一種礦用低壓饋電開關(guān)綜合保護系統(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有發(fā)生[1]，因此饋電開關(guān)保護系統(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、短路及漏電保護功能的電氣設(shè)備[4-5]。為此,基設(shè)計了一種以STM32F407 為微控制器的饋電綜合保護系統(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。

1 漏電保護

漏電保護是指當(dāng)供電網(wǎng)絡(luò)的對地絕緣電阻遭到破壞的情況下，保護系統(tǒng)可快速檢測出故障點，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，附加電源法的特點是范圍較廣且所需動作時間短，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)生時總開關(guān)需和分開關(guān)進行延時配合，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)，實現(xiàn)橫向和縱向保護，附加直流電源保護原理如圖1。

圖1 附加直流電源保護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100～300 ms，井下電壓等級為380 V 時，動作值設(shè)定為3.5 kΩ，660 V 時動作值設(shè)定為11 kΩ，1 140 V 時動作值設(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行濾波處理[9]，然后由運算放大器和二極管構(gòu)成的精密整流電路對信號進行整流，與預(yù)先設(shè)定的基準(zhǔn)電壓值VB通過比較器進行比較，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，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，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 單片機的漏電保護程序被故障線路輸出的低電平觸發(fā)，判斷故障信號。

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

為驗證保護系統(tǒng)的可靠性，在不同的電壓下需對相關(guān)保護參數(shù)進行整定，380 V 時電壓和電流整定值分別為2 V 和10 mA，660 V 電壓下保護整定值為3 V 和15 mA。

2 過流故障保護

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)井下大型電機在啟動時，啟動電流幅值可達兩相短路的電流幅值，由于電機啟動時的功率因數(shù)較小，一般小于0.3，而發(fā)生三相短路時比較大，一般大于0.9，固可采用相敏檢測，保護判據(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，相敏保護失效，此時采用鑒幅保護，一旦在變壓器出線端檢測到大電流，立即進行瞬時保護動作。

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，對管腳邊沿信號進行檢測，相位轉(zhuǎn)換電路如圖3，2 個輸入信號經(jīng)比較器轉(zhuǎn)換為方波信號后送至相位比較電路進行轉(zhuǎn)換。在輸入Uab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，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，負序分量可通過對稱分量法得到，根據(jù)負序檢測原理，利用運算放大器實現(xiàn)移相疊加功能，負序提取電路如圖4。

圖4 負序提取電路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)進行整定，電網(wǎng)三相不平衡的整定值為0.3In～0.65In，其保護方式為反時限保護，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70 ms 跳閘。

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

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

3 功率計量模塊

基于井下的實際需要，保護系統(tǒng)還增添了以計量芯片ADE7752 為核心的功率計量模塊。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 在單位時間輸出的脈沖個數(shù)代表有功功率的值，功率數(shù)值通過屏幕進行實時顯示。

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

4 軟件設(shè)計及測試

漏電故障檢測流程圖如圖6，過流故障檢測流程圖如圖7。

在實際測試中，從保護系統(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間為4 s，符合實際要求。

5 結(jié) 語

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 的饋電保護系統(tǒng)，針對不同故障設(shè)計了相應(yīng)的電路，并對各模塊進行設(shè)計，對其進行了試驗，試驗結(jié)果表明基本符合預(yù)期要求。