程序組成：主程序負(fù)責(zé)硬件初始化和子程序調(diào)度；漏電保護(hù)子程序負(fù)責(zé)零序電壓和零序電流幅值與相位差計(jì)算、故障判斷、動(dòng)作執(zhí)行；人機(jī)交互子程序負(fù)責(zé)參數(shù)整定和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)顯示。其中漏電保護(hù)子程序流程如圖7所示。

圖7 漏電保護(hù)子程序流程Fig.7 Leakage protection subprogram flow

漏電保護(hù)子程序中零序電壓和零序電流幅值與相位差計(jì)算過程如下。

(1) 幅值計(jì)算。電壓、電流信號(hào)有效值分別達(dá)到零序電抗器、零序電流互感器輸出側(cè)最大值時(shí)，CS5463電壓、電流通道管腳電壓和CS5463電壓、電流有效值寄存器數(shù)據(jù)出現(xiàn)最大值，此時(shí)得到電壓、電流信號(hào)有效值與CS5463電壓、電流有效值寄存器數(shù)據(jù)之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，據(jù)此即可計(jì)算出信號(hào)幅值。

(3)

式中：Ur為零序電抗器輸出信號(hào)有效值；Urms為CS5463電壓有效值寄存器數(shù)據(jù)；UM為Ur最大值；Ui為CS5463電壓通道輸入信號(hào)最大值；D為校正比例，取D=1/4[12]；Ir為零序電流互感器輸出信號(hào)有效值；Irms為CS5463電流有效值寄存器數(shù)據(jù)；IM為Ir最大值；Ii為CS5463電流通道輸入信號(hào)最大值。

(2) 相位差計(jì)算。根據(jù)CS5463功率因數(shù)寄存器數(shù)據(jù)λ計(jì)算零序電壓、零序電流之間相位差：

(4)

根據(jù)無功功率寄存器數(shù)據(jù)Q確定零序電壓、零序電流的相位差：Q>0，表明零序電流滯后零序電壓；Q<0，表明零序電流超前零序電壓。

4 仿真驗(yàn)證

根據(jù)圖1搭建Simulink仿真模型，設(shè)置R1=R2=R3=20 MΩ，R=RD=1 kΩ，L=7.992 H，仿真時(shí)長(zhǎng)為0.1 s，0.02 s時(shí)發(fā)生單相接地故障。當(dāng)模型分別處在過補(bǔ)償、欠補(bǔ)償、全補(bǔ)償狀態(tài)時(shí)，以零序電壓相位為基準(zhǔn)，仿真計(jì)算得到故障支路、非故障支路零序電流與零序電壓相位差，見表1(數(shù)據(jù)小于0表示零序電流超前零序電壓；數(shù)據(jù)大于0表示零序電流滯后零序電壓)。

表1 零序電流與零序電壓相位差仿真結(jié)果Table 1 Simulation results of phase difference between zero-sequence current and zero-sequence voltage

從表1可看出，模型處在不同補(bǔ)償狀態(tài)時(shí)，非故障支路零序電流均超前零序電壓90°左右；當(dāng)模型處于過補(bǔ)償狀態(tài)時(shí)，故障支路零序電流超前零序電壓大于90°；當(dāng)模型處于欠補(bǔ)償狀態(tài)時(shí)，故障支路零序電流滯后零序電壓大于90°；當(dāng)模型處于全補(bǔ)償狀態(tài)時(shí)，故障支路零序電流與零序電壓相位相反。仿真結(jié)果與理論分析所得故障選線判據(jù)一致。

5 試驗(yàn)驗(yàn)證

為測(cè)試礦用低壓漏電保護(hù)裝置在諧波干擾條件下的測(cè)量精度，使用NR802微機(jī)繼電保護(hù)測(cè)試儀進(jìn)行諧波干擾測(cè)試。由于電網(wǎng)中的電氣信號(hào)以基波及奇次諧波為主[13-14]，施加干擾為奇次諧波，且奇次諧波幅值與基波幅值之比等于諧波次數(shù)的倒數(shù)[15]。測(cè)試結(jié)果見表2。

表2 諧波干擾測(cè)試結(jié)果Table 2 Harmonic interference test results

從表2可看出，保護(hù)裝置相位測(cè)量偏差小于4°，幅值測(cè)量相對(duì)誤差小于5%，動(dòng)作時(shí)間滿足MT 871—2011《礦用防爆低壓交流真空饋電開關(guān)》中主電路漏電保護(hù)動(dòng)作時(shí)間小于50 ms的要求。

為測(cè)試保護(hù)裝置的可靠性，使用1 140 V漏電保護(hù)綜合試驗(yàn)臺(tái)(圖8)進(jìn)行試驗(yàn)。

設(shè)置零序電抗器并聯(lián)電阻、過渡電阻為1 kΩ。過補(bǔ)償和欠補(bǔ)償狀態(tài)下，在電源側(cè)投入過渡電阻模擬單相接地故障時(shí)，保護(hù)裝置測(cè)量結(jié)果為非故障支路零序電流與零序電壓相位差，負(fù)荷側(cè)投入過渡電阻模擬單相接地故障時(shí)，保護(hù)裝置測(cè)量結(jié)果為故障支路零序電流與零序電壓相位差，見表3?？煽闯鲈谶^補(bǔ)償與欠補(bǔ)償狀態(tài)下，保護(hù)裝置均能可靠動(dòng)作。

圖8 漏電保護(hù)綜合試驗(yàn)臺(tái)Fig.8 Comprehensive test bench for leakage protection

表3 零序電流與零序電壓相位差試驗(yàn)結(jié)果Table 3 Test results of phase difference between zero-sequence current and zero-sequence voltage

6 結(jié)語(yǔ)

提出了以非故障支路、故障支路零序電流與零序電壓相位差的差異性作為故障選線判據(jù)，介紹了基于該判據(jù)的礦用低壓漏電保護(hù)裝置的軟硬件設(shè)計(jì)方案。仿真及試驗(yàn)結(jié)果表明，該裝置理論依據(jù)正確，發(fā)生單相接地故障時(shí)能夠快速、可靠動(dòng)作。