礦井選擇性漏電保護裝置的硬件設計

李志國

（汾西礦業(yè)集團運銷管理中心， 山西 介休 032000）

引言

長期以來，國內(nèi)許多學者針對小電流接地系統(tǒng)選線裝置進行了大量的研究，不僅在軟件方面提出了許多選線方法，如群體比幅比相法、注入信號法等等[1-2]，并根據(jù)不同的選線方法研制了實際裝置，而且在硬件方面也不斷引入新技術新工具，如96系列的單片機、80C196單片機及DSP芯片等。但實際運行結果表明并不十分理想，因此，對于進一步研究選線裝置是十分必要的[1-3]。

1 選線裝置硬件組成框圖

根據(jù)硬件實現(xiàn)功能選線裝置大致可以分為數(shù)據(jù)采集和智能控制兩個部分。根據(jù)智能控制功能，選線裝置大致可以分為單片機方式和工控機方式[4]。

目前我們更強調(diào)的是選線裝置的擴展性，利用結合更先進的技術工具，能夠充分發(fā)揮其特點；而且易于選擇性漏電保護裝置的二次開發(fā)，進一步提高裝置的選線準確性，所以我們選用了工控機方式的故障選線裝置，結合了研華公司開發(fā)的PCI-1716L多功能數(shù)據(jù)采集卡，能夠充分發(fā)揮其計算能力的特點，提高了數(shù)據(jù)采集的高速性和準確性，為進一步完善裝置的人機界面和開發(fā)選線方法也打下了基礎[5-6]。

圖1所示的是一般的基于單片機的繼電保護裝置，包括數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、CPU主系統(tǒng)、開關量輸入/輸出系統(tǒng)、人機接口與通信系統(tǒng)、電源系統(tǒng)等五個基本部分組成。本文提出了工控機結合PCI-1716L數(shù)據(jù)采集卡的設計理念，選用研華IPC-610L型工控機，主板為PCA-6006LV，CPU為P4 2.4G，有512 MB的內(nèi)存和80 GB的硬盤空間，支持多個PCI插槽；PCI-1716L是一款功能強大的低成本多功能PCI總線數(shù)據(jù)采集卡，利用它完成數(shù)據(jù)的采集、A/D轉(zhuǎn)換等功能，在工控機中進行數(shù)據(jù)處理，完成選線裝置的選線功能。從硬件結構上看，與單片機方式相比，采用PCI-1716L數(shù)據(jù)采集卡代替了采樣保持、多路轉(zhuǎn)換開關及模數(shù)轉(zhuǎn)換等模塊，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)相對簡化，從而提高了裝置的可靠性，并且在工控機方式下也可以進一步完善人機接口界面。

圖1 基于單片機繼電保護裝置硬件結構框圖

2 零序信號的獲取

2.1 零序電壓的獲取

根據(jù)對稱分量法，3U0=UA+UB+UC，即把 A、B、C三相相電壓的相量直接相加，零序電壓的模值就是其合成相量的1/3，方向就是其合成相量的方向。

現(xiàn)場中直接輸入保護裝置，一般采用三相五柱式電壓互感器以取得零序電壓，如下頁圖2所示。其中有三個繞組，第一個是一次繞組，以“Y”接方式接在6 kV電路上；第二個繞組是二次繞組，也是“Y”接線方式，通過它可以知道一次的電壓；第三個繞組也是二次繞組，是“開口三角”接線，正常運行時電壓為零，當6 kV系統(tǒng)發(fā)生單相接地時，會在開口三角處產(chǎn)生電壓。

零序電壓互感器接入保護裝置時，應注意極性不能接錯，電壓互感器的開口三角同名端（帶星號端）接出L，L為消弧線圈的電感，同時接保護裝置的同名端3U0*。

2.2 零序電流的獲取

零序電流互感器安裝時一般套在三相電纜的外面，如下頁圖3所示。互感器的一側(cè)電流是IA+IB+IC，只當一次側(cè)有零序電流時，在互感器的二次側(cè)才有相應的3I0輸出。

圖2 三相五柱式電壓互感器接線示意圖

圖3 零序電流互感器接線示意圖

3 信號調(diào)理電路模塊的設計

3.1 電壓形成回路

數(shù)據(jù)采集卡要求輸入信號為±5 V或±10 V的電壓信號，因此，電壓形成回路的主要任務就是將零序電壓/電流互感器的二次側(cè)輸出量進行變換，并將電流量轉(zhuǎn)換為電壓量，以滿足模數(shù)轉(zhuǎn)換器的要求。另外，電壓形成回路還起到了隔離和屏蔽的作用，以減小高壓設備對微機繼電保護裝置的干擾。本系統(tǒng)選用淄博元星電子有限公司生產(chǎn)的TV31B-02型號的微型電流型電壓互感器。

TV31B系列電流型電壓互感器使用狀態(tài)為2 mA/2 mA，次級輸出的mA級電流信號經(jīng)外接運放I/V轉(zhuǎn)換電路變換為電壓信號，如圖4所示。

用TV31B-02設計一個交流電壓采樣電路，其額定輸入電壓為100 V，額定輸出電壓為5 V，其電路及其參數(shù)如下：

假設TV31B-02額定點的角差φc=8'，φc為每只傳感器上標的未補償前的相移值，以分為單位。

限流電阻R'：取初級額定電流為2 mA，R'=100 V/2 mA-0.16 kΩ=49.84 kΩ，選 R'=50 kΩ（1W）。0.16 kΩ為TV31B的初級繞組內(nèi)阻值。

反饋電阻R=Vo/Is=5 V/2 mA=2.5 kΩ，如果補償電容C取0.022 μF，則補償電阻r為：

圖4 電壓互感器電壓形成回路原理圖

用該電流互感器設計一個交流電壓采樣的電路，其額定輸入電流為5 A，輸出電壓為5 V，如圖5所示。反饋電路參數(shù)的確定：

圖5 電流互感器電壓形成回路原理圖

其額定點的角差φc=15'；反饋電阻R=Vo/Is=5 V/2.5 mA=2 kΩ；C 選 0.022 μF， 則 補 償 電 阻

3.2 濾波電路

由于本裝置是應用于繼電保護系統(tǒng)中，一旦發(fā)生故障，系統(tǒng)將會產(chǎn)生相當高的高頻分量，而實際中，本系統(tǒng)中只需提取基波分量以及五次諧波，這些高頻信號（主要是7次以上的諧波）將會干擾正常的信號分析，因而需要一個RC低通濾波器。將從電壓電流互感器變換過來的5 V電壓信號進行濾波處理，才能由數(shù)據(jù)采集卡進行采集和工控機的處理。

4 開關量輸出電路的設計

在選線裝置中設有開關量輸出電路，用于驅(qū)動各種繼電器，如跳閘出口繼電器、裝置故障報警繼電器等。考慮到控制電路的抗干擾能力，采用光電耦合器，電路圖原理如圖6所示。當板卡數(shù)字量輸出1通道（管腳13）為高電平時，經(jīng)與非門電路之后，輸出為低電平，經(jīng)光電耦合器使驅(qū)動晶體管VT導通，出口繼電器K得電吸合。當管腳13輸出低電平時，經(jīng)與非門電路后輸出高電平，經(jīng)光電耦合器使VT截止，K釋放。

5 結論

圖6 開關量輸出電路

由于目前強調(diào)的是選線算法的準確性以及選線裝置的擴展性，因此，在比較單片機實現(xiàn)方式和工控機實現(xiàn)方式各自特點的基礎上，設計本裝置選用工控機方式，充分利用工控機方式擴展能力強的特點，結合PCI-1716L高速數(shù)據(jù)采集的優(yōu)點，為以后選線裝置的升級、完善打下基礎。