矿井低压电网选择性漏电保护系统总体设计与实现

2012-07-07孙玉坤朱志莹黄振跃

中国工程科学 2012年7期

孙玉坤，朱志莹，黄振跃，唐平

(1.南京工程学院，南京 211167;2.江苏大学，江苏镇江 212013)

1 前言

漏电是矿井供电系统的主要故障形式，约占其总故障的70%，它不但导致人身触电事故，还会形成单相接地，进而发展成为相间短路，由此引发的电弧会造成瓦斯和煤尘爆炸。漏电保护主要用来防止漏电火灾造成的经济损失和人身伤亡，因此得到广泛的研究和应用［1～3］。

选择性漏电保护是指电网发生漏电故障时，能够有选择地发出故障信号或切断故障支路电源，而非故障部分继续工作，从而减小故障停电范围，便于寻找漏电故障，缩短漏电停电时间，提高供电的可靠性［3～10］。目前，我国矿井低压电网的选择性漏电保护系统主要采用单一的保护原理，从现场运行情况来看，这类保护装置存在一系列缺陷:a.动作无选择性;b.动作电阻值不稳定;c.易产生误动作;d.保护拒动。不能很好地完成保护的目的。

针对以上问题，笔者基于附加直流源检测［10］和零序功率方向［11］的选择性漏电保护原理，设计了一款新型漏电保护系统。该保护系统首次提出采用dsPIC30F4012作为控制核心、PIC16F877A为从处理器的主从式保护结构，并采用RS—485总线及光纤传输技术，既可完成井下低压电网单相漏电时的横向选择性和纵向选择性保护功能，又能保证电网漏电保护动作的无级差性。

2 选择性漏电保护原理

煤矿井下低压电网，尤其在采区变电所，大多采用辐射式供电，供电系统如图1所示。图1中HVB为高压真空馈电开关，T为变压器，GLVB为干线低压真空开关，LVBi为第 i支路的真空馈电开关，LVCi为第i支路的传输电缆，GPS为总馈电开关的保护系统，SPSi为第i支路分馈电开关的保护系统。其中GPS采用附加直流电源保护原理，SPSi采用零序功率方向保护原理构成两级漏电保护系统。

图1 中有 N 条支路(F1，…，Fi，…，FN)，假设 F1支线发生漏电故障，则在电网中产生零序电压U0，如果规定由母线流向支路为正，则由支路流向母线为负，于是对于故障支路F1有:

图1 辐射式供电系统框图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，对应于故障支路总有P0＜0，而非故障支路则总有P0＞0，且故障支路的P0绝对值较非故障支路大的多，从而可以利用这个判据准确、可靠地判断出故障支路和非故障线路而实现选择性。

3 保护系统总体设计与实现

3.1 硬件系统

图2是基于选择性漏电保护原理设计的矿井选择性漏电保护装置的硬件系统框图。主要包括核心控制器dsPIC30F4012(位于总馈电开关处)、从处理器PIC16F877A(位于分支总馈电开关处)、零序电压、电流的采样电路及相关辅助电路。

1) 核心控制器 dsPIC30F4012［12］。位于总馈电开关处的核心控制器要完成对直流取样信号Us、零序电压U0和绝缘电阻的实时采集和检测，还要和上位机及分支开关处的从处理器通信，漏电支路的切除与报警。因此，要实现漏电的及时保护，其核心控制芯片必须具有较高的处理速度、较高可靠性，同时具备通信、中断和A/D转换功能。该系统采用dsPIC30F4012芯片作为硬件系统的核心部件，它是Microchip公司dsPIC30F系列的DSP型微控制器的一种，它有1个16位CPU和1个DSP内核，它的中断系统有高达30个故障处理源，同时它具有SPI、I2C和URT三种外围串行通信接口，自带10位的A/D转换模块，这使其能满足本系统的设计要求。

图2 硬件系统框图Fig.2 Hardware block diagram

2)从处理器PIC16F877A［13］。传统的集中选线方法是由总馈电开关保护装置进行集中选线，增加了总馈电开关漏电保护装置的计算负担，不利于快速保护，而笔者设计从处理器后，当分支线路的任一处发生漏电故障时，总馈电开关处的核心控制器将零序电压的值传给从处理器，并由从处理器负责选线判据的计算，根据选线判据确定出故障支路后，无延时地动作于跳闸，同时向总馈电开关保护装置发出故障信息;总馈电开关保护装置收到故障信息后闭锁其输出信号，若经过预定的延时后，尚未收到分支馈电开关保护装置的动作信号，则其无选择地动作于跳闸，从而起后备保护作用。由此可见，笔者设计的选择性漏电保护系统中的各级保护装置皆为瞬动型，可以实现无级差的漏电保护，使漏电保护系统的纵向选择性更合理、更完善。笔者选用的从处理器是Microchip公司生产的PIC16F877A芯片，这款单片机外围电路简单，转换精度高，可以满足系统的设计要求。

3)电压检测模块。在该装置中共有两个电压量需要实时测量，用于绝缘检测的Us和零序电压U0。这两个量是在总馈电开关处通过电压互感器的降压再由A/D进行采样，具体的模拟量输入原理见图3。由于系统使用的ADC(ADS7835)是高速的单通道ADC，所以要先由一个二选一多路选择器对U0、Us分时测量。而电压跟随器的使用主要是起到阻抗匹配、增强带负载能力及电路隔离的作用，这在井下高干扰的环境下是非常必要的。低通滤波器的作用是为防止出现频谱的“混叠效应”，滤除输入信号中高于1/2采样频率的高频成分，同时减轻系统对硬件处理速度的要求。

图3 电压测量模块Fig.3 Voltage measurement module

4)零序电流采样模块。电流的检测有多种方法，最通用的方法是采用阻性分流器、霍尔元件传感器、隔离电流传感器。阻性分流器工作室与负载串联，无法进行隔离测量;霍尔元件传感器测量精度较高，但输出端需要复杂的调理电路、温度补偿电路和算法。而笔者所使用的是LEM推出的CT系列电流传感器，此款电流传感器是针对漏电安全检测而设计的，根据毫安级的测量电流输出端是0～5 V的直流电压，可以直接由A/D进行测量，零序电流测量的框图如图4所示。

图4 零序电流测量模块框图Fig.4 Zero sequence current measurement module

5)通信模块。矿井环境具有高干扰、高湿度特性，传统的通信介质，如双绞线等往往有传输效率低、误码率高、传输距离短等缺点。而光纤传输系统具有损耗低、中继距离长和抗电磁干扰性能好等优点，能够对监测的信号进行无失真传输。近些年随着成本的下降，光纤通信开始在矿井等复杂环境下得到广泛使用。综合考虑控制成本和系统的可靠性，该系统中核心控制器和从控制器通信电路见图5。采用RS—485总线，它采用差分平衡电路，能有效抑制长距离传输中的噪声干扰，能实现可靠的串行通信。图5中MODEL277B是一款RS—485串口转光纤的转换器，它能够向用户提供RS—485串口端到端的透明传输。支持零延时自动转发，自动侦测串口速率，判别和控制数据传输方向，最大通信速率500 kb/s。光纤分多模光纤和单模光纤，多模光纤可选ST/SC/FC接口，通信距离达到2 km，而单模光纤采用FC/SC/ST接口，通信距离达到20 km。

3.2 软件部分

鉴于系统的复杂性和实时性，控制系统软件部分采用汇编语言编写，模块化编程。这不仅提高了控制器的运行效率，而且增加了程序的通用性和可移植性，有利于系统的维护改进。

图5 通信电路图Fig.5 Communication circuit diagram

整套程序分为主控模块、选线模块、电压检测模块、绝缘电阻检测模块等。主控模块即主程序，它是整个系统软件的“总指挥”，通过对各功能模块的合理调用来完成参数的检测、分析、判断从而实现系统的整体功能。主程序流程图如图6所示。

图6 主程序流程图Fig.6 Master routine

选线模块根据选择性漏电保护原理，首先读取各支路的零序电流和零序电压值，然后计算功率P0，P0＜0的为故障支路，P0＞0的为非故障支路，如图7所示。

图7 选线模块Fig.7 Line selection module

系统要实时地检测工作电压，以确保工作电压正常，并完成对应的电压显示功能，程序框图如图8所示。

图8 电压检测模块Fig.8 Voltage examination module

为了实现漏电保护功能，总开关要不断地检测电网对地绝缘电阻，从而判断系统是否发生了漏电故障，分开关在合闸前也要进行漏电闭锁试验，同样需要检测电网对地绝缘电阻，绝缘电阻检测模块程序框图如图9所示。

图9 绝缘电阻检测模块Fig.9 Dielectric resistance examination module

3.3 软、硬件抗干扰措施

各检测电流信号和零序电压信号所采集到的模拟信号来自强电回路，所以会有很多的干扰存在，在该装置的设计中分别采取了软、硬件抗干扰措施，使得系统更加稳定可靠。硬件方面:在电源和信号输入回路中，设计了低通滤波器以消除周期性干扰;在信号传输回路中，采用光电隔离将模拟量与数字量、开关量的输入与输出相隔离，以减小过程通道的干扰，并设置了硬件自恢复电路，一旦在干扰下程序出错，而软件措施不能解决，就可以通过自恢复电路自动复位。软件方面:对输入数据进行检查，对运算结果进行核对，并且在模块软件上采用自检和程序陷阱，此外还设计了软硬件相结合的“看门狗”电路，保证整个系统的可靠性。

4 试验

下井前对开关进行了地面试验，试验4台，其中1台总馈电开关，3台分支馈电开关，电网额定电压VN=1 140 V。漏电保护系统的各项技术指标测试数据如表1所示。表中的测试数据均为10次测试的平均值，而且10次中均不出现误动现象。由表1可见，各项技术指标均满足要求，尤其是分支开关的横向选择性漏电动作时间小于30 ms，总开关的纵向选择性漏电动作时间小于200 ms，不仅满足了井下供电的连续性要求，而且保证了人身触电时的安全性，这项指标优于其他同类产品。