無線傳感器網(wǎng)絡在礦井電網(wǎng)漏電保護系統(tǒng)中的應用研究

趙躍光

（大同煤礦集團軒崗煤電有限責任公司，山西 原平 034114）

煤礦井下高壓供電系統(tǒng)采用6kV左右電壓，使用過程中經(jīng)常會出現(xiàn)漏電故障，是煤礦生產迫切需要解決的主要問題。有線供電網(wǎng)絡漏電保護以其低廉的成本被大多數(shù)煤礦使用，但隨著井下用電設備數(shù)量的增加，有線網(wǎng)絡監(jiān)控方式的缺點愈加突顯，不但布置形式混亂，而且有些區(qū)域非常難布置，不能隨用電系統(tǒng)進行調整，最主要的缺點是有線網(wǎng)絡方式出現(xiàn)線路損壞時會影響漏電故障的監(jiān)測。一旦出現(xiàn)漏電現(xiàn)象，煤礦井下瓦斯及粉塵等物質就隨時有可能被引爆，所以當出現(xiàn)漏電故障時能夠及時監(jiān)測并反饋報警對煤礦供電系統(tǒng)尤為重要。無線傳感器網(wǎng)絡技術近年來發(fā)展迅速，主要的優(yōu)點是不受空間布置的影響，且因其不存在線路連接所以故障率較低。將無線傳感器技術應用于井下供電漏電保護系統(tǒng)，可以增加保護系統(tǒng)的監(jiān)控效率和準確性，并且隨時可以根據(jù)要求重新布置傳感器的位置，簡化了漏電保護系統(tǒng)的線路布置，增加了井下作業(yè)的安全性。本文針對煤礦高壓供電系統(tǒng)，將無線傳感器網(wǎng)絡技術應用于其漏電保護系統(tǒng)，對無線網(wǎng)絡硬件和軟件進行設計，并驗證了系統(tǒng)的可行性。

1 供電電網(wǎng)漏電分析

煤礦供電系統(tǒng)中電纜漏電故障占的比重較大，電纜使用過程中可能會由于受熱或磨損而破壞絕緣層，發(fā)生單相接地漏電故障時，另外一相電路可能會擊穿造成短路起火等事故。我國煤礦電網(wǎng)往往用的是中性點絕緣形式，當發(fā)生故障時仍可短時間工作，可用于排除故障。采用三相電網(wǎng)的供電電路發(fā)生漏電故障時，會產生三個等大同相的電流，被稱為零序電流，漏電保護裝置可以根據(jù)此電流來監(jiān)測是否有漏電情況發(fā)生。

使用MATLAB軟件可以通過電路圖建立電網(wǎng)系統(tǒng)的數(shù)學模型，這種模型簡單方便，并且能直觀地反映問題。本文應用MATLAB軟件在建立模型的基礎上，對電網(wǎng)系統(tǒng)單相接地的漏電故障進行了電氣仿真。在MATLAB里對供電電網(wǎng)正常運行情況下的模型進行仿真，得出無故障情況下的三相電網(wǎng)電壓及電流特征曲線，如圖1所示。由圖1可以看到正常工況下三相電流及電壓曲線都是對稱分布的。

圖1 無故障工況下三相電路電壓及電流曲線

對三相電網(wǎng)其中一端設置單相接地故障，通過MATLAB仿真后得出的三相電路特征曲線如圖2所示?？梢钥闯霭l(fā)生故障的這相電路對地電壓迅速降至0，該相電流立即升高成為短路電流，而其余兩相電壓立即升高成為線電壓，電流也有所增加，三相電路特征曲線不再對稱分布。

圖2 單相接地故障發(fā)生時的三相特征曲線

圖3 故障相接地零序電壓及零序電流

進而再對發(fā)生單相接地故障的這相電路的零序電壓和零序電流進行分析，如圖3所示，由圖可以發(fā)現(xiàn)，接地故障發(fā)生后，故障相的零序電壓和電流立即產生，零序電壓相位領先零序電流90°相位。由此可以驗證出現(xiàn)單相接地故障時會產生零序電壓，可通過檢測這一信號的瞬時值來進行故障的判定。

2 漏電保護系統(tǒng)設計

2.1 系統(tǒng)硬件設計

漏電保護系統(tǒng)將無線傳感器安裝在三相電網(wǎng)的各個支路，如圖4所示，一組傳感器監(jiān)測一條支路，當電路運行狀態(tài)出現(xiàn)故障時及時處理并發(fā)出警報信號，傳感器節(jié)點單獨監(jiān)測漏電信息，以此降低系統(tǒng)耗能。一旦出現(xiàn)故障，傳感器節(jié)點會把位置發(fā)給協(xié)調器節(jié)點，經(jīng)過處理后輸送給系統(tǒng)終端設備顯示。單獨監(jiān)測的傳感器比有線網(wǎng)絡監(jiān)控傳輸損耗降低，減少了干擾，信號更加精確。

圖4 無線傳感器網(wǎng)絡保護系統(tǒng)設計

無線傳感器節(jié)點內部主要包括檢測部分、處理單元及無線通信電路。通過內部的零序電壓檢測、收集電路故障的發(fā)生情況，并經(jīng)過信號轉換后送入處理單元；通過內部微處理器可以將采集到的信號進行處理和管理；通過無線通信電路完成處理信號的傳輸。在處理器的選擇方面，應重點考慮其性能及成本等因素，綜合考慮后本次設計系統(tǒng)無線傳感器采用ATMEGA128型單片機作為處理單元。

2.2 系統(tǒng)軟件設計

本設計的核心在于無線傳感器的數(shù)據(jù)采集程序，經(jīng)過上述三相電網(wǎng)中性點不接地的故障分析，啟動信號選擇為零序電壓，通過零序電流對故障進行判定以及相應的位置確定，流程圖如圖5所示。

傳感器通信協(xié)議采用ZigBee協(xié)議棧，通信時可由內部時間修改運行模式。通信開始前應設計初始化過程，包括寄存器及信道頻率等。采用網(wǎng)絡節(jié)點定位。

2.3 網(wǎng)絡測試

創(chuàng)建網(wǎng)絡成功后，液晶屏會顯示輸出網(wǎng)絡工作正常等信息。開啟無線傳感器節(jié)點后，通過網(wǎng)絡節(jié)點可以發(fā)送節(jié)點位置地址信息，如圖6所示，由此證明了此無線傳感器網(wǎng)絡漏電保護系統(tǒng)可以正常工作。

圖5 節(jié)點程序流程圖

3 結論

文章通過分析當前煤礦供電系統(tǒng)的單相接地故障，提出將無線傳感器技術應用于漏電保護系統(tǒng)。通過MATLAB軟件分析了三相電網(wǎng)的漏電情況，得出漏電過程中出現(xiàn)的一些參數(shù)特征，將此特征作為無線傳感器監(jiān)測的要點，設計了基于無線傳感器網(wǎng)絡的漏電保護系統(tǒng)的總體框架，并通過實驗進行了驗證，證明此系統(tǒng)能夠準確地監(jiān)測供電系統(tǒng)的單相接地漏電故障，為改善煤礦供電系統(tǒng)漏電保護的研究提供了參考。

圖6 系統(tǒng)接收信息