矿井选择性漏电保护装置的硬件设计

李志国

（汾西矿业集团运销管理中心， 山西 介休 032000）

引言

长期以来，国内许多学者针对小电流接地系统选线装置进行了大量的研究，不仅在软件方面提出了许多选线方法，如群体比幅比相法、注入信号法等等[1-2]，并根据不同的选线方法研制了实际装置，而且在硬件方面也不断引入新技术新工具，如96系列的单片机、80C196单片机及DSP芯片等。但实际运行结果表明并不十分理想，因此，对于进一步研究选线装置是十分必要的[1-3]。

1 选线装置硬件组成框图

根据硬件实现功能选线装置大致可以分为数据采集和智能控制两个部分。根据智能控制功能，选线装置大致可以分为单片机方式和工控机方式[4]。

目前我们更强调的是选线装置的扩展性，利用结合更先进的技术工具，能够充分发挥其特点；而且易于选择性漏电保护装置的二次开发，进一步提高装置的选线准确性，所以我们选用了工控机方式的故障选线装置，结合了研华公司开发的PCI-1716L多功能数据采集卡，能够充分发挥其计算能力的特点，提高了数据采集的高速性和准确性，为进一步完善装置的人机界面和开发选线方法也打下了基础[5-6]。

图1所示的是一般的基于单片机的继电保护装置，包括数据采集系统、CPU主系统、开关量输入/输出系统、人机接口与通信系统、电源系统等五个基本部分组成。本文提出了工控机结合PCI-1716L数据采集卡的设计理念，选用研华IPC-610L型工控机，主板为PCA-6006LV，CPU为P4 2.4G，有512 MB的内存和80 GB的硬盘空间，支持多个PCI插槽；PCI-1716L是一款功能强大的低成本多功能PCI总线数据采集卡，利用它完成数据的采集、A/D转换等功能，在工控机中进行数据处理，完成选线装置的选线功能。从硬件结构上看，与单片机方式相比，采用PCI-1716L数据采集卡代替了采样保持、多路转换开关及模数转换等模块，数据采集系统相对简化，从而提高了装置的可靠性，并且在工控机方式下也可以进一步完善人机接口界面。

图1 基于单片机继电保护装置硬件结构框图

2 零序信号的获取

2.1 零序电压的获取

根据对称分量法，3U0=UA+UB+UC，即把 A、B、C三相相电压的相量直接相加，零序电压的模值就是其合成相量的1/3，方向就是其合成相量的方向。

现场中直接输入保护装置，一般采用三相五柱式电压互感器以取得零序电压，如下页图2所示。其中有三个绕组，第一个是一次绕组，以“Y”接方式接在6 kV电路上；第二个绕组是二次绕组，也是“Y”接线方式，通过它可以知道一次的电压；第三个绕组也是二次绕组，是“开口三角”接线，正常运行时电压为零，当6 kV系统发生单相接地时，会在开口三角处产生电压。

零序电压互感器接入保护装置时，应注意极性不能接错，电压互感器的开口三角同名端（带星号端）接出L，L为消弧线圈的电感，同时接保护装置的同名端3U0*。

2.2 零序电流的获取

零序电流互感器安装时一般套在三相电缆的外面，如下页图3所示。互感器的一侧电流是IA+IB+IC，只当一次侧有零序电流时，在互感器的二次侧才有相应的3I0输出。

图2 三相五柱式电压互感器接线示意图

图3 零序电流互感器接线示意图

3 信号调理电路模块的设计

3.1 电压形成回路

数据采集卡要求输入信号为±5 V或±10 V的电压信号，因此，电压形成回路的主要任务就是将零序电压/电流互感器的二次侧输出量进行变换，并将电流量转换为电压量，以满足模数转换器的要求。另外，电压形成回路还起到了隔离和屏蔽的作用，以减小高压设备对微机继电保护装置的干扰。本系统选用淄博元星电子有限公司生产的TV31B-02型号的微型电流型电压互感器。

TV31B系列电流型电压互感器使用状态为2 mA/2 mA，次级输出的mA级电流信号经外接运放I/V转换电路变换为电压信号，如图4所示。

用TV31B-02设计一个交流电压采样电路，其额定输入电压为100 V，额定输出电压为5 V，其电路及其参数如下：

假设TV31B-02额定点的角差φc=8'，φc为每只传感器上标的未补偿前的相移值，以分为单位。

限流电阻R'：取初级额定电流为2 mA，R'=100 V/2 mA-0.16 kΩ=49.84 kΩ，选 R'=50 kΩ（1W）。0.16 kΩ为TV31B的初级绕组内阻值。

反馈电阻R=Vo/Is=5 V/2 mA=2.5 kΩ，如果补偿电容C取0.022 μF，则补偿电阻r为：

图4 电压互感器电压形成回路原理图

用该电流互感器设计一个交流电压采样的电路，其额定输入电流为5 A，输出电压为5 V，如图5所示。反馈电路参数的确定：

图5 电流互感器电压形成回路原理图

其额定点的角差φc=15'；反馈电阻R=Vo/Is=5 V/2.5 mA=2 kΩ；C 选 0.022 μF， 则 补 偿 电 阻

3.2 滤波电路

由于本装置是应用于继电保护系统中，一旦发生故障，系统将会产生相当高的高频分量，而实际中，本系统中只需提取基波分量以及五次谐波，这些高频信号（主要是7次以上的谐波）将会干扰正常的信号分析，因而需要一个RC低通滤波器。将从电压电流互感器变换过来的5 V电压信号进行滤波处理，才能由数据采集卡进行采集和工控机的处理。

4 开关量输出电路的设计

在选线装置中设有开关量输出电路，用于驱动各种继电器，如跳闸出口继电器、装置故障报警继电器等。考虑到控制电路的抗干扰能力，采用光电耦合器，电路图原理如图6所示。当板卡数字量输出1通道（管脚13）为高电平时，经与非门电路之后，输出为低电平，经光电耦合器使驱动晶体管VT导通，出口继电器K得电吸合。当管脚13输出低电平时，经与非门电路后输出高电平，经光电耦合器使VT截止，K释放。

5 结论

图6 开关量输出电路

由于目前强调的是选线算法的准确性以及选线装置的扩展性，因此，在比较单片机实现方式和工控机实现方式各自特点的基础上，设计本装置选用工控机方式，充分利用工控机方式扩展能力强的特点，结合PCI-1716L高速数据采集的优点，为以后选线装置的升级、完善打下基础。