礦井低壓電網(wǎng)綜合保護(hù)系統(tǒng)的研究

李 凱

（山西西山煤電股份有限公司西曲礦，山西古交 030200）

0 引言

隨著煤礦自動化技術(shù)的發(fā)展，井下用電設(shè)備不斷地增多，井下電壓等級不斷提升，供電系統(tǒng)對于煤礦生產(chǎn)越來越重要。而井下工作環(huán)境惡劣，用電設(shè)備的負(fù)載變化較大，由于操作人員的誤操作或者電路的老化、短線，經(jīng)常會引起漏電及短路故障，如果不能及時排除，則會產(chǎn)生電弧，在瓦斯?jié)舛然蛘呙悍蹪舛容^高時，引起爆炸。

在我國，早期的繼電保護(hù)裝置都是由電磁型、感應(yīng)型或電動型繼電器組成的[1]，這些繼電器在礦井生產(chǎn)中得到廣泛的應(yīng)用，但是，這種保護(hù)裝置體積大、動作反應(yīng)速度慢，不能在故障出現(xiàn)后的第一時間排除故障。本文作者根據(jù)礦井低壓電網(wǎng)供電要求，分析常見的故障類型，提出保護(hù)原理和動作指標(biāo)，重點(diǎn)研究選擇性漏電保護(hù)和短路保護(hù)，選擇MSP40單片機(jī)作為主控芯片，設(shè)計系統(tǒng)的硬件電路，并根據(jù)現(xiàn)場的干擾源，提出相應(yīng)的抗干擾措施，增加系統(tǒng)的可靠性。

1 礦井低壓電網(wǎng)常見故障分析

1.1 漏電故障

煤礦井下的低壓電網(wǎng)中，大多采用電源中性點(diǎn)絕緣的方式供電，在這種供電情況下，電網(wǎng)對地的電容忽略不計，電網(wǎng)的等效電路如圖1所示。電網(wǎng)中的設(shè)備正常運(yùn)行時，電網(wǎng)上的各相電壓和電阻是相等的。即：Ua=Ub=Uc=UΦ，ra=rb=rc=r其中，Ua、Ub、Uc分別表示電網(wǎng)中a、b、c三相的電壓，UΦ為電源的相電壓；ra、rb、rc表示三相分別對地的絕緣電阻，可以看做是一個星型負(fù)載[2]。三相對地電壓與電源處的相電壓相等，變壓器中性點(diǎn)對地的電壓U0=0。

圖1 礦井電網(wǎng)等效圖

當(dāng)發(fā)生人員接觸短路故障時，假設(shè)人體的電阻為Rr，此時，人體電阻與C相的對地電阻并聯(lián)，C相對地電阻變?yōu)榇藭r，A、B、C三相對地電阻不再對稱，此時，變壓器的中性點(diǎn)與地之間出現(xiàn)電位差，中性點(diǎn)對地電壓為U0，根據(jù)三相電壓之間的矢量關(guān)系和基爾霍夫電流定律，可計算出流過人體的電流

當(dāng)發(fā)生單相接地故障時，接地相的對地電壓為0，其余兩相對地電壓為原來的 3倍，此時，這兩相上的用電設(shè)備將承受較高的電壓，可能會破壞電氣設(shè)備上的絕緣層。進(jìn)而引發(fā)安全事故。

1.2 短路故障

短路故障是礦井低壓電網(wǎng)中最容易發(fā)生的故障之一，當(dāng)系統(tǒng)中發(fā)生短路故障時，系統(tǒng)從安全運(yùn)行的正常狀態(tài)，經(jīng)過一個暫態(tài)過程，轉(zhuǎn)變?yōu)槎搪饭收系姆€(wěn)定狀態(tài)，電流由正常值突然增大[3]，本文選取三相短路故障中的一相進(jìn)行分析，供電系統(tǒng)單線示意圖如圖2所示，A端向B端供電，A處母線電壓為：u=Umsin（ωt+θ），d處出現(xiàn)短路時，電路中的電流增大，短路電流計算：假設(shè)該相中的電阻為R，電抗為L，電源容量無限大?？捎嬎愠龆搪冯娏鞯拇笮。?/p>

式中：Idzm為短路電流周期分量幅；Im為短路前負(fù)載電流的幅值；φ為短路前回路的阻抗角；θ為短路時電壓的初相角；φd為短路回路阻抗角；Ta為短路回路的時間常數(shù)。

圖2 供電系統(tǒng)單線示意圖

2 硬件電路設(shè)計

2.1 選擇性漏電保護(hù)方案設(shè)計

根據(jù)零序電流的方向，設(shè)計針對礦井低壓電網(wǎng)的漏電保護(hù)方案。電路硬件連接如圖3所示。漏電保護(hù)裝置監(jiān)測本線路中的零序電流方向時，以移相前的U˙0為基準(zhǔn)，I˙0和 U˙0相位不同時，該支路正常運(yùn)行； I˙0和 U˙0相位相同時，斷路器跳閘，切斷本條線路的供電。中斷信號發(fā)出12 ms以后，如果絕緣電阻的阻值仍然沒有恢復(fù)到正常值，則判定為總開關(guān)和分開關(guān)之間，或者斷路器發(fā)生了拒動故障。發(fā)出跳閘信號，實(shí)現(xiàn)選擇性漏電保護(hù)[4]。

圖3 選擇性漏電保護(hù)示意圖

2.2 短路保護(hù)設(shè)計

該三相短路保護(hù)采取相敏保護(hù)原理。在礦井中，供電系統(tǒng)的運(yùn)行方式為中性點(diǎn)絕緣運(yùn)行，當(dāng)電網(wǎng)中發(fā)生三相短路故障時，A、B、C三相中的電壓和電流大小相等、而相位不同。相敏保護(hù)中的相位檢測電路硬件結(jié)構(gòu)如圖4所示，電壓互感器將輸入的線電壓U˙BC轉(zhuǎn)變轉(zhuǎn)變成為低電壓信號，經(jīng)過移相、波形轉(zhuǎn)換，先后得到B相的相電壓U˙B和周期為2П的正脈沖序列。B相的電流I˙B，經(jīng)過電流互感器和電流電壓的轉(zhuǎn)換后，再進(jìn)行波形變換，得到周期為2П的正脈沖序列。得到的B相電壓和電流之后，將兩者進(jìn)行比相計算，可以得到周期為П，脈寬為相位差的脈沖序列。

圖4 相位檢測硬件原理圖

針對礦井低壓電網(wǎng)中的不對稱故障，可以提取出電網(wǎng)中的負(fù)序電流。通過對負(fù)序電流幅值大小的判斷，就可以診斷電網(wǎng)中的不對稱故障。當(dāng)系統(tǒng)中出現(xiàn)不對稱短路時，電路中的負(fù)序電流的大小是正常電流的 3倍。因此，當(dāng)采集到的負(fù)序電流的幅值大小事正常值的 3倍時，可以判定發(fā)生了不對稱故障，進(jìn)而通過繼電器執(zhí)行動作，切斷電網(wǎng)中相關(guān)設(shè)備的電源。

2.3 通訊電路

為方便對礦井下的設(shè)備進(jìn)行管理，實(shí)時掌握礦井中的設(shè)備運(yùn)行情況。在系統(tǒng)中設(shè)計串口通信模塊，通過MAX3232芯片，將控制器上的TTL電平轉(zhuǎn)換為RS-232電平，利用RS-232協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸。該芯片的供電電壓為3.3 V，工作時的功耗低，不需要外加驅(qū)動電路，具有較高的可靠性[5-6]。

3 電源抗干擾設(shè)計

煤礦井下的設(shè)備工作環(huán)境復(fù)雜，存在著各種干擾信號，主要包括：浪涌電壓入侵；高頻電磁場干擾；線路的絕緣不良等。這些干擾信號可能會導(dǎo)致模擬信號的失真，控制信號發(fā)生混亂，嚴(yán)重時，可導(dǎo)致系統(tǒng)癱瘓。本文作者主要針對電源系統(tǒng)中存在的干擾，指定相關(guān)抗干擾措施，提高系統(tǒng)的工作可靠性。

為了防止電源系統(tǒng)引入干擾因素，電源抗感套供電配置如圖5所示，通過電壓互感器將初級電路和次級電路之間的信號進(jìn)行隔離，提高共模抗干擾能力[8]。LPF的作用是吸收電路中的高次諧波，DCR是整流橋，使電路中的交流電壓變成直流電壓，供電給主控制器使用。

圖5 電源抗干擾供電配置

4 總結(jié)

以高性能單片機(jī)MSP430為中央控制單元，設(shè)計一種新型智能綜合保護(hù)系統(tǒng)，具有故障檢測、串口通訊、弱電信號輸出的功能。對礦井低壓電網(wǎng)的常見故障進(jìn)行分析，得出漏電故障和短路故障發(fā)生時電路的電氣特性。設(shè)計選擇性漏電保護(hù)的硬件實(shí)現(xiàn)方案，利用相位檢測，判斷三相短路故障，提高礦井供電的可靠性。通過對電路中干擾源的特征分析，指定相應(yīng)的抗干擾措施，增強(qiáng)系統(tǒng)工作的穩(wěn)定性。