低压馈电开关综合保护系统的设计

2013-10-16陈亚

机电信息 2013年6期

陈亚

0 引言

煤炭开采行业的不断发展对煤炭井下的供电系统提出了更高要求，《煤矿安全规程》中明确规定：井下低压馈电线上应装设有短路、过载、欠压保护及带有漏电闭锁的检漏保护装置或有选择性漏电保护装置，在使用屏蔽电缆的场合，还应设绝缘监视保护。当低压电网中发生如漏电、短路、断相等各种事故时，矿用低压馈电开关保护系统可以针对故障特征自动快速、准确地检测故障原因和故障点并执行相应的操作，以保障井下低压电网的绝对安全，保障采煤工作的顺利进行，减少事故的发生。

1 低压电网常见故障及检测原理

（1）漏电保护。漏电故障是井下低压供电系统发生最多的故障，占总故障的80%以上。漏电故障危害大，涉及面广，可靠的漏电保护系统对井下作业和供电安全有着重要意义。设计馈电开关在正常线路上运行，当发生漏电事故时自动跳闸从而实现漏电保护。目前常用的漏电保护监测原理有：附加直流电源检测原理、零序电压检测原理、零序电流检测原理及零序电流方向检测原理等。采用零序电流方向检测原理实现选择性漏电保护的检测方法，在发生漏电事故时，在三相电网中将产生零序电压U0和零序电流I0，且在方向上，故障支路的电流滞后90°，非故障支路的电流超前90°，因此根据电路中的电流是滞后还是超前90°即可判断是故障支路还是非故障支路。

（2）短路保护。井下低压电网短路故障包括三相短路、两相短路、单相及两相接地短路，短路故障也是煤矿井下常见的严重故障之一。常用短路检测原理包括相敏检测原理及负序检测原理等，对比这两种检测原理，选用负序检测原理，相敏检测可能会出现保护死区，而负序检测原理相比相敏检测误动作几率比较小，检测灵敏度也较高。

（3）断相保护。矿用低压馈电开关中，当接线端掉线或者接触不良时可造成单相断电的现象，单相断电后，此相的电流即为0，另外两相电流的方向相反、大小相等，这将造成一种严重的不对称故障，采用负序检测原理可正确判断断相故障。

（4）过载保护。在煤矿井下作业过程中，当出现负载过重、单相运行等其他不对称工作时，工作中的一些电气设备如变压器、电动机等的工作电流超出设备的正常工作电流，称此时的操作属于过载操作，短时的过载操作不会损坏设备，但长期的过载操作将产生大量的热量，导致设备的损坏，甚至引起井下火灾和爆炸等重大矿井事故。设置过载故障保护系统可采用反时限检测原理，当发生过载事故时，电流较大，设置跳闸的延迟时间较短，可及时跳闸；当工作正常无过载事故时，线路电流较小，跳闸延迟时间较长。

（5）过压与欠压保护。过压故障包括由雷电引起的外部过压和由系统内部非正常工作引起的内部过压，欠压是当系统电压低于75%的额定电压。在电网中，出现过压和欠压都将产生重大事故。在过压和欠压保护中常采用鉴幅式检测原理，即监测电网中的电压值与标准的电压值比较，当出现过压或欠压故障时，延时跳闸。

2 馈电开关保护系统硬件设计

低压馈电开关综合保护系统主要保护煤炭井下的供电系统线路中的短路、漏电和过载等故障，硬件部分是该馈电开关综合保护系统的基础，其性能的好坏直接决定该系统作用性能效果。矿用低压馈电开关综合保护系统主要由中央控制单元、信号采集单元及人机界面组成，该综合保护系统的硬件设计流程如图1所示。

图1 系统硬件流程图

中央控制单元采用AT89C52单片机控制。信号采集单元是馈电开关保护系统的重要组成部分，该部分是中央控制单元与低压电网中间的桥梁，信号的准确输入才能准确判断工作状态是否发生如漏电、短路等故障，并可自动对故障执行动作。信号采集参数主要有开关量和模拟量，开关量主要包括断路器辅助接点状态、瓦斯信号、风电信号及分合闸信号，模拟量主要包括电压信号、电流信号、负序信号、漏电信号及相敏信号。信号参数通过采样电路（包括电压采样模块、漏电采样模块、电流采样模块及负载采样模块等）获取。

由采集电路采集的模拟信号通过信号调理电路转化为电压信号，经过放大和A/D转化后传输到AT89C52单片机中，单片机根据输入的数据信号支配故障处理电路并执行相应的故障及时处理操作。

人机界面可以准确显示馈电开关运行状态，直观显示故障类型和故障支路，工作人员可通过人机界面数据显示操作控制馈电开关。良好的人机界面设计可以直观了解和分析电网运行

情况，当出现故障时可及时报警动作，且通过人机界面显示判断故障类型，及时处理和维修，提高控制系统的可操作性。

3 馈电开关保护系统软件设计

系统硬件电路必须配合软件设计才能充分发挥综合保护性能，发挥应有的作用。馈电开关保护系统软件可采用汇编语言与C语言混合编程自低向上法编写，该系统软件的设计主要分为总体结构化设计、功能化模块程序编写及程序调试、修改，其主程序流程如图2所示。结构合理，功能齐全，程序科学的软件设计可以减少系统运算空间，缩短运算时间，增加动作反应速度和运行的可靠性。