礦井低壓電網(wǎng)選擇性漏電保護(hù)裝置設(shè)計(jì)*

曹建文

(中國(guó)煤炭科工集團(tuán) 太原研究院有限公司，山西 太原 030006)

0 引言

國(guó)內(nèi)煤礦井下供電系統(tǒng)以中性點(diǎn)不直接接地系統(tǒng)為主，發(fā)生漏電故障主要以單相接地、兩相或三相故障為主，使得供電系統(tǒng)對(duì)地絕緣電阻達(dá)臨界危險(xiǎn)值，主要表現(xiàn)為零序回路中阻抗大、電流小。據(jù)統(tǒng)計(jì)，煤礦井下供電系統(tǒng)漏電故障約占供電系統(tǒng)故障的70%。漏電故障除對(duì)工人身體傷害外，漏電過(guò)程產(chǎn)生的電火花極易引起瓦斯爆炸、粉塵爆炸等重大安全事故。如2014年4月云南紅土田煤礦和12月新疆白楊溝煤礦由于漏電引起的重大瓦斯爆炸事故，再次引起煤礦企業(yè)、科研院所對(duì)煤礦井下漏電保護(hù)研究的重視[1-2]。近幾年，煤礦井下低壓電網(wǎng)漏電保護(hù)研究取得進(jìn)一步的進(jìn)展，如王彥文等[3]為解決煤礦井下低壓配電網(wǎng)選擇性漏電保護(hù)裝置存在的可靠性差、靈敏度低的問(wèn)題，設(shè)計(jì)了基于零序電流差動(dòng)量的選擇性漏電保護(hù)方案，當(dāng)?shù)V井低壓電網(wǎng)發(fā)生單相漏電故障時(shí)，采集各支路的零序電流差值，根據(jù)差動(dòng)量的幅值和相位實(shí)現(xiàn)漏電保護(hù)的橫向選擇和區(qū)段定位。經(jīng)仿真試驗(yàn)證明，該方案可有效提高發(fā)生單相漏電檢測(cè)的可靠性和靈敏度，但適用性較差，且受系統(tǒng)對(duì)地絕緣電阻和分布電容的影響較大。李宗臻等[4]針對(duì)礦井選擇性漏電保護(hù)中的橫向選擇、縱向選擇兩方面分別提出附加直流電源保護(hù)和線路參數(shù)識(shí)別保護(hù)兩種方案，并基于DSP處理器進(jìn)行保護(hù)方案的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，增強(qiáng)了礦井漏電保護(hù)裝置的選擇性、可靠性和靈敏度。李衛(wèi)東[5]詳細(xì)闡述了礦井選擇性漏電保護(hù)工作模式以及原理，并與礦井非選擇性漏電保護(hù)系統(tǒng)進(jìn)行比較。以東峰煤礦低壓電網(wǎng)漏電保護(hù)系統(tǒng)為例，佐證礦井選擇性漏電保護(hù)系統(tǒng)橫向或縱向選擇性好、停電范圍小、查找漏電故障效率高的特點(diǎn)。孫士宏[6]對(duì)礦井低壓電網(wǎng)單相漏電故障及參數(shù)進(jìn)行詳細(xì)分析，并指出附加直流電源檢測(cè)法、零序功率方向法的漏電保護(hù)原理以及兩種方法綜合使用的重要性和有效性。邰文濤[7]以STM32F103ZE控制器為核心，采用集中控制模式對(duì)系統(tǒng)漏電和漏電線路進(jìn)行判斷，保護(hù)電網(wǎng)安全供電，漏電試驗(yàn)結(jié)果表明所設(shè)計(jì)的漏電判斷系統(tǒng)的正確性。結(jié)合礦井低壓電網(wǎng)單相漏電故障特點(diǎn)，設(shè)計(jì)基于STM32F103控制的漏電保護(hù)裝置，保證礦井低壓供電系統(tǒng)安全、穩(wěn)定運(yùn)行。

1 選擇性漏電故障分析

(1)

(2)

圖1 礦井低壓電網(wǎng)單相漏電系統(tǒng)原理

2 選擇性漏電裝置設(shè)計(jì)

2.1 硬件設(shè)計(jì)

礦井低壓電網(wǎng)選型性漏電保護(hù)裝置硬件部分主要完成的功能包括以下幾項(xiàng)。

1)低壓電網(wǎng)絕緣檢測(cè)。當(dāng)某一支路的絕緣電阻值低于漏電保護(hù)動(dòng)作值后，控制器向該支路漏電保護(hù)單元發(fā)出漏電保護(hù)控制指令，驅(qū)動(dòng)繼電器、脫扣器動(dòng)作。

3)控制器發(fā)出漏電保護(hù)控制指令Tproms后，如果漏電現(xiàn)象依然存在，則進(jìn)行漏電縱向選擇，漏電點(diǎn)可能位于總分開(kāi)關(guān)之間。

根據(jù)礦井低壓電網(wǎng)選擇性漏電保護(hù)裝置完成硬件部分設(shè)計(jì)，如圖2所示。硬件系統(tǒng)以STM32F103ZET6控制器為核心，實(shí)現(xiàn)主從控制。STM32F103ZET6主控制器外接部分主要有顯示及鍵盤(pán)、零序電壓采樣電路、信號(hào)調(diào)理電路、繼電器/脫扣器執(zhí)行單元以及絕緣電阻連續(xù)檢測(cè)單元。主從站之間以CanOpen完成數(shù)據(jù)通信，STM32F103ZET6從站控制器外接部分為零序電流采樣電流和信號(hào)調(diào)理電路。

圖2 選擇性低壓漏電保護(hù)裝置硬件設(shè)計(jì)

1)STM32F103ZET6主從控制器。以STM32F103ZET6作為干線主控制器以及支路從控制器，完成對(duì)漏電保護(hù)系統(tǒng)零序電壓、零序電流以及絕緣電阻模擬量信號(hào)的采集、轉(zhuǎn)換以及邏輯控制；完成主從控制器CanOpen通信連接的建立、數(shù)據(jù)傳輸以及校驗(yàn)；完成控制干線以及各支路的繼電器、脫扣器的執(zhí)行等功能。

3)零序電流采樣單元。零序電流采樣單元主要完成對(duì)支路零序電流的實(shí)時(shí)測(cè)量。支路零序電流經(jīng)LEM的CT系列電流傳感器、低通濾波器以及ADS7835芯片處理完成電流模型的采集并傳送至STM32103F從站。采用的LEM CT系列電流傳感器利用磁調(diào)制原理對(duì)電流進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量精度可達(dá)2%。

4)顯示及鍵盤(pán)單元。顯示器采用的型號(hào)為OCMJ4X8C，用于實(shí)時(shí)顯示漏電裝置的運(yùn)行狀態(tài)、設(shè)置參數(shù)以及故障信息；鍵盤(pán)單元采用2×2防爆矩陣鍵盤(pán)。

5)執(zhí)行單元。執(zhí)行單元包括檢漏繼電器、脫扣器等電氣元件。檢漏繼電器選用的型號(hào)為NGL1-400，具備選擇性漏電跳閘及漏電閉鎖功能，系統(tǒng)電壓為AC 380 V、AC 660 V以及AC 1 140 V時(shí)，動(dòng)作時(shí)間≤30 ms。在三相漏電不平衡時(shí)，各相動(dòng)作靈敏度一致，可自動(dòng)區(qū)分漏電。該檢漏繼電器抗干擾能力強(qiáng)，在電網(wǎng)諧波、線路瞬時(shí)過(guò)電流時(shí)不誤動(dòng)作，且有節(jié)能無(wú)聲運(yùn)行的特點(diǎn)。脫扣器選用的型號(hào)為RDM5L-125M，該脫扣器中的零序電流互感器的信號(hào)輸出與漏電關(guān)聯(lián)，當(dāng)信號(hào)輸出達(dá)到一定值時(shí)，可觸發(fā)該脫扣器中的可控硅，導(dǎo)通使得漏電脫扣器動(dòng)作，驅(qū)動(dòng)牽引桿使得操作機(jī)構(gòu)在很短時(shí)間(最長(zhǎng)斷開(kāi)時(shí)間為0.3 s)內(nèi)斷開(kāi)，切換電源，實(shí)現(xiàn)漏電保護(hù)功能。

2.2 軟件設(shè)計(jì)

礦井低壓電網(wǎng)選擇性漏電保護(hù)裝置軟件部分采用模塊化設(shè)計(jì)分別在STM32F103ZET6主站和從站中編程實(shí)現(xiàn)。根據(jù)選擇性漏電保護(hù)裝置實(shí)現(xiàn)的功能，劃分的功能模塊主要有主控制模塊、系統(tǒng)自檢與初始化模塊、零序電壓檢測(cè)模塊、零序電流檢測(cè)模塊、絕緣電阻檢測(cè)模塊、故障處理模塊、合閘/分閘模塊、合閘/分閘狀態(tài)模塊、鍵盤(pán)以及顯示模塊等[11]。根據(jù)模塊功能獨(dú)立完成各自模塊內(nèi)部程序，定義各模塊接口函數(shù)，供與其他模塊進(jìn)行交互。主程序流程如圖3所示，主要完成系統(tǒng)自檢與初始化，完成對(duì)各參數(shù)的檢測(cè)、分析、判斷，完成對(duì)各模塊的調(diào)用，進(jìn)而完成對(duì)礦井低壓電網(wǎng)選擇性漏電保護(hù)功能。圖4為漏電保護(hù)裝置對(duì)各支路對(duì)地絕緣電阻的檢測(cè)流程，主控制器需周期性地采集各支路對(duì)地絕緣電阻值以及兩端的電壓值并與標(biāo)準(zhǔn)設(shè)定范圍進(jìn)行比較，判斷是否存在漏電故障。

3 實(shí)驗(yàn)分析

礦井低壓電網(wǎng)選擇性漏電保護(hù)裝置實(shí)驗(yàn)平臺(tái)核心參數(shù)具體為：供電電壓為AC 380 V；采樣頻率為2 000 Hz；漏電阻采用變阻箱，可調(diào)節(jié)范圍為0～10 000 Ω；零序電流互感器變比為0.6 A/2.5±1.49 V；零序電抗器為0～5 H；示波器為泰克的MD03024。

圖3 主程序流程

圖4 絕緣電阻檢測(cè)流程

通過(guò)該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)獲取各支路初始零序電流，利用最小二乘矩陣束算法對(duì)獲取的零序電流數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得到各支路的直流量，最后計(jì)算出各支路的絕緣電阻值，如表1所示。在表1中，支路1發(fā)生單相漏電故障，絕緣電阻計(jì)算值為0.455 kΩ，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于單相接地故障動(dòng)作電阻值3.5 kΩ，即可判斷支路1發(fā)生單相漏電故障。

表1 礦井低壓選擇性漏電保護(hù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

4 結(jié)論

1)經(jīng)礦井低壓電網(wǎng)漏電保護(hù)原理分析，發(fā)生單相漏電故障支路的相電壓滯后新的中性點(diǎn)電壓的角度為180°-θ。根據(jù)該原理可識(shí)別發(fā)生漏電故障的支路。

2)以STM32F103控制器為核心，設(shè)計(jì)基于主、從控制模式的礦井低壓漏電保護(hù)裝置，并完成硬件、軟件設(shè)計(jì)。

3)對(duì)設(shè)計(jì)的礦井低壓漏電保護(hù)裝置進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分析，驗(yàn)證該裝置的實(shí)用性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該裝置可高效、快速識(shí)別漏電故障支路并完成漏電保護(hù)動(dòng)作，有效避免發(fā)生重大供電系統(tǒng)事故。