一种矿用低压漏电保护装置设计

2020-02-28郑庆乐荣相杨帆李瑞

工矿自动化 2020年2期

郑庆乐，荣相，杨帆，李瑞

(1.中煤科工集团常州研究院有限公司，江苏常州 213015； 2.天地(常州)自动化股份有限公司，江苏常州 213015)

0 引言

当前我国煤矿井下采掘工作面多设置有移动变电站，为满足现场使用需求，通常在移动变电站低压侧安装馈电总开关[1]。馈电总开关中零序电抗器会对低压电网进行补偿，根据零序电抗器对电网补偿程度的不同可分为欠补偿、全补偿和过补偿3种状态[2]。目前煤矿低压电网漏电保护装置多采用零序功率方向选线原理，即利用故障支路零序电流超前零序电压90°、非故障支路零序电流滞后零序电压90°的原理实现保护[3-6]。该保护原理是建立在电网零序等效阻抗为纯容性的基础上[7-9]，而零序电抗器的补偿改变了电网等效阻抗[10-11]，使故障支路零序电流幅值更小且相位发生变化，导致漏电保护装置可靠性降低。本文设计了一种矿用低压漏电保护装置，该装置通过采集零序电压和支路零序电流，比较各支路零序电流与零序电压相位差，以此作为故障选线判据。

1 装置工作原理

图1 零序电抗器并联电阻接地系统发生单相接地故障时零序等效网络Fig.1 Zero-sequence equivalent network when single-phase grounding fault occurs in zero-sequence reactor grounding system with parallel resistance

根据图1，由基尔霍夫定律可得

(1)

(2)

由式(1)、式(2)可知，非故障支路、故障支路的零序电流和零序电压相位差有明显区别，因此可得以下故障选线判据。

(1) 受支路绝缘电阻的影响，非故障支路零序电流与零序电压相位差小于90°，位于第二象限。

(2) 受零序电抗器及并联电阻的影响，过补偿时故障支路零序电流超前零序电压大于90°，位于第三象限；欠补偿时故障支路零序电流滞后零序电压大于90°，位于第四象限；全补偿时故障支路零序电流与零序电压方向相反。

2 装置硬件设计

矿用低压漏电保护装置由信号调理电路、数据采集处理电路、执行电路和人机交互电路组成，如图2所示。信号调理电路对零序电流和零序电压信号进行隔离和幅值线性调整；数据采集处理电路通过采集、处理信号调理电路输出信号，进行故障判断；执行电路负责驱动继电器执行核心处理器跳闸指令；人机交互电路负责按键输入与实时数据显示。

图2 矿用低压漏电保护装置硬件结构Fig.2 Hardware structure of mine-used low-voltage leakage protection device

2.1 信号调理电路

信号调理电路如图3所示。电路信号输入端口使用滤波电容和钳位二极管进行保护，信号输出端口使用电容滤波抑制差模干扰和共模干扰。为减小信号衰减、增强抗干扰能力，采用高精度的TV1005-1M型微型精密交流电压互感器CT1，CT2进行隔离。

图3 信号调理电路Fig.3 Signal conditioning circuit

2.2 数据采集处理电路

数据采集处理电路如图4所示。电能计量芯片CS5463与处理器LPC1768通过SPI总线通信，数据总线与复位信号、中断信号之间分别使用磁耦ADUM1401，ADUM1201进行隔离。

2.3 执行电路

执行电路如图5所示。LPC1768通过模拟SPI时序将控制命令送至移位寄存器74HC595。为确保继电器可靠动作，使用达林顿管ULN2004驱动继电器。74HC595与ULN2004之间使用光耦PC817进行隔离，降低外部干扰对电路的影响。为防止上电造成74HC595误输出，74HC595使能控制引脚上拉，同时LPC1768控制引脚在完成初始化后与74HC595使能控制引脚连接。

图4 数据采集处理电路
Fig.4 Data acquisition and processing circuit

图5 执行电路Fig.5 Execution circuit

2.4 人机交互电路

人机交互电路包括按键输入电路和液晶接口电路，如图6所示。图6(a)中，外部按键经光耦PC817B隔离后接入移位寄存器74HC165，LPC1768通过读取74HC165引脚状态来识别按键状态。图6(b)中，LPC1768通过串口将数据以TTL信号方式传输至液晶屏；逻辑芯片74HC14对信号进行缓冲、整形；LPC1768通过I/O引脚控制MOS管Q2，实现对液晶屏电源的控制。

(a) 按键输入电路

(b) 液晶接口电路

3 装置软件设计

矿用低压漏电保护装置软件由主程序、漏电保护子程序、人机交互子程序组成：主程序负责硬件初始化和子程序调度；漏电保护子程序负责零序电压和零序电流幅值与相位差计算、故障判断、动作执行；人机交互子程序负责参数整定和实时数据显示。其中漏电保护子程序流程如图7所示。

图7 漏电保护子程序流程Fig.7 Leakage protection subprogram flow

漏电保护子程序中零序电压和零序电流幅值与相位差计算过程如下。

(1) 幅值计算。电压、电流信号有效值分别达到零序电抗器、零序电流互感器输出侧最大值时，CS5463电压、电流通道管脚电压和CS5463电压、电流有效值寄存器数据出现最大值，此时得到电压、电流信号有效值与CS5463电压、电流有效值寄存器数据之间的对应关系，据此即可计算出信号幅值。

(3)

式中：Ur为零序电抗器输出信号有效值；Urms为CS5463电压有效值寄存器数据；UM为Ur最大值；Ui为CS5463电压通道输入信号最大值；D为校正比例，取D=1/4[12]；Ir为零序电流互感器输出信号有效值；Irms为CS5463电流有效值寄存器数据；IM为Ir最大值；Ii为CS5463电流通道输入信号最大值。

(2) 相位差计算。根据CS5463功率因数寄存器数据λ计算零序电压、零序电流之间相位差：

(4)

根据无功功率寄存器数据Q确定零序电压、零序电流的相位差：Q>0，表明零序电流滞后零序电压；Q<0，表明零序电流超前零序电压。

4 仿真验证

根据图1搭建Simulink仿真模型，设置R1=R2=R3=20 MΩ，R=RD=1 kΩ，L=7.992 H，仿真时长为0.1 s，0.02 s时发生单相接地故障。当模型分别处在过补偿、欠补偿、全补偿状态时，以零序电压相位为基准，仿真计算得到故障支路、非故障支路零序电流与零序电压相位差，见表1(数据小于0表示零序电流超前零序电压；数据大于0表示零序电流滞后零序电压)。

表1 零序电流与零序电压相位差仿真结果Table 1 Simulation results of phase difference between zero-sequence current and zero-sequence voltage

从表1可看出，模型处在不同补偿状态时，非故障支路零序电流均超前零序电压90°左右；当模型处于过补偿状态时，故障支路零序电流超前零序电压大于90°；当模型处于欠补偿状态时，故障支路零序电流滞后零序电压大于90°；当模型处于全补偿状态时，故障支路零序电流与零序电压相位相反。仿真结果与理论分析所得故障选线判据一致。

5 试验验证

为测试矿用低压漏电保护装置在谐波干扰条件下的测量精度，使用NR802微机继电保护测试仪进行谐波干扰测试。由于电网中的电气信号以基波及奇次谐波为主[13-14]，施加干扰为奇次谐波，且奇次谐波幅值与基波幅值之比等于谐波次数的倒数[15]。测试结果见表2。

表2 谐波干扰测试结果Table 2 Harmonic interference test results

从表2可看出，保护装置相位测量偏差小于4°，幅值测量相对误差小于5%，动作时间满足MT 871—2011《矿用防爆低压交流真空馈电开关》中主电路漏电保护动作时间小于50 ms的要求。

为测试保护装置的可靠性，使用1 140 V漏电保护综合试验台(图8)进行试验。

设置零序电抗器并联电阻、过渡电阻为1 kΩ。过补偿和欠补偿状态下，在电源侧投入过渡电阻模拟单相接地故障时，保护装置测量结果为非故障支路零序电流与零序电压相位差，负荷侧投入过渡电阻模拟单相接地故障时，保护装置测量结果为故障支路零序电流与零序电压相位差，见表3。可看出在过补偿与欠补偿状态下，保护装置均能可靠动作。