煤矿井下低压电网选择性漏电保护的仿真研究

赵波　关微　郭洪月　张津铭　张玉良　陈明非

摘 要：针对目前各种选择性漏电保护存在的问题，研发了一种以C8051F040单片机为核心，运用总开关支路基于附加直流电源漏电检测原理、分开关支路基于零序功率方向漏电检测原理的选择性漏电保护系统。经试验验证，该漏电保护系统可靠、方便、有效、安全、稳定、性价比高，供电线路通过检测零序电流信号，可有选择性地关断漏电的线路，不必切断整个供电网络，实现了供电最优化。

关键词：选择性漏电保护；附加直流电源；单片机；检测原理

中图分类号：TP368.1 文献标识码：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2016.01.014

煤矿井下漏电故障约占井下供电系统总故障的70%，该故障不仅会引发人身触电伤亡，还会导致瓦斯、煤尘爆炸，甚至提前引爆电气雷管。因此，装设漏电保护装置对矿井的安全生产极为重要。目前，我国井下低压电网广泛采用基于附加直流电源原理的非选择性装置，存在原理单一、动作无选择性、易误动作等缺陷。

采用本文提出的新型选择性漏电保护检测方法，当电网某一支路发生漏电故障时，能有选择性地发出故障信号或切断故障支路电源，不必切断整个供电网络，从而保证了非漏电故障支路的持续运行，缩小了故障停电范围，便于寻找漏电位置，缩短了停电时间，有利于提高生产效率和供电可靠性，满足了选择性、速动性、灵敏性和可靠性等要求，实现了供电最优化。

1 井下低压电网选择性漏电检测原理

针对我国矿井低压电网变压器具有的中性点不接地的特点，对基于零序电流方向的选择性漏电保护装置进行了改进——在电网的主支路上附加了运用直流电源保护原理的漏电装置，在电网的分支路附加了运用零序功率方向保护原理的漏电装置。选择性漏电保护的判断机制基于零序电流、零序电流与零序电压的相位比。零序电流和零序电压的相位采用硬件判断，零序电流采用硬件整流，微处理器只进行直流采样和脉宽测量即可，软件算法简洁，系统判断速度较快。 该系统以C8051F040单片机为核心，开关电源直接供电，零序电流和零序电压的相位送至微处理器的PCA；整流后的附加直流电源的电压信号和零序电流信号送入A/D转换器；单片机的I/O口连接有按键和显示模块；单片机SPI接口连接有信息存储模块；单片机IIC接口可实时接受时钟信号。系统判断存在漏电故障时，控制器会发出指令，驱动模块驱动断路器分闸，电源被切断。该系统的选择性漏电保护原理如图1所示。

1.1 总开关支路附加直流电源检测法

附加直流电源法漏电检测硬件结构如图2所示。在图2中，独立的直流电源附加在三相电网与大地间，由于三相电抗器的电阻非常小，采样电阻R1上的直流电流值直接反映了电网对地绝缘电阻的变化，检测和利用该电流能实现附加直流电源检测漏电保护。

由于电网运行中存在的杂波分量会影响检测的可靠性，因此，在采样电阻R1后级加了有源低通滤波器，通过 Pspice 仿真得到的频率响应曲线如图3所示。其截止频率为6 Hz，实现了通过直流滤除杂波的目的。

滤波后的漏电信号通过线性光耦器HCRN200可实现被测电路与测试电路的电气隔离，从而减少噪声对被测试电路的影响。附加直流源法的动作电阻值和零序电流的动作电阻值可根据井下现场的具体情况确定。

1.2 分开关支路零序功率方向检测法

井下电网电缆的对地绝缘电阻非常大，电网对地的阻抗主要表现为容抗。故障支路的零序电流相位滞后于零序电压90°～180°，主要通过零序电压和零序电流的相位信息判断漏电故障。零序功率方向法漏电保护的硬件结构如图4所示。

零序电压通过三相电抗器人为中性点上端连接的电阻获得，信号通过无源、有源滤波衰减后，再经移相、整形、光耦隔离后与零序电流信号接通，最后送入微处理器的脉宽测量单元。零序电流通过三相线上套入零序电流互感器获得电压信号，信号经放大、滤波后分为两路：一路通过方波整形、光耦隔离后与零序电压信号接通，最后送入脉宽测量单元；另一路通过整流、线性光耦隔离后送入微处理器的A/D采样单元。对于零序电流互感器而言，当负载为1.98 kΩ时，线性度最好，测试结构如图5所示。

2 选择性漏电保护的实现

2.1 硬件设计

采用SILICON LABORATORIES公司的C8051F040 系列单片机，该系列器件属于混合信号片的系统型MCU，具有64个数字I/O引脚，片内集成了1个CAN2.0B控制器，采用外部晶体振荡的方式，晶振频率为22 MHz；人机交互功能通过按键和液晶显示屏完成；按键分别有合闸、分闸、移位加、移位减、确定和菜单六个键；系统包括反相保护、光耦隔离、脉冲整形三部分电路，抗外界干扰能力强、可靠性高、防抖动，非常适合在井下的恶劣环境中使用；系统选用ST7920控制器系列的中文图形液晶屏，分辨率为128×64点阵，内置8 192个汉字（16×16点阵）、128 个字符（8×16点阵），可与CPU直接连接；存储芯片采用ST公司的高速8 Mbit串行M25P80，具有整体擦除、扇区擦除、页编程指令和写保护等功能；实时时钟芯片采用ST公司的低功耗串行计时器M41T0。系统内部结构如图6所示。

当系统检测到电网发生漏电故障时，微处理器发出跳闸指令，通过输出驱动电路动作中间继电器，可使断路器脱扣，微处理器I/O口与断路器进行光电耦合、电气隔离。微处理器发出的信号经过光耦隔离后，可控制中间继电器的启闭。

2.2 软件设计

附加直流电源法的软件部分包含三部分，分别为漏电电阻值的校准、漏电动作电阻值的标定和漏电故障的判断。漏电电阻值的校准采用分段线性拟合法，微控制器的A/D 可在电阻箱模拟电网漏电电阻0～100 kΩ的区间内采集取20 个点，并通过软件计算出每两个采样点间的线性度K。在系统判断电网是否漏电时，会通过19个K值计算，从而得到当前电网的绝缘电阻值。零序功率方向法的软件部分包含零序电流幅值现场标定和漏电分支故障判断两方面。如果发生漏电故障，硬件电路会产生零序相位脉冲，并启动PCA捕获中断信息；如果零序相位脉冲时间>5 ms，则根据零序电流幅值判断。零序电流幅值大于标定值时，系统会认定该支路发生漏电故障，并进入漏点故障处理模块；反之，软件跳出中断模式，重新等待PCA中断。