基于零序功率方向的选择性漏电保护系统

·24·
煤 矿 机 电
2006年第 1期
基于零序功率方向的选择性漏电保护系统
王彦文 ,王念彬 ,杨秀强 ,邢强
(中国矿业大学 , 北京 100083)
摘 要 : 在分析现有漏电保护装置存在问题的基础上 ,提出一种以 DSP处理器为核心的基于零 序功率方向的矿井低压电网选择性漏电保护系统 ,并重点讨论了该系统的工作原理 、硬件结构 、软 件设计 。经现场运行 ,实现了漏电保护的快速性 、选择性和准确性 。 关键词 : 零序功率 ; 选择性 ; 漏电保护 ; DSP 中图分类号 : TD611+ . 5; TP31 文献标识码 : B 文章编号 : 1001 - 0874 (2006) 01 - 0024 - 04
1 问题的提出
漏电是煤矿井下低压电网的主要故障形式之 一 ,约占其总故障的 70%左右 ,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 。为确 保人身安全 ,减少因漏电引起的瓦斯 、煤尘爆炸的危 险性 ,《煤矿安全规程 》第四百五十七条规定 : 井下 低压馈电线上 ,必须装设检漏保护装置或有选择性 的漏电保护装置 ,保证自动切断漏电的馈电线路 。
式中 : R0 —变压器人为中性点接地电阻 ;
R+ r′—电网对地的零序电阻 , r′=
1 j XC
+ 3R0
;
R
+j 1 XC
+ 3R0
XC1 —电网对地的容抗 。
零序电压为 :
·
·
U0
= - UA Z0 3RR + Z0
·
式中 : UA —电源的相电压 ;
RR —人身触电电阻 。
零序电流为 :
( 2) 故障支路零序电压 、零序电流的计算 我国煤矿井下变压器中性点是不接地系统 , 漏 电保护装置中不会取到零序电压 , 其选择性漏电保 护装置也就不可靠 。现采用人为中性点 , 把人为中 性点可靠的接在防爆外壳的内壁上 。人为中性点经 电阻接地 ,其影响与变压器中性点经电阻接地是一 样的 。若它们的零序电阻值相同 , 那么在这两种情 况下的人身触电电流值完全一样 。如图 1所示的供 电系统中 ,一旦发生了人身触电事故 , 如触及 A 相 带电导体 ,便有电流通过人身 ,并经过其它两相绝缘 电阻 RB 、RC 和电容 CB 、CC 构成电流通路 。由于 A 相的绝缘电阻 RA 和电容 CA 与人身电阻 RR 并联 , 各相对地阻抗不再相同 , 各相对地电压也就不再对 称 ,变压器中性点与地之间就出现了相位差 U0 , 亦 即零序电压 。此时 ,该电网每相的零序电抗 Z0 为绝 缘电阻 R 和电容电抗 XC1并联以后的数值 。
DSP运算处理板是以 TM S320F206 DSP芯片为
© 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net
·26·
煤 矿 机 电
Se lec tive Leakage P ro tec tive System B a sed on Ze ro Sequence Pow e r D irec tion
WAN G Yan2w en, WAN G N ian2bin, YAN G X iu2qiang, X IN G Q iang
目前 , 我国煤矿井下广泛采用 JY82、JJKB30、 U71、TEL2M、dvr147522等型漏电保护装置 ,其工作 原理分为附加直流电源检测型 、零序电压型 、零序电 流型及零序电流方向型 。由于大多数漏电保护装置 都是采用单一原理构成 ,故都存在着不同的缺点 :附 加直流电源检测型的动作无选择性 ,即当电网中任 何一点发生漏电故障时 ,均会使总馈电开关跳闸 ,造 成全电网停电 ,扩大了停电范围 ;零序电压型的动作
始化程序 、中断程序和数据处理程序三大部分 。初 始化程序是设定 DSP芯片工作状态的重要步骤 ,只 有正确进行 DSP芯片的初始化 ,才能保证芯片的正 确运行 ;中断程序分为定时器中断程序和通用 I/O 中断程序 ,其中定时器中断程序控制 A /D 转换器采 样速率 ,通用 I/O 中断程序控制 DSP与数据显示板 之间的通讯 ;数据处理程序用来对 A /D 转换器采集 的数据进行计算和故障判断 ,当发生故障时 ,触发继 电器动作 。在编程上采用汇编语言与 C 语言相结 合的混合编程的方法 ,最大限度的利用 DSP芯片的 运算源 。主程序流程见于图 4所示 。
2 保护系统原理
(1) 零序功率方向的保护原理 该保护原理主要是结合了零序电压保护 、零序
© 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net
2006年第 1期
·
·
·
I0
= U0 Z0
=-
UA
3RR + Z0
零序电流
·
I0 超前于零Βιβλιοθήκη Baidu电压
·
U0
,
角度为
φ 0
:
φ 0
= a rc tg
1
3RRωC1 +ω1C1
3RR r′2
+
1 r′
·
由此 ,可以计算出供电系统的零序电压 U0 、零
序电流
·
I0 、和相位差
φ 0
,
从而
设定
漏电保护
系统
的
整定值 。
3 保护系统基本组成
母板可以插 CT / PT信号调理板 、DSP运算处理 板 、继电器输出板和一个电源板 ,并且提供外接的电 源接口 、通讯接口 、面板电源接口等 。
(2) 人机交互系统 人机交互系统由一块液晶显示屏 、按键 、系统运 行状态灯组成 ,用单片机编制显示程序 。可实时轮 流显示系统中每块 DSP板中的零序电压值和各支 路零序电流值 ,一旦某条支路发生漏电故障 ,液晶显 示屏就会显示某条支路漏电保护动作 ,同时故障灯 和保护灯会点亮 ,直到故障解除 ,系统恢复正常运 行 ;同时又具有复位 /关闭某条支路 、修改整定值 、修 改增益等具体的功能 。
电阻值不稳定 ,当电网三相绝缘电阻对称下降时 ,保 护拒动 ,而且在单相漏电时动作无选择性 ;零序电流 型尽管在单相漏电时动作有选择性 ,但动作电阻值 仍不稳定 ,且当电网支路较少时 ,易产生误动作 ;零 序电流方向型虽然可以利用故障支路 、非故障支路 的零序电流大小和方向不同区分故障支路和非故障 支路达到选择性保护的目的 ,但也存在着动作电阻 值不稳定 ,并需要有足够大小的零序电流才能保护 动作 。为此 ,特提出一种基于零序功率方向的矿井 低压电网选择性漏电保护系统 。这种系统结合了上 述四种漏电保护原理的优点 ,既能可靠实现井下单 相漏电时的选择性保护功能 ,又能保证电网对称漏 电时保护动作电阻值的稳定性 。本文重点介绍该系 统的原理和软 、硬件设计 ,供探析和讨论 。
图 1 人为中性点经电阻接地时发生人身触电时的供电 系统图
该电网的零序阻抗为 :
Z0
=
1
1r′+
j1 XC1
图 2 下位机系统结构图
CT / PT信号调理板的基本任务是将零序电流互 感器和零序电压互感器输出的电流信号和电压信号 转换成可供 DSP直接处理的电压信号 ,且进行必要 的信号调理 、放大 、滤波等工作 。
2006年第 1期
核心的智能化模板 ,见图 3 所示 。其输入信号是电 网中被监测支路的零序电压 、零序电流 ,输入信号经 放大 ( TL064)和 A /D (MAX125)转换后送入 DSP芯 片 ( TM S320F206)中 ,由 DSP 芯片进行数字信号的 处理 、运算 ,对当前状态进行判断等操作 ,通过 RS2 485接口将数据传送给显示面板 ,实现人机对话 ,可 方便查找和排除故障 。DSP 运算处理板上设有 16 路输入通道同步采样的 14 位 A /D ,带隔离的 16 路 开关量输出通道 ,供用户使用 。 16 路 A /D 通道分 为 A /B 两组 ,每组各 8 路 ,并予同步采样 。A 组的 启动由 DSP片内的定时器自动完成 ,不需软件启动 命令 。B 组的 8路需要软件发启动命令 。板上有 4 个异步串行通信 RS2232 /485口 ,可提供给用户用于 通讯 。
4 下位机软件的设计
下 位机软件的设计主要就是 DSP编程 ,分为初
图 4 主程序流程图
5 抗干扰措施
煤矿井下存在着各种干扰源 ,如向机车提供直 流电能的晶闸管通断则会产生周期性干扰 ;高低压 真空接触器 、断路器的频繁分合则会产生随极性干 扰 ;井下接地线和铁轨中存在着杂散电流干扰以及 载波通信的空间干扰等 。针对上述干扰源 ,本系统 采用了相应的抗干扰措施 :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 ,采用了光电隔离 、模拟地与数字地分开等 措施以消除电磁干扰 ;在软件设计中 ,采用了双循环 去极值数字滤波技术以消除系统中的随机干扰 。此 外 ,还设计了软硬件相结合的“看门狗 ”电路 ,以提 高系统工作的可靠性 。
图 3 D SP运算处理板结构图
继电器输出板考虑到 DSP板的开关量输出虽 可驱动 200mA 负载 ,但由于所控制的断路器 、接触 器型号不同 ,按其分励线圈 、失压线圈 、控制线圈等 参数差异较大而制作 。为可靠起见 ,继电器采用了 日本松下公司生产的专用高级继电器 ,并配合独特 的熄弧 、灭弧技术 ,保证了极强的抗干扰能力 。
煤 矿 机 电
·25·
电流保护 、零序电流方向的保护原理 ,不仅利用零序 电压和零序电流的幅值大小判断供电系统内是否发 生漏电和哪条支路发生漏电 ,同时还利用了各支路 零序电压和零序电流的相位关系来判断漏电支路 。 这样做既达到了很好的选择性的目的 ,又能利用三 重判断很好的防止了误动作 。系统首先判断零序电 压 U0 是否超出动作整定值 U0dz; 若超出 , 则要判断 每条支路的零序电流 I0 是否超出该支路动作整定 值 I0dz; 若还超出 , 则再判断零序电流与零序电压的 相位差 sinΦ0 正负 :如果为正 ,便判断零序功率 P0 = U0 I0 sinΦ0 是否超出该支路动作整定值 P0dz; 如果前 面四个条件都满足 ,则可判断该支路必定发生漏电故 障 ,进行漏电保护动作。
主要由下位机和人机交互系统两部分组成 。因 整个漏电保护系统要监控的支路较多 ,系统的数据 处理量较大 ,为了提高数据处理能力 ,缩短保护的动 作时间 ,故选用 DSP (数字信号处理器 )作为整个系 统的数据处理核心 。
(1) 下位机系统 下位机系统主要由 CT / PT信号调理板 、DSP运 算处理板 、继电器输出板和母板组成 。详见图 2 所 示。
(China University of M ining and Technology, Beijing 10083, China)
Ab s tra c t: On the basis of analyzing the p roblem s existed in the existing leakage p rotective equipment, the selective leakage p rotective system for m ine low2voltage electric network taking DSP p rocessor as core and based on zero sequence power direction is p resented in this paper. The operating p rincip le, hardware structure and software design of the system are emphatically discussed. The system realizes the rap idity, selectivity and accuracy of leakage p rotection by spot running. Ke ywo rd s: zero sequence power; selectivity; leakage p rotection; DSP