礦井低壓電網(wǎng)選擇性漏電保護(hù)系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

孫玉坤，朱志瑩，黃振躍，唐 平

(1.南京工程學(xué)院，南京 211167;2.江蘇大學(xué)，江蘇鎮(zhèn)江 212013)

1 前言

漏電是礦井供電系統(tǒng)的主要故障形式，約占其總故障的70%，它不但導(dǎo)致人身觸電事故，還會(huì)形成單相接地，進(jìn)而發(fā)展成為相間短路，由此引發(fā)的電弧會(huì)造成瓦斯和煤塵爆炸。漏電保護(hù)主要用來防止漏電火災(zāi)造成的經(jīng)濟(jì)損失和人身傷亡，因此得到廣泛的研究和應(yīng)用［1～3］。

選擇性漏電保護(hù)是指電網(wǎng)發(fā)生漏電故障時(shí)，能夠有選擇地發(fā)出故障信號(hào)或切斷故障支路電源，而非故障部分繼續(xù)工作，從而減小故障停電范圍，便于尋找漏電故障，縮短漏電停電時(shí)間，提高供電的可靠性［3～10］。目前，我國礦井低壓電網(wǎng)的選擇性漏電保護(hù)系統(tǒng)主要采用單一的保護(hù)原理，從現(xiàn)場運(yùn)行情況來看，這類保護(hù)裝置存在一系列缺陷:a.動(dòng)作無選擇性;b.動(dòng)作電阻值不穩(wěn)定;c.易產(chǎn)生誤動(dòng)作;d.保護(hù)拒動(dòng)。不能很好地完成保護(hù)的目的。

針對(duì)以上問題，筆者基于附加直流源檢測［10］和零序功率方向［11］的選擇性漏電保護(hù)原理，設(shè)計(jì)了一款新型漏電保護(hù)系統(tǒng)。該保護(hù)系統(tǒng)首次提出采用dsPIC30F4012作為控制核心、PIC16F877A為從處理器的主從式保護(hù)結(jié)構(gòu)，并采用RS—485總線及光纖傳輸技術(shù)，既可完成井下低壓電網(wǎng)單相漏電時(shí)的橫向選擇性和縱向選擇性保護(hù)功能，又能保證電網(wǎng)漏電保護(hù)動(dòng)作的無級(jí)差性。

2 選擇性漏電保護(hù)原理

煤礦井下低壓電網(wǎng)，尤其在采區(qū)變電所，大多采用輻射式供電，供電系統(tǒng)如圖1所示。圖1中HVB為高壓真空饋電開關(guān)，T為變壓器，GLVB為干線低壓真空開關(guān)，LVBi為第 i支路的真空饋電開關(guān)，LVCi為第i支路的傳輸電纜，GPS為總饋電開關(guān)的保護(hù)系統(tǒng)，SPSi為第i支路分饋電開關(guān)的保護(hù)系統(tǒng)。其中GPS采用附加直流電源保護(hù)原理，SPSi采用零序功率方向保護(hù)原理構(gòu)成兩級(jí)漏電保護(hù)系統(tǒng)。

圖1 中有 N 條支路(F1，…，F(xiàn)i，…，F(xiàn)N)，假設(shè) F1支線發(fā)生漏電故障，則在電網(wǎng)中產(chǎn)生零序電壓U0，如果規(guī)定由母線流向支路為正，則由支路流向母線為負(fù)，于是對(duì)于故障支路F1有:

圖1 輻射式供電系統(tǒng)框圖Fig.1 Radiation type power supply system block diagram

而非故障支路，如F2有:

由式(1)和式(2)可得，對(duì)應(yīng)于故障支路總有P0＜0，而非故障支路則總有P0＞0，且故障支路的P0絕對(duì)值較非故障支路大的多，從而可以利用這個(gè)判據(jù)準(zhǔn)確、可靠地判斷出故障支路和非故障線路而實(shí)現(xiàn)選擇性。

3 保護(hù)系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

3.1 硬件系統(tǒng)

圖2是基于選擇性漏電保護(hù)原理設(shè)計(jì)的礦井選擇性漏電保護(hù)裝置的硬件系統(tǒng)框圖。主要包括核心控制器dsPIC30F4012(位于總饋電開關(guān)處)、從處理器PIC16F877A(位于分支總饋電開關(guān)處)、零序電壓、電流的采樣電路及相關(guān)輔助電路。

1) 核心控制器 dsPIC30F4012［12］。位于總饋電開關(guān)處的核心控制器要完成對(duì)直流取樣信號(hào)Us、零序電壓U0和絕緣電阻的實(shí)時(shí)采集和檢測，還要和上位機(jī)及分支開關(guān)處的從處理器通信，漏電支路的切除與報(bào)警。因此，要實(shí)現(xiàn)漏電的及時(shí)保護(hù)，其核心控制芯片必須具有較高的處理速度、較高可靠性，同時(shí)具備通信、中斷和A/D轉(zhuǎn)換功能。該系統(tǒng)采用dsPIC30F4012芯片作為硬件系統(tǒng)的核心部件，它是Microchip公司dsPIC30F系列的DSP型微控制器的一種，它有1個(gè)16位CPU和1個(gè)DSP內(nèi)核，它的中斷系統(tǒng)有高達(dá)30個(gè)故障處理源，同時(shí)它具有SPI、I2C和URT三種外圍串行通信接口，自帶10位的A/D轉(zhuǎn)換模塊，這使其能滿足本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求。

圖2 硬件系統(tǒng)框圖Fig.2 Hardware block diagram

2)從處理器PIC16F877A［13］。傳統(tǒng)的集中選線方法是由總饋電開關(guān)保護(hù)裝置進(jìn)行集中選線，增加了總饋電開關(guān)漏電保護(hù)裝置的計(jì)算負(fù)擔(dān)，不利于快速保護(hù)，而筆者設(shè)計(jì)從處理器后，當(dāng)分支線路的任一處發(fā)生漏電故障時(shí)，總饋電開關(guān)處的核心控制器將零序電壓的值傳給從處理器，并由從處理器負(fù)責(zé)選線判據(jù)的計(jì)算，根據(jù)選線判據(jù)確定出故障支路后，無延時(shí)地動(dòng)作于跳閘，同時(shí)向總饋電開關(guān)保護(hù)裝置發(fā)出故障信息;總饋電開關(guān)保護(hù)裝置收到故障信息后閉鎖其輸出信號(hào)，若經(jīng)過預(yù)定的延時(shí)后，尚未收到分支饋電開關(guān)保護(hù)裝置的動(dòng)作信號(hào)，則其無選擇地動(dòng)作于跳閘，從而起后備保護(hù)作用。由此可見，筆者設(shè)計(jì)的選擇性漏電保護(hù)系統(tǒng)中的各級(jí)保護(hù)裝置皆為瞬動(dòng)型，可以實(shí)現(xiàn)無級(jí)差的漏電保護(hù)，使漏電保護(hù)系統(tǒng)的縱向選擇性更合理、更完善。筆者選用的從處理器是Microchip公司生產(chǎn)的PIC16F877A芯片，這款單片機(jī)外圍電路簡單，轉(zhuǎn)換精度高，可以滿足系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求。

3)電壓檢測模塊。在該裝置中共有兩個(gè)電壓量需要實(shí)時(shí)測量，用于絕緣檢測的Us和零序電壓U0。這兩個(gè)量是在總饋電開關(guān)處通過電壓互感器的降壓再由A/D進(jìn)行采樣，具體的模擬量輸入原理見圖3。由于系統(tǒng)使用的ADC(ADS7835)是高速的單通道ADC，所以要先由一個(gè)二選一多路選擇器對(duì)U0、Us分時(shí)測量。而電壓跟隨器的使用主要是起到阻抗匹配、增強(qiáng)帶負(fù)載能力及電路隔離的作用，這在井下高干擾的環(huán)境下是非常必要的。低通濾波器的作用是為防止出現(xiàn)頻譜的“混疊效應(yīng)”，濾除輸入信號(hào)中高于1/2采樣頻率的高頻成分，同時(shí)減輕系統(tǒng)對(duì)硬件處理速度的要求。

圖3 電壓測量模塊Fig.3 Voltage measurement module

4)零序電流采樣模塊。電流的檢測有多種方法，最通用的方法是采用阻性分流器、霍爾元件傳感器、隔離電流傳感器。阻性分流器工作室與負(fù)載串聯(lián)，無法進(jìn)行隔離測量;霍爾元件傳感器測量精度較高，但輸出端需要復(fù)雜的調(diào)理電路、溫度補(bǔ)償電路和算法。而筆者所使用的是LEM推出的CT系列電流傳感器，此款電流傳感器是針對(duì)漏電安全檢測而設(shè)計(jì)的，根據(jù)毫安級(jí)的測量電流輸出端是0～5 V的直流電壓，可以直接由A/D進(jìn)行測量，零序電流測量的框圖如圖4所示。

圖4 零序電流測量模塊框圖Fig.4 Zero sequence current measurement module

5)通信模塊。礦井環(huán)境具有高干擾、高濕度特性，傳統(tǒng)的通信介質(zhì)，如雙絞線等往往有傳輸效率低、誤碼率高、傳輸距離短等缺點(diǎn)。而光纖傳輸系統(tǒng)具有損耗低、中繼距離長和抗電磁干擾性能好等優(yōu)點(diǎn)，能夠?qū)ΡO(jiān)測的信號(hào)進(jìn)行無失真?zhèn)鬏?。近些年隨著成本的下降，光纖通信開始在礦井等復(fù)雜環(huán)境下得到廣泛使用。綜合考慮控制成本和系統(tǒng)的可靠性，該系統(tǒng)中核心控制器和從控制器通信電路見圖5。采用RS—485總線，它采用差分平衡電路，能有效抑制長距離傳輸中的噪聲干擾，能實(shí)現(xiàn)可靠的串行通信。圖5中MODEL277B是一款RS—485串口轉(zhuǎn)光纖的轉(zhuǎn)換器，它能夠向用戶提供RS—485串口端到端的透明傳輸。支持零延時(shí)自動(dòng)轉(zhuǎn)發(fā)，自動(dòng)偵測串口速率，判別和控制數(shù)據(jù)傳輸方向，最大通信速率500 kb/s。光纖分多模光纖和單模光纖，多模光纖可選ST/SC/FC接口，通信距離達(dá)到2 km，而單模光纖采用FC/SC/ST接口，通信距離達(dá)到20 km。

3.2 軟件部分

鑒于系統(tǒng)的復(fù)雜性和實(shí)時(shí)性，控制系統(tǒng)軟件部分采用匯編語言編寫，模塊化編程。這不僅提高了控制器的運(yùn)行效率，而且增加了程序的通用性和可移植性，有利于系統(tǒng)的維護(hù)改進(jìn)。

圖5 通信電路圖Fig.5 Communication circuit diagram

整套程序分為主控模塊、選線模塊、電壓檢測模塊、絕緣電阻檢測模塊等。主控模塊即主程序，它是整個(gè)系統(tǒng)軟件的“總指揮”，通過對(duì)各功能模塊的合理調(diào)用來完成參數(shù)的檢測、分析、判斷從而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的整體功能。主程序流程圖如圖6所示。

圖6 主程序流程圖Fig.6 Master routine

選線模塊根據(jù)選擇性漏電保護(hù)原理，首先讀取各支路的零序電流和零序電壓值，然后計(jì)算功率P0，P0＜0的為故障支路，P0＞0的為非故障支路，如圖7所示。

圖7 選線模塊Fig.7 Line selection module

系統(tǒng)要實(shí)時(shí)地檢測工作電壓，以確保工作電壓正常，并完成對(duì)應(yīng)的電壓顯示功能，程序框圖如圖8所示。

圖8 電壓檢測模塊Fig.8 Voltage examination module

為了實(shí)現(xiàn)漏電保護(hù)功能，總開關(guān)要不斷地檢測電網(wǎng)對(duì)地絕緣電阻，從而判斷系統(tǒng)是否發(fā)生了漏電故障，分開關(guān)在合閘前也要進(jìn)行漏電閉鎖試驗(yàn)，同樣需要檢測電網(wǎng)對(duì)地絕緣電阻，絕緣電阻檢測模塊程序框圖如圖9所示。

圖9 絕緣電阻檢測模塊Fig.9 Dielectric resistance examination module

3.3 軟、硬件抗干擾措施

各檢測電流信號(hào)和零序電壓信號(hào)所采集到的模擬信號(hào)來自強(qiáng)電回路，所以會(huì)有很多的干擾存在，在該裝置的設(shè)計(jì)中分別采取了軟、硬件抗干擾措施，使得系統(tǒng)更加穩(wěn)定可靠。硬件方面:在電源和信號(hào)輸入回路中，設(shè)計(jì)了低通濾波器以消除周期性干擾;在信號(hào)傳輸回路中，采用光電隔離將模擬量與數(shù)字量、開關(guān)量的輸入與輸出相隔離，以減小過程通道的干擾，并設(shè)置了硬件自恢復(fù)電路，一旦在干擾下程序出錯(cuò)，而軟件措施不能解決，就可以通過自恢復(fù)電路自動(dòng)復(fù)位。軟件方面:對(duì)輸入數(shù)據(jù)進(jìn)行檢查，對(duì)運(yùn)算結(jié)果進(jìn)行核對(duì)，并且在模塊軟件上采用自檢和程序陷阱，此外還設(shè)計(jì)了軟硬件相結(jié)合的“看門狗”電路，保證整個(gè)系統(tǒng)的可靠性。

4 試驗(yàn)

下井前對(duì)開關(guān)進(jìn)行了地面試驗(yàn)，試驗(yàn)4臺(tái)，其中1臺(tái)總饋電開關(guān)，3臺(tái)分支饋電開關(guān)，電網(wǎng)額定電壓VN=1 140 V。漏電保護(hù)系統(tǒng)的各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)測試數(shù)據(jù)如表1所示。表中的測試數(shù)據(jù)均為10次測試的平均值，而且10次中均不出現(xiàn)誤動(dòng)現(xiàn)象。由表1可見，各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)均滿足要求，尤其是分支開關(guān)的橫向選擇性漏電動(dòng)作時(shí)間小于30 ms，總開關(guān)的縱向選擇性漏電動(dòng)作時(shí)間小于200 ms，不僅滿足了井下供電的連續(xù)性要求，而且保證了人身觸電時(shí)的安全性，這項(xiàng)指標(biāo)優(yōu)于其他同類產(chǎn)品。

表1 漏電保護(hù)裝置技術(shù)性能參數(shù)測試結(jié)果Table 1 Test results of technical properties of the leakage protection device

5 結(jié)語

1)基于附加直流電源與零序功率方向選擇性漏電保護(hù)判據(jù)，以高性能微控制器dsPIC30F4012為中央控制單元，設(shè)計(jì)了一種新型主從結(jié)構(gòu)漏電保護(hù)系統(tǒng)，詳細(xì)闡述了硬件原理和軟件部分。

2)系統(tǒng)的核心處理器與從處理器的通信，以及核心處理器和上位機(jī)的通信均采用光纖通信的方式，這種信號(hào)傳輸?shù)姆绞诫m然在成本方面有所提高，但其高的抗干擾性能和高的通信效率可以保證保護(hù)裝置的瞬動(dòng)性，有效地避免井下事故的發(fā)生。

3)采用模塊化結(jié)構(gòu)軟件設(shè)計(jì)方法，設(shè)計(jì)了系統(tǒng)的各個(gè)模塊的程序。具有編程簡單、結(jié)構(gòu)清晰、調(diào)試方便、運(yùn)行效率高等優(yōu)點(diǎn)。

4)研究了保護(hù)裝置中主要的干擾，對(duì)應(yīng)于不同的干擾信號(hào)制定了相應(yīng)的硬件和軟件抗干擾措施，提高了保護(hù)裝置的工作可靠性。

［1］尹伊君，張國軍.礦井低壓選擇性漏電保護(hù)［J］.遼寧工程技術(shù)大學(xué)學(xué)報(bào)，2007，26(6):901 －904.

［2］王 浩，袁振海，李 斌，等.礦井電網(wǎng)選擇性漏電保護(hù)原理及裝置的研究與設(shè)計(jì)［J］.微處理機(jī)，2006，12(6):114 －118.

［3］方 威.礦井供電系統(tǒng)選擇性漏電保護(hù)理論及其應(yīng)用研究［D］.江蘇:江蘇大學(xué)，2009.

［4］路 萍，龐 彬，李 華.基于PIC單片機(jī)的多選擇性漏電保護(hù)［J］.儀器儀表學(xué)報(bào)，2004，25(4):414 －415.

［5］胡天祿，王崇林，牟龍華.礦井高壓電網(wǎng)漏電保護(hù)裝置動(dòng)作參數(shù)分析［J］.煤炭學(xué)報(bào)，2003，28(2):205 －209.

［6］王清亮，劉軍良.基于高頻暫態(tài)分量相關(guān)性的選擇性漏電保護(hù)［J］.電力自動(dòng)化設(shè)備，2007，27(9):59 －62.

［7］李 奎，陸儉國，武 一，等.自適應(yīng)漏電保護(hù)技術(shù)及其應(yīng)用［J］.電工技術(shù)學(xué)報(bào)，2008，23(10):53 －57.

［8］牟龍華，孟慶海，劉建華.可通信式智能選擇性漏電保護(hù)系統(tǒng)的研究［J］.電工技術(shù)學(xué)報(bào)，2003，18(1):82 －86.

［9］張勇志，孟慶春.單片機(jī)在選擇性漏電保護(hù)裝置中的應(yīng)用［J］.遼寧工程技術(shù)大學(xué)學(xué)報(bào)，2005，24(6):149－151.

［10］袁振海，沈祥云，王險(xiǎn)峰，等.零序直流選擇性漏電保護(hù)原理分析［J］.電工技術(shù)學(xué)報(bào)，2008，23(10):53 －57.

［11］王彥文，王念彬，楊秀強(qiáng)，等.基于零序功率方向的選擇性漏電保護(hù)系統(tǒng)［J］.煤礦機(jī)電，2006，33(1):24 －30.

［12］Microchip.dsPIC30F4011/4012 data sheet，high performance digital signal controllers［R］.Shanghai:Microchip Technology Inc.，2004.

［13］劉梅華，汪 東，楊艷秋.基于PIC16F877A礦井低壓電網(wǎng)選擇性漏電保護(hù)的原理及其應(yīng)用［J］.重慶工學(xué)院學(xué)報(bào)，2007，21(2):117－120.