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、供電線長度不斷增長的趨勢也更加明顯,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《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。
漏電保護(hù)是指當(dāng)供電網(wǎng)絡(luò)的對地絕緣電阻遭到破壞的情況下,保護(hù)系統(tǒng)可快速檢測出故障點(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作時(shí)間短,能夠識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)的配合會導(dǎo)致井下大面積停電,對井下的用電設(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,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,井下電壓等級為380 V 時(shí),動作值設(shè)定為3.5 kΩ,660 V 時(shí)動作值設(shè)定為11 kΩ,1 140 V 時(shí)動作值設(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信號進(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處在上升沿時(shí),故障線路的零序電流的電平信號為高,而非故障線路零序電流的電平信號為低,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。
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。
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,此類故障檢測采用相敏檢測及鑒幅檢測。當(dāng)井下大型電機(jī)在啟動時(shí),啟動電流幅值可達(dá)兩相短路的電流幅值,由于電機(jī)啟動時(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,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到大電流,立即進(jìn)行瞬時(shí)保護(hù)動作。
相敏檢測是利用相位轉(zhuǎn)換硬件電路將信號轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的邏輯電平,利用STM32F407 芯片的引腳捕獲功能,對管腳邊沿信號進(jìn)行檢測,相位轉(zhuǎn)換電路如圖3,2 個(gè)輸入信號經(jīng)比較器轉(zhuǎn)換為方波信號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Uab電平為低時(shí),比較器U2B輸出信號電平為高,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?,輸出方波極性則與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)序分量可通過對稱分量法得到,根據(jù)負(fù)序檢測原理,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)。
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,并且為差動輸入模式,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
漏電故障檢測流程圖如圖6,過流故障檢測流程圖如圖7。
在實(shí)際測試中,從保護(hù)系統(tǒng)檢測到漏電故障信號到斷開故障支路共用95 ms,從檢測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。
圖6 漏電故障檢測流程圖Fig.6 Leakage fault detection flowchart
圖7 過流故障檢測流程圖Fig.7 Overcurrent fault detection flowchart
研究了基于STM32F407 的饋電保護(hù)系統(tǒng),針對不同故障設(shè)計(jì)了相應(yīng)的電路,并對各模塊進(jìn)行設(shè)計(jì),對其進(jìn)行了試驗(yàn),試驗(yàn)結(jié)果表明基本符合預(yù)期要求。