（電力電子與電力傳動(dòng)專業(yè)論文）礦井低壓供電系統(tǒng)選擇性漏電保護(hù)理論及其應(yīng)用研究.pdf

遼寧工程技術(shù)大學(xué)碩士學(xué)位論文 a b s tr a c t t h es e l e c t i v i t y1 e a k a g ep r o t e c t i v es y s t e mc a ng i v eo u ta l a r m i n gs i g n a l o rc u to f ft h ef a u l tb r a n c h e ss e l e c t i v e l yw h e nt h el e a k a g ef a u l th a p p e n s ， a n dt h en o n f a u l tb r a n c h e sa r ew o r k i n gn o r m a l l y i tc a nr e d u c et h ep o w e r o f f r a n g ea n db ef a c i l i t a t et ol o o kf a rt h ef a u l t ，s h o r t e nt h ed o w e r o f ft i m e ， a n dr a i s et h er e l i a b i l i t yo fp o w e rd i s t r i b u t i o n b a s e do nt h ea c t u a ll e a k a g e p r o t e c t i o ns y s t e mf o ru n d e r g r o u n dl o wv o l r a g e d i s t r i b u t i o nn e t w o r k s ，t h isp a p e ra d v a n c ean e ws c h e m ew h i c h b a s e do n a d d i t i o n a ld cp o w e rs u p p l ya n dd i r e c t i o no fz e r o s e q u e n c ep o w e r ，a n d p i c l 6 f 8 7 7 ai st h ec o r e a n di n t r o d u c et h er e a l i z a t i o no fp r o t e c t i o nd e v i c e b a s e do nt h i sn e ws c h e m e t h i sd e v i c eu s et h ep r i n c i p l eo fa d d i t i o n a ld cp o w e r s u p p l yi nm a i nf e e d i n gs w i t c h ，a n du s et h ep r i n c i p l eo fd i r e c t i o no fz e r o s e q u e n c ep o w e ri nb r a n c hf e e d i n gs w i t c h i tc a ni m p r o v ea c t i o nc a p a b i l i t y o fl e a k a g e p r o t e c t i o nf o rl o wv o l t a g ed i s t r i b u t i o nn e t w o r k s ，c o n s e q u e n t l y i m p r o v es e c u r i t yo fu n d e r g r o u n dw o r k k e yw o r d s ：p i c l 6 f 8 7 7 a ，s e l e c t i v i t y ，l e a k a g e p r o t e c t i o n ，u n d e r g r o u n dl o w v o l t a g ed i s t r i b u t i o nn e t w o r k s ，z e r os e q u e n c ep o w e r ( t h es c i e n c ep r o j e e to fk a i l u a nq i a n j i a y i n gm i n e ) 遼寧工程技術(shù)大學(xué)碩士學(xué)位論文 創(chuàng)新點(diǎn)聲明 本人聲明所呈交的學(xué)位論文是我個(gè)人在導(dǎo)師指導(dǎo)下進(jìn)行的研究工 作及取得的研究成果：叢贏健能皇丘扭p - i l 魚(yú)曼曼王z _ a 為主塞撞劁望曩 爨訪= f = = 矜蕕型造舞熊通史保萎裝萋 簡(jiǎn)熊z 焦巰擐按裝置艘馀熊，一曩 叢煎盞蓑王低匡電網(wǎng)撮魚(yú)儡按鮑魚(yú)往蛙熊 盡我所知，到目前國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)未見(jiàn)報(bào)道。 作者：絲逾逾日期：2 q q 生! 旦g 旦 遼寧工程技術(shù)大學(xué)碩士學(xué)位論文 1 1 緒論 1 1 選題背景 漏電保護(hù)是保證煤礦井下安全供電的三大保護(hù)1 】( 過(guò)流保護(hù)、漏電 保護(hù)和保護(hù)接地) 之一，是防止人身觸電的重要措施。本文是針對(duì)開(kāi)灤 集團(tuán)錢家營(yíng)礦業(yè)分公司低壓供電系統(tǒng)的漏電保護(hù)而設(shè)計(jì)的。 我國(guó)礦井下的工作環(huán)境比較潮濕，相對(duì)濕度往往高達(dá)9 5 以上，為 此，對(duì)其使用的電氣設(shè)備和電纜的絕緣提出較高的要求。盡管如此，運(yùn) 行中的電氣設(shè)備及其供電電纜，由于工作環(huán)境惡劣，漏電現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生。 因此，裝設(shè)漏電保護(hù)裝置對(duì)礦井安全生產(chǎn)尤為重要【2j 【3 1 。主要體現(xiàn)在： ( 1 ) 防止漏電流引燃瓦斯和煤塵 當(dāng)空氣中的瓦斯?jié)舛仍? 15 ，氧氣濃度適當(dāng)，并遇上點(diǎn)火源 時(shí)，便會(huì)引起爆炸。電纜與其他井下電氣設(shè)備相比更易受損。當(dāng)電纜受 損后，由于絕緣被破壞，便有漏電流。漏電流就有可能成為點(diǎn)火源。由 于瓦斯的可能點(diǎn)燃能量很低，僅為0 2 8 m j 。因此，及時(shí)有效的漏電保 護(hù)裝置可降低漏電流引燃瓦斯、煤塵的可能性。 ( 2 ) 防止漏電流引爆電氣雷管 漏電流可能會(huì)造成電氣雷管的引爆，并造成重大事故。由于一般引 爆電氣雷管的電流( 大于3 0 0 m a ) 大于人身觸電安全電流，因此，滿足人 身觸電無(wú)傷亡要求的漏電保護(hù)必然能防止漏電流引爆電氣雷管。 ( 3 ) 防止漏電流燒損電氣設(shè)備 對(duì)于高壓電路，由于電網(wǎng)分布電容大、電壓高、漏電流大。因此， 漏電流的長(zhǎng)期存在可燒毀電氣設(shè)備。尤其是橡膠電纜，如果單相漏電 故障不及時(shí)處理，則其漏電流可能會(huì)使電纜的絕緣受損而發(fā)展 成兩相短路，使故障事態(tài)擴(kuò)大。對(duì)低壓電路，由于漏電流小，一般漏電 流不能直接燒毀電氣設(shè)備。但是由于漏電流長(zhǎng)期存在，電氣設(shè)備局部發(fā) 熱使其絕緣局部老化加劇，必將大大縮短電氣設(shè)備的壽命，而漏電保護(hù) 則使電網(wǎng)不可能長(zhǎng)時(shí)間地存在漏電流。因此，可有效地防止漏電流燒損 電氣設(shè)備。 遼寧工程技術(shù)大學(xué)碩士學(xué)位論文2 1 2 選擇性漏電保護(hù)的發(fā)展現(xiàn)狀 漏電保護(hù)的主要目的是通過(guò)切斷電源的操作來(lái)防止人身觸電傷亡 和漏電電流引爆瓦斯煤塵。我國(guó)對(duì)漏電保護(hù)的研究是從煤礦井下低壓電 網(wǎng)的漏電保護(hù)開(kāi)始的，至今已有四十余年的歷史。四十年的實(shí)踐證明， 它對(duì)我國(guó)礦井安全供電發(fā)揮了巨大的作用。它已成為我國(guó)礦井安全供電 的不可缺少的組成部分。正因?yàn)樗诎踩╇姺矫孀饔弥卮?，因此，?電保護(hù)已陸續(xù)在各行各業(yè)的供電網(wǎng)中安家落戶。 早在2 0 世紀(jì)3 0 年代，英國(guó)就在磁力啟動(dòng)器中裝設(shè)了漏電保護(hù)裝置， 但這種漏電保護(hù)裝置只適用于變壓器中性點(diǎn)直接接地的供電系統(tǒng) 4 】。 由于變壓器中性點(diǎn)直接接地供電系統(tǒng)在供電安全方面顯示出它的一些 弱點(diǎn)，這種供電系統(tǒng)后來(lái)在礦井電網(wǎng)中被逐漸淘汰。1 9 4 9 年，前蘇聯(lián) 開(kāi)始研制中性點(diǎn)不接地供電系統(tǒng)使用的漏電保護(hù)裝置( p y b 型防爆漏電 繼電器) ，采用的是附加直流源的原理。同時(shí)，西德、波蘭、日本等國(guó) 也先后開(kāi)發(fā)出適合于本國(guó)礦井供電系統(tǒng)的漏電保護(hù)裝置。 我國(guó)在2 0 世紀(jì)5 0 年代初，引進(jìn)了蘇聯(lián)的漏電保護(hù)裝置，并在礦井 中推廣應(yīng)用。同時(shí)進(jìn)行了仿制，形成j y 8 2 型隔爆檢漏繼電器產(chǎn)品，一 直延用到8 0 年代末，甚至有的礦井現(xiàn)在還在使用。隨著煤炭生產(chǎn)機(jī)械 化程度的提高，這種產(chǎn)品就逐漸不能適應(yīng)生產(chǎn)的要求。因此，6 0 年代 我國(guó)自行設(shè)計(jì)和生產(chǎn)了j l 8 0 ，j l 8 2 型隔爆檢漏繼電器。7 0 年代又研制 生產(chǎn)了j j k b 3 0 型隔爆檢漏繼電器，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和礦井電網(wǎng)電 壓等級(jí)的升高，我國(guó)自行研制了多種類型的漏電保護(hù)裝置。 選擇性的漏電保護(hù)是指當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生漏電故障時(shí)，能夠有選擇地發(fā)出 故障信號(hào)或切斷故障支路電源。選擇性漏電保護(hù)系統(tǒng)是漏電保護(hù)技術(shù)的 發(fā)展趨勢(shì)，是防止人身觸電的重要保護(hù)措旋。它可以保證只切除漏電故 障線路和設(shè)備，非故障部分繼續(xù)工作，減小故障停電范圍，而且便于尋 找漏電故障，縮短漏電停電時(shí)間，提高供電的可靠性。選擇性漏電保護(hù) 作為一門綜合性學(xué)科隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步在不斷地發(fā)展。 1 3 課題研究意義 我國(guó)煤礦井下低壓電網(wǎng)的中性點(diǎn)全部為不接地方式，漏電是井下低 遼寧2 2 程技術(shù)太學(xué)碩士學(xué)位論文 3 壓電網(wǎng)的主要故障形式之一：約占其總故障的7 0 左右，它不但會(huì)導(dǎo)致 人身觸電事故，還會(huì)形成單相接地，進(jìn)而發(fā)展成為相問(wèn)短路，由此引發(fā) 的電弧會(huì)造成瓦斯和煤塵爆炸。 漏電保護(hù)的原理和裝置的種類較多，但從適用于井下低壓電網(wǎng)的漏 電保護(hù)原理來(lái)看，目前主要有以下幾種：旁路接地式保護(hù)原理、附加直 流源檢測(cè)保護(hù)原理、零序電壓保護(hù)原理、零序電流大小及零序電流方向 保護(hù)原理”j 。前三種保護(hù)原理為非選擇性漏電保護(hù)，供電電網(wǎng)的任何地 方出現(xiàn)漏電故障，保護(hù)裝置即動(dòng)作并切除整個(gè)工作面電網(wǎng)，且無(wú)法確定 故障支路。后兩種保護(hù)原理為選擇性漏電保護(hù)，可以判斷出故障支路， 有選擇地將故障支路切除【6 】。但是，隨著礦井規(guī)模的擴(kuò)大，供電系統(tǒng) 復(fù)雜性的提高，對(duì)漏電保護(hù)提出了更高的要求。 開(kāi)灤集團(tuán)錢家營(yíng)礦業(yè)分公司煤礦井下低壓供電系統(tǒng)中所使用的漏 電保護(hù)裝置，多數(shù)采用附加直流電源原理，每個(gè)采區(qū)變電所或移動(dòng)變電 站設(shè)一個(gè)檢漏裝置，無(wú)論電網(wǎng)中何處發(fā)生漏電故障，都能使檢漏裝置動(dòng) 作，導(dǎo)致整個(gè)工作面停電，無(wú)選擇性，且不易尋找故障點(diǎn)，嚴(yán)重影響礦 井的安全生產(chǎn)。 因此，研究選擇性漏電保護(hù)理論與技術(shù)出用對(duì)礦井安全生產(chǎn)具有重 要意義。 1 4 本文的主要研究?jī)?nèi)容及工作任務(wù) 本論文的研究對(duì)象是井下中性點(diǎn)不接地的低壓電網(wǎng)系統(tǒng)，研究重點(diǎn) 主要放在發(fā)生單相漏電故障時(shí)。通過(guò)對(duì)中性點(diǎn)不接地低壓電網(wǎng)的漏電分 析，提出了基于附加直流電源檢測(cè)和零序功率方向的漏電保護(hù)新判據(jù)。 將選擇性漏電保護(hù)理論應(yīng)用于漏電保護(hù)裝置之中。根據(jù)實(shí)驗(yàn)室條件進(jìn)行 了漏電保護(hù)原理的實(shí)驗(yàn)。 本文設(shè)計(jì)了選擇性漏電保護(hù)裝置的硬件電路。采用模塊化設(shè)計(jì)思 想。分為模擬量輸入輸出模塊、中央處理模塊、開(kāi)關(guān)量輸入輸出模塊、 人機(jī)接口模塊、通訊模塊、絕緣監(jiān)視模塊及外部漏電保護(hù)模塊。 本裝置軟件部分采用層次化設(shè)計(jì)方法，是實(shí)時(shí)多任務(wù)管理系統(tǒng)。軟 件的總體結(jié)構(gòu)分為應(yīng)用層、基礎(chǔ)功能層、管理調(diào)度層和硬件驅(qū)動(dòng)層等四 件的總體結(jié)構(gòu)分為應(yīng)用層、基礎(chǔ)功能層、管理調(diào)度層和硬件驅(qū)動(dòng)層等四 遼寧工程技術(shù)大學(xué)碩士學(xué)位論文 1 級(jí)。各個(gè)功能層之間功能彼此獨(dú)立，由統(tǒng)一的調(diào)度程序來(lái)完成對(duì)各個(gè)功 能模塊的調(diào)度任務(wù)，并且當(dāng)要求改變程序優(yōu)先級(jí)時(shí)，只需對(duì)調(diào)度程序進(jìn) 行部分改動(dòng)就可以，大大的增強(qiáng)了程序的靈活性。 遼寧工程技術(shù)大學(xué)碩士學(xué)位論文5 2 井下低壓電網(wǎng)的漏“電分析 在電力系統(tǒng)中，當(dāng)帶電導(dǎo)體對(duì)大地的絕緣阻抗降低到一定程度，使 經(jīng)該阻抗流入大地的電流增大到一定程度，我們就說(shuō)該帶電導(dǎo)體發(fā)生了 漏電故障，或者說(shuō)該供電系統(tǒng)發(fā)生了漏電故障。 2 1井下低壓供電系統(tǒng)的基本特點(diǎn) 當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生漏電故障時(shí)，原來(lái)三相對(duì)稱的運(yùn)行狀態(tài)就要發(fā)生變化， 絕大部分情況下其對(duì)地的對(duì)稱性遭到破壞，因而各相對(duì)地電壓不再對(duì) 稱，并產(chǎn)生零序電壓和零序電流17 】。運(yùn)用對(duì)稱分量法、節(jié)點(diǎn)電壓法及戴 維南定理等理論，可以對(duì)井下低壓6 6 0 v 供電系統(tǒng)發(fā)生漏電時(shí)的狀態(tài)進(jìn) 行深入的定量分析，分析的結(jié)果將為設(shè)計(jì)完善可靠的漏電保護(hù)系統(tǒng)提供 理論根據(jù)。同樣的分析方法，也適用于中性點(diǎn)絕緣的低壓3 8 0 v 、1 1 4 0 v 和6 1 0 k v 高壓電網(wǎng)。目前我國(guó)煤礦井下廣泛使用的低壓供電系統(tǒng)有 以下特點(diǎn)： 2 1 1 變壓器的運(yùn)行方式 目前應(yīng)用較廣泛的煤礦井下低壓電網(wǎng)中性點(diǎn)的接地方式有兩種。中 國(guó)、美國(guó)、德國(guó)等國(guó)家采用變壓器中性點(diǎn)絕緣的運(yùn)行方式，其最大特點(diǎn) 是比較安全，漏電電流小，但對(duì)保護(hù)裝置的靈敏度要求較高；英國(guó)和印 度、澳大利亞等英聯(lián)邦成員國(guó)，大都采用變壓器中性點(diǎn)經(jīng)高電阻接地的 運(yùn)行方式，其特點(diǎn)是漏電電流稍大，不利于安全，但對(duì)保護(hù)裝置的靈敏 度要求不高，因而保護(hù)裝置的可靠性較高。這種接地方式發(fā)生漏電時(shí)的 理論分析與結(jié)果都與中性點(diǎn)絕緣系統(tǒng)類似。一般工礦企業(yè)的地面電壓， 由于環(huán)境條件較好和要兼顧照明等原因，都采用中性點(diǎn)直接接地的運(yùn)行 方式。 在中性點(diǎn)直接接地的低壓電網(wǎng)中，人若觸及一相帶電導(dǎo)體，人體將 承受相電壓，此時(shí)通過(guò)人體的電流由公式i 。= 巧。3r 。決定。取人體電 阻為1 0 0 0q ，對(duì)于線電壓為66 0 v 的電網(wǎng)，通過(guò)人體的電流為3 8 0 m a ， 遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)安全電流的規(guī)定，所以是非常危險(xiǎn)的。 在中性點(diǎn)直接接地的電網(wǎng)中，若發(fā)生單相接地，便形成單相接地短 路，短路電流很大，短路點(diǎn)將產(chǎn)生一個(gè)大電弧，如果在井下，就足以引 遼寧工程技術(shù)大學(xué)碩士學(xué)位論文 起瓦斯、煤塵爆炸。 鑒于以上原因，我國(guó)煤礦安全規(guī)程第4 0 9 條規(guī)定：井下配電變 壓器不得中性點(diǎn)直接接地，但專供架線電機(jī)車交流設(shè)備用的專用變壓 器，不受此限；由地面中性點(diǎn)直接接地的變壓器或發(fā)電機(jī)不得直接向井 下供電。 2 1 2 井下低壓供電單元 井下低壓電網(wǎng)雖然要使用多臺(tái)動(dòng)力變壓器，而且它們的高壓側(cè)必然 是數(shù)臺(tái)聯(lián)在一起的，即由一回6 1o k v 電纜給數(shù)臺(tái)動(dòng)力變壓器供電， 但各變壓器的低壓側(cè)卻彼此無(wú)直接的電聯(lián)系，即采用分裂運(yùn)行方式。過(guò) 去在特定的情況下，有采用兩臺(tái)變壓器并聯(lián)運(yùn)行的，但由于這種運(yùn)行方 式有短路電流大、保護(hù)設(shè)置整定困難、電網(wǎng)對(duì)地阻抗低以及故障停電范 圍大等缺點(diǎn)，故至今已基本上被淘汰。 整個(gè)井下低壓電網(wǎng)由多個(gè)相對(duì)獨(dú)立的供電單元所組成，它們各自是 一個(gè)獨(dú)立的小供電系統(tǒng)，由一臺(tái)動(dòng)力變壓器和若干低壓饋電開(kāi)關(guān)、起動(dòng) 器、礦用電纜、電動(dòng)機(jī)等用電設(shè)備所組成。在低壓的范圍內(nèi)，各供電單 元間無(wú)任何電聯(lián)系。就漏電保護(hù)而言，只要對(duì)個(gè)供電單元能設(shè)置一完 善的漏電保護(hù)系統(tǒng)，則整個(gè)井下低壓電網(wǎng)的漏電保護(hù)都可類此解決。 2 1 3 礦井低壓電網(wǎng)電壓等級(jí) 其中6 6 0 v 是現(xiàn)今應(yīng)用最廣泛最普遍的電壓，無(wú)論是炮采、普采、 高檔普采及綜采都在大量使用6 6 0 v 電網(wǎng)供電 8 1 。38 0 v 在6 0 年代以前 是我國(guó)井下唯一的動(dòng)力電壓( 低壓) 級(jí)，但隨著7 0 年代以來(lái)機(jī)械化采 煤的發(fā)展和用電設(shè)備單機(jī)容量的增大，38 0 v 電網(wǎng)己逐步被6 6 0 v 和 1 1 4 0 v 電網(wǎng)所替換，目前僅在一些地方煤礦和少數(shù)采用炮采工藝的國(guó)營(yíng) 煤礦使用。114 0 v 電網(wǎng)僅用于綜合機(jī)械化采煤機(jī)組，但全礦井下要實(shí)現(xiàn) 統(tǒng)一的低壓1 1 4 0 v 供電還有一定的困難，而且其必要性也尚有爭(zhēng)議。 2 1 4井下低壓供電系統(tǒng)的電氣模型 在組成低壓電網(wǎng)的電纜中，大部分是橡套電纜，僅對(duì)長(zhǎng)期固定不動(dòng) 的用電設(shè)備，才使用鎧裝電纜。由于電纜對(duì)地電容較大，所以在對(duì)井下 低壓供電單元的漏電分析中，就不能忽略對(duì)地電容這一參數(shù)。電網(wǎng)對(duì)地 遼寧工程技術(shù)大學(xué)碩士學(xué)位論文7 電容越大，人身觸電電流也越大。實(shí)際上電網(wǎng)的各相對(duì)地電容是分布電 容，沿線路全長(zhǎng)都存在但在理論分析中為了簡(jiǎn)便起見(jiàn)，都是將它們集中 起來(lái)，作為集中性電容處理，相當(dāng)于線路各相對(duì)地分別連接了一個(gè)相等 的電容。線路各相對(duì)地的絕緣電阻也是同樣的方法處理為集中性電阻。 這種處理方法的根據(jù)是：當(dāng)進(jìn)入大地后，所有的分布參數(shù)便按相并聯(lián)起 來(lái)了，在忽略很小的大地和線路本身的阻抗后，便成為各相的集中性參 數(shù)。一般用c 和，來(lái)表示電網(wǎng)每相對(duì)地的電容和絕緣電阻，對(duì)于6 6 0 v 電網(wǎng)，c 的數(shù)值范圍為0 1pf ，的數(shù)值范圍為6 0 3 0 0 kq 。如圖所 示為錢家營(yíng)礦井下低壓供電單元電氣模型。 o q a 一低壓開(kāi)關(guān)q c 一磁力起動(dòng)器 圖2 1 錢家營(yíng)礦井下低壓供電單元的電氣模型 圖中動(dòng)力變壓器t 的變比為6 10 k v 0 6 9 k v ，容量約為5 0 5 0 0 k v a ；由低壓總開(kāi)關(guān)1 q a 控制了三個(gè)分組開(kāi)關(guān)，其中5 q a 所轄為一 單純放射式，2 q a 、4 q a 所轄為一經(jīng)干線w 11 后的放射式，3 q a 所轄 為一單純干線式。整個(gè)供電單元由變壓器t 、低壓饋電開(kāi)關(guān)1 5 q a 、 磁力起動(dòng)器1 l0 q c 、各段電纜線路以及供電末端的各電動(dòng)機(jī)( 未畫(huà)出) 所構(gòu)成。 2 2井下低壓電網(wǎng)的漏電分析 由于三相電源的中性點(diǎn)不接地，所以不論電網(wǎng)發(fā)生什么類型的漏電 故障，電網(wǎng)的線電壓將不發(fā)生變化，仍是三相對(duì)稱的。單相漏電和兩相 遼寧工程技術(shù)大學(xué)碩士學(xué)位論文 漏電均屬于不對(duì)稱故障，敵障發(fā)生后，電網(wǎng)各相對(duì)地電源就不再對(duì)稱， 并且變壓器中性點(diǎn)也要發(fā)生位移，產(chǎn)生對(duì)地電壓( 零序電壓) ，如果系 統(tǒng)中有零序回路，則在回路中有零序電流流通【引。 考慮到井下低壓電網(wǎng)與其各項(xiàng)對(duì)地的絕緣阻抗可以構(gòu)成一具有一 個(gè)節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)，放應(yīng)用節(jié)點(diǎn)電壓法來(lái)進(jìn)行漏電分析較為方便，但這種分 析方法要用到的零序電壓、零序電流及零序阻抗的概念，仍出自對(duì)稱分 量法的理論。 針對(duì)一個(gè)節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)，節(jié)點(diǎn)電壓法的定義為：聯(lián)到節(jié)點(diǎn)的各支路電 動(dòng)勢(shì)和該支路阻抗之商的相量和，等于該節(jié)點(diǎn)電壓與聯(lián)到該節(jié)點(diǎn)各支路 阻抗并聯(lián)值之商。即 皖。神=舊z。1-(2z 2 一1 ) 以。= 舊z 。卜( 一1 ) 式中一節(jié)點(diǎn)電壓： z 。o 一聯(lián)到節(jié)點(diǎn)的所有支路阻抗并聯(lián)值( 理解為節(jié)點(diǎn)內(nèi)所有支路) 毒一節(jié)點(diǎn)內(nèi)各支路的電動(dòng)勢(shì) z ，一與各e ，同支路的阻抗。 2 2 1 單相漏電分析 井下低壓供電單元發(fā)生單相漏電的情況如圖2 - 2 。 r n 忑i 末v ，2 一 凸 一一 鬲尋聿：v n一 厶 1r 中1 r 1 9 3，9 2 g l礦g iy t ，扯 = 脅u 礦船 nr l l 曲r 3 1 凸 。，l，f 1 y 圖2 - 2 利用節(jié)點(diǎn)電壓法分析單相漏電的電路圖 圖中，動(dòng)力變壓器t 二次側(cè)中性點(diǎn)不接地，胄。，為l 相漏電的過(guò)渡 電阻，其變化范圍約為0 1 1kq ，r = r 。= ，。= ，為各相對(duì)地絕緣電阻， 遼寧工程技術(shù)大學(xué)碩士學(xué)位論文 9 c ，= 如= 島= c 為各相對(duì)地電容。對(duì)于漏電回路，變壓器、線路及大地 的阻抗均為歐姆數(shù)量級(jí)及以下，遠(yuǎn)小于，和容抗j c ，可以忽略。正常 時(shí)井下低壓電網(wǎng)的電源中性點(diǎn)與大地7 之間只有三條支路并聯(lián)，并 分別由各相電動(dòng)勢(shì)與各相對(duì)地的零序阻抗五，組成，故構(gòu)成一具有一個(gè) 節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)。發(fā)生單相漏電或兩相漏電時(shí)，相當(dāng)于在漏電相的零序阻抗 上并聯(lián)了過(guò)渡電阻斤因而可以直接應(yīng)用節(jié)點(diǎn)電壓法求出中性點(diǎn)與大 地的電位差，進(jìn)而根據(jù)邊界條件和回路電壓定律求得其它故障參數(shù) 的表達(dá)式。此時(shí)的等效電路如圖2 3 所示。 圖2 3 單相漏電的等效電路圖 點(diǎn)為變壓器二次側(cè)中性點(diǎn)，n 為大地，設(shè)在l l 相發(fā)生單相漏電， 過(guò)渡電阻為斤顯然當(dāng)未發(fā)生單相接地時(shí)，電路相當(dāng)于三相對(duì)地接有 阻抗為易，的三相星形對(duì)稱負(fù)載，根據(jù)公式( 2 - 1 ) 可得y = 0 ，也就 是不產(chǎn)生零序電壓，因此也不會(huì)有零序電流，三相對(duì)地只有較小的各相 泄漏電流，并在地中達(dá)到平衡【1 0 】。 需要說(shuō)明的是電網(wǎng)每相對(duì)地零序阻抗易，的含義。由于井下低壓電 網(wǎng)為中性點(diǎn)絕緣系統(tǒng)，入地的漏電電流0 必須經(jīng)過(guò)非故障相的絕緣電 阻n 、，。和對(duì)地電容島、g 構(gòu)成回路，故己。是電網(wǎng)每相對(duì)地絕緣電阻 r 和電容容抗x c 并聯(lián)以后的阻抗值( 電纜線路對(duì)地感抗很小忽略) 。 即 弘甕器= 麗r - ：， 遼寧工程技術(shù)大學(xué)碩士學(xué)- i i - ? b 文 1 0 式中盈= 1 o , c ，c o = 2 礦= 3 1 4 。 當(dāng)發(fā)生單相漏電時(shí)，相當(dāng)于在三。相的零序阻抗易，上又并聯(lián)了一個(gè) 過(guò)渡電阻月因而破壞了原由歷，組成的三相星形負(fù)載的對(duì)稱性【】。根 據(jù)公式( 2 1 ) ，并令斤。，與歷，的并聯(lián)值為z 。， 故得零序電壓礦“2 礦一礦m 各相零序電流 ：一堡絲：一型五型芻i ! 壘竺 1 f z j v z l 。+ l z 。+ 、 z 。 z 镕v t l + z j a 。v a + z 、= s a v 1 z 。+ 2 z z 鼎+ 裝 孫器 ( 1 + a + 4 2 ) z 矗r p v l i + z 三礦i l z ：+ 3 zz s r ， ：一當(dāng)蘭! ! z ，。+ 3 r ， j 。：堡 z z s 口2 刊z = ，孚 v t l z 。+ 3 r t r 根據(jù)回路電壓定律得故障相的對(duì)地電壓 v i i = v 9 1 + v n w 多s t = 痧n 一聲”w = 多，+ 多”= j 3 ：r 酉, , v t l 同理，非故障相的對(duì)地電壓 痧；z = 多n + 聲n = 量! 二三警多z t ( 2 3 ) ( 2 4 ) ( 2 5 ) ( 2 6 ) 、1 礦以+礦 2 口 wl 子算 幢笪： ：一 2 盯 一 、 = 日 加 舯 一 遼寧工程技術(shù)大學(xué)碩士學(xué)住論文 味肼m = 鼉驀竽乩， 電網(wǎng)經(jīng)r 。，入地的漏電電流 o j r 2 萬(wàn)v g l2 西3 v 酉t l = 一3 i - ( 2 _ 8 ) v 。與各相對(duì)地電壓的相量關(guān)系如圖2 - 4 所示。 礦舊礦，2 圖2 4 單相漏電時(shí)礦。與各相對(duì)地電壓的相量關(guān)系 2 2 2 兩相漏電分析 等效電路如圖2 5 所示，分別在三、三? 兩相發(fā)生了經(jīng)過(guò)渡電阻r 。 同樣破壞了原由三個(gè)z ：。上各并聯(lián)了一個(gè)電阻尺。同樣破壞了原由三個(gè) 互。所組成的三相星形負(fù)載的對(duì)稱性。 p ， 圖2 5 兩相漏電的等效電路圖 利用節(jié)點(diǎn)電壓法，可以求得兩相漏電各故障參數(shù)的相量表達(dá)式如下： 玨一嘴。， 遼寧工程技術(shù)大學(xué)碩士學(xué)位論文 j 。：墜： z 囂 ( 1 十a(chǎn) 2 ) v 1 1 2 z 。+ 3 b 吒= 筆墨以 ( 2 1 0 ) 鯊二! 墮塹墨! “( 2 - 1 2 ) 一r力 2 z 。+ 3 r 。 站= 墜篡籌墊以一( z 朋) 電網(wǎng)經(jīng)r ，入地的各相漏電電流，可據(jù)邊界條件求得 j 艫望：墜塵! i 孥痧( 2 _ 1 4 ) “”百2 1 西丙1 。“叫釧 j 艫墮：鯊二! 墾鏨堡“( 2 - 15 )“22 百2 瓦萬(wàn)礦“。 電網(wǎng)的總?cè)氲芈╇婋娏?j r = j s - + j s ：= 裟= 主蘭丟= 一s j 。c z - s ， 比較兩種漏電故障的分析結(jié)果可知： ( 1 ) 兩種故障下零序電壓與各相對(duì)地電壓的相量關(guān)系是完全相似的， 如圖2 4 所示。 ( 2 ) 在相同的電網(wǎng)參數(shù)和故障條件( r ，) 下，單相漏電的y 。、，。有 效值大于兩相漏電。 ( 3 ) 在中性點(diǎn)絕緣的電網(wǎng)中發(fā)生單相漏電、兩相漏電等不對(duì)稱漏電故 障時(shí)，必產(chǎn)生具有一定大小和相位的礦。和，。，而故障處的各相對(duì) 地電壓則分別等于各相正常時(shí)的相電壓與零序電壓礦。的相量和， 電網(wǎng)線電壓仍保持其對(duì)稱性。 ( 4 ) 當(dāng)兩相漏電過(guò)渡電阻r ，一0 時(shí)，電網(wǎng)就發(fā)生兩相接地短路，成為 短路加漏電的復(fù)合型故障，所以分析過(guò)程稍復(fù)雜些；當(dāng)單相漏電 過(guò)渡電阻r ，一0 時(shí)，由于系統(tǒng)中性點(diǎn)絕緣，雖被稱之為單相接地 短路，卻完全不屬于短路的范圍，這是一種最嚴(yán)重的漏電故障。 遼寧工程技術(shù)大學(xué)項(xiàng)士學(xué)位論文 1 3 在實(shí)際的井下6 6 0 v 。電網(wǎng)中，即使故障時(shí)r ，= 0 ，i g ，也不大于1 a ，故常稱為單相接地在前面分析中得出的公式中，令r ，= o 即可得到單相接地時(shí)各參數(shù)的計(jì)算公式。 在工程實(shí)際中，井下低壓電網(wǎng)發(fā)生兩相漏電的幾率遠(yuǎn)不如單相漏電 高，其故障程度( 僅就漏電而言) 也比單相漏電輕。單相漏電故障約占 漏電故障總數(shù)的85 左右，而且有相當(dāng)一部分( 約3 0 以上) 單相漏電 若不及時(shí)切除，將發(fā)展成更嚴(yán)重的短路故障，所以單相漏電是井下低壓 電網(wǎng)漏電故障的主流。在下面更進(jìn)一步的故障參數(shù)變化規(guī)律的分析計(jì)算 中，將以單相漏電為研究對(duì)象。 2 3單相漏電各故障參數(shù)的變化規(guī)律 主要分析在電網(wǎng)單相漏電的情況下，零序電壓、零序電流、漏電電 流的變化規(guī)律和它們之間的相位關(guān)系，兩相漏電的情況可用同樣的方法 研究。 2 3 1單相漏電時(shí)零序電壓的變化規(guī)律 在圖，2 - 6 所示的放射式供電系統(tǒng)中，有n 條供電線路，設(shè)第i 條支 路的對(duì)地電容為c 。；對(duì)地絕緣電阻為，正常工作時(shí) 12 】，系統(tǒng)處于三相 平衡狀態(tài)，此時(shí)系統(tǒng)每相對(duì)地阻抗參數(shù)為： 1 ，2 ”。( i ) 。1 c = c t 1 x e = 咖 z o = 1 譬 r j x 。 當(dāng)線路1 的a 相發(fā)生漏電故障時(shí)，將導(dǎo)致系統(tǒng)中性點(diǎn)位移，產(chǎn)生 零序電壓u 。，設(shè)漏電電阻為r ，則零序電壓為： 遼寧工程技術(shù)大學(xué)碩士學(xué)位論文 1 4 1 0 n i 。i ，。 i 一+ i c o n t i r o n 一c 止r 。 c 上r 書(shū)c 世忍 丁_ tvtv； 一rn 一1 1 j i o n i 。2 。i 、。、 - 三pp 恤引i 。2 n 。 f c 4 n 6e 2 上n 6c 拳占“ i o l = ；，e ，e c y l ， 3 1 0 2 l 乏l o i 一一 一一 ；i + i i r o l n 1 _ 已撼期望吐正孰i 將z 0 代入( 1 ) 式得： 圖2 6 放射式電網(wǎng)參數(shù)分布圖 u o j 矗z + 。z 。u , 4 ( 2 - 1 7 ) 占。：等等蜉“( 2 - 1 8 ) ” ( 3 脅) 2 + ( 3 血。+ r x 。) 2 4 u o 超前u 1 8 0 。一口角度，其中伊值為： 肚刪留高 則 c o s 口= s m 0 = ( 2 1 9 ) ( 2 2 0 ) ( 2 2 1 ) 甲露 遼寧工程技術(shù)大學(xué)碩士學(xué)位論文 砜的模為 釃 則隨參數(shù)r 、k 和r 變化的規(guī)律為： ( 1 ) 當(dāng)系統(tǒng)對(duì)地絕緣電阻不變，即r 和r 為定值時(shí) 璣：1 ” 3 月+ ， ( 2 2 2 ) ：1 c o s 0 ( 2 - 2 3 ) 3 月+ r 這是一個(gè)直徑為r 吵( 3 r + r ) ，且直徑通過(guò)相量u o 的圓的極坐標(biāo)方 程，對(duì)應(yīng)不同的r 和r 值，圓具有不同的直徑。但所有圓的直徑都通過(guò) 相量吭，直徑變化時(shí)產(chǎn)生的圓族內(nèi)切于圓點(diǎn)?？诮请Sk 變化范圍為： 當(dāng)c = o 時(shí)，x c = o o ，0 = 0 。 。 當(dāng)c = o 。時(shí)，x c = 0 ，口= 9 0 。 5 即當(dāng)c 由0 至0 0 變化時(shí)，0 角在0 。至9 0 。之間變化，這說(shuō)明該圓 為一半圓，如圖2 7 所示。 ( 2 ) 當(dāng)系統(tǒng)對(duì)地電容不變，即c 和r 為定值時(shí) u ：坐 。 3 r 坐s i i l 曰( 2 2 4 ) 3 只 這是一個(gè)直徑為x 。璣( 3 r ) ，與相量u 。相切于坐標(biāo)原點(diǎn)的極坐標(biāo)方 程，系統(tǒng)具有不同的c 和r 值，圓就具有不同的直徑。該圓族也內(nèi)切 于坐標(biāo)原點(diǎn)，0 角隨系統(tǒng)對(duì)地絕緣電阻r 變化的范圍為： 當(dāng)r = 0 時(shí)，0 = 0 。 遼寧工程技術(shù)大學(xué)碩士學(xué)位論文1 6 當(dāng)r ：o 。時(shí)，目= a l c t g 三墨 即當(dāng)c 和r 為定值時(shí)，r 在0 。至。區(qū)間變化時(shí)，占角在0 。至伽轡呈墨 x 。 區(qū)間變化。這說(shuō)明u o變化軌跡為部分圓弧，最大角度為口：甜喲塑。 膏。 同時(shí)滿足r 和c 變化條件的砜相量的模為兩圓交點(diǎn)至坐標(biāo)原點(diǎn)的 距離，方向指向坐標(biāo)原點(diǎn)，見(jiàn)圖2 7 。 圖2 7 砜及各相對(duì)地電壓變化相量圖 ub ( 3 ) 系統(tǒng)對(duì)地絕緣電阻和對(duì)地電容不變，即r 和c 為定值時(shí)，兩圓的 直徑d 都隨r 值變化，由式( 7 ) 、( 8 ) 可知，d 隨r 變化的規(guī)律為雙 曲線，如圖2 8 所示。直徑d 和口角隨r 變化規(guī)律為： 當(dāng)r = 0 時(shí)，d 1 = 。，d2 = u a ，0 = 0 。此時(shí)兩圓交于縱坐標(biāo)u a 點(diǎn)， 即uo = u a ，口= 0 。 當(dāng)r 由零逐漸增大時(shí)，d l 和d2 都按雙曲線規(guī)律減小，口角逐漸增 大，uo 0 ，而對(duì)非故障支路則總有只 0 ，且故障 支路的尸r 值較非故障支路大得多。從而可以利用式( 2 3 9 ) 準(zhǔn)確、可 靠地判斷出故障支路。 遼寧工程技術(shù)大學(xué)碩士學(xué)位論文2 8 3 選擇性漏電保護(hù)裝置硬件電路設(shè)計(jì) 本章首先介紹了選擇性漏電保護(hù)的設(shè)計(jì)方案，根據(jù)設(shè)計(jì)方案提出了 保護(hù)系統(tǒng)的硬件電路原理圖。并詳細(xì)介紹了系統(tǒng)硬件的各部分功能的實(shí) 現(xiàn)。 3 1 選擇性漏電保護(hù)方案設(shè)計(jì) 本文設(shè)計(jì)了基于附加直流電源檢測(cè)和零序電流方向的礦井低壓電 網(wǎng)選擇性漏電保護(hù)裝置，系統(tǒng)由總饋電開(kāi)關(guān)和分支饋電開(kāi)關(guān)聯(lián)合構(gòu)成， 總開(kāi)關(guān)采用附加直流電源檢測(cè)原理，分開(kāi)關(guān)采用零序電流方向檢測(cè)原 理。系統(tǒng)既可完成井下低壓電網(wǎng)單相漏電時(shí)的橫向選擇性和縱向選擇性 保護(hù)功能，又能保證電網(wǎng)對(duì)稱漏電時(shí)保護(hù)動(dòng)作電阻值的穩(wěn)定性【2 1 1 。 根據(jù)礦井低壓電網(wǎng)情況，選擇性漏電保護(hù)系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)如圖3 1 所示。 礦井安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng) f fr s 4 8 5 n 飄相菲門 f 關(guān)漏電保i | 護(hù)裝置l - 。1 。一 f r s 4 8 5 總線 圈3 1 漏電保護(hù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 該，系統(tǒng)采用兩級(jí)分布式結(jié)構(gòu)，總自動(dòng)饋電開(kāi)關(guān)處的漏電保護(hù)裝置為 主站，其設(shè)有兩個(gè)r s 4 8 5 通信接口，除與分支饋電開(kāi)關(guān)處的下級(jí)漏電 保護(hù)裝置通信外，還可通過(guò)另一個(gè)接口與礦井安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)相聯(lián)，便于 地面調(diào)度系統(tǒng)實(shí)時(shí)地了解井下低壓電網(wǎng)的絕緣變化和漏電情況。分支饋 電開(kāi)關(guān)漏電保護(hù)裝置通過(guò)r s 4 8 5 構(gòu)成現(xiàn)場(chǎng)總線?？梢話旖? 2 7 個(gè)保護(hù) 裝置( 實(shí)際電網(wǎng)的分支出線數(shù)遠(yuǎn)小于這個(gè)數(shù)量，一般不大于1 0 ) ；另外， 總自動(dòng)饋電開(kāi)關(guān)與分支饋電開(kāi)關(guān)間的距離一般不超過(guò)1 0 0 m ，故r s 4 8 5 的通信距離完全能滿足要求。 3 2保護(hù)系統(tǒng)硬件電路 漏電保護(hù)系統(tǒng)的硬件電路主要完成電網(wǎng)絕緣監(jiān)測(cè)、零序電流方向判 遼寧工程技術(shù)大學(xué)碩士學(xué)位論文 斷、漏電閉鎖、漏電跳”閘等功能。當(dāng)電網(wǎng)絕緣電阻低于保護(hù)動(dòng)作值時(shí)， 總漏電保護(hù)單元向各分支漏電保護(hù)單元發(fā)出中斷信號(hào)，分支漏電保護(hù)單 元接到中斷信號(hào)后，立即對(duì)本支路的零序電流方向作出判斷。判斷方法 是以移相后的u o 為基準(zhǔn)，若i o 與u o 同相位，則判定本支路發(fā)生漏電， 斷路器跳閘，否則，本支路正常運(yùn)行。總漏電保護(hù)單元在發(fā)出中斷信號(hào) l50 m s 后，若漏電現(xiàn)象仍還存在，則判定是分開(kāi)關(guān)拒動(dòng)或漏電點(diǎn)在總開(kāi) 關(guān)和分開(kāi)關(guān)之間，發(fā)出跳閘信號(hào)，實(shí)現(xiàn)縱向選擇性漏電保護(hù)。 芙】壓 a 顯 電l電r 一 _ 一 l 報(bào) d l 警 路i路j 轉(zhuǎn) 苫 換 c - a ； 輸l 蓑f 開(kāi) 盈 關(guān) 入l 電電 路路 跳閘 一 圖3 2 總饋電開(kāi)關(guān)漏電保護(hù)裝置原理圖 a f d 轉(zhuǎn) 換 開(kāi) 關(guān) 圖3 3 分支饋電開(kāi)關(guān)漏電保護(hù)裝置原理圖 圖3 2 ，圖3 3 分別是總饋電開(kāi)關(guān)和分支饋電開(kāi)關(guān)保護(hù)裝置的原理 框圖。本系統(tǒng)c p u 選擇微芯公司生產(chǎn)的p i c l6 f 8 7 7 a 芯片，這款單片機(jī) 內(nèi)含1 0 位的a d 轉(zhuǎn)換器，外圍電路簡(jiǎn)單，轉(zhuǎn)換精度高22 1 。并且其存儲(chǔ) 器組織體系結(jié)構(gòu)為“哈佛”結(jié)構(gòu)，其程序存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)在物理空 間上完全獨(dú)立，讀取指令的總線和存取數(shù)據(jù)的總線也完全分開(kāi)。由于總 線獨(dú)立，讀取指令和存取操作就可以同時(shí)進(jìn)行，可以提高單片機(jī)內(nèi)的數(shù) 據(jù)流量，提高代碼的運(yùn)行效率。 遼寧工程技術(shù)大學(xué)碩士學(xué)位論文 3 0 總饋電開(kāi)關(guān)保護(hù)裝置完成對(duì)直流取樣信號(hào)u s 、零序電壓u o 的實(shí)時(shí) 采集，電網(wǎng)正常時(shí)，根據(jù)上一章中的公式，：2 蓋血一r 實(shí)時(shí)顯示電網(wǎng)的 絕緣情況；而分支饋電開(kāi)關(guān)保護(hù)裝置則完成所在支路零序電流信號(hào)的采 集。 根據(jù)煤礦安全規(guī)程要求，漏電保護(hù)動(dòng)作電阻值有固定要求，如對(duì) 6 6 0 v 系統(tǒng)，規(guī)程要求動(dòng)作電阻值為11 kq ，對(duì)11 4 0 v 系統(tǒng)則為2 2 kq 。 因此當(dāng)電網(wǎng)絕緣電阻降到動(dòng)作值后，總饋電開(kāi)關(guān)保護(hù)裝置立即將u o 的 u o i 和u o r 值發(fā)送給各個(gè)分支饋電開(kāi)關(guān)保護(hù)裝置，各分支饋電開(kāi)關(guān)保護(hù) 裝置則根據(jù)式e = i o ，u o 。- i o 。u 。，判斷出故障支路，并據(jù)此發(fā)出起動(dòng)或閉鎖 出口繼電器的動(dòng)作信號(hào)。 當(dāng)然，若參照變電站自動(dòng)化系統(tǒng)中常用的集中選線方法，即當(dāng)電網(wǎng) 發(fā)生漏電故障時(shí)，各分支饋電開(kāi)關(guān)保護(hù)裝置立即將零序電流值上傳給總 饋電開(kāi)關(guān)保護(hù)裝置，再由分支饋電開(kāi)關(guān)保護(hù)裝置進(jìn)行集中選線，并可采 用群體比幅、比相的方法判斷出故障支路。但這將增加總饋電開(kāi)關(guān)漏電 保護(hù)裝置的計(jì)算負(fù)擔(dān)，不利于快速保護(hù)的實(shí)現(xiàn)。另外，根據(jù)算法模型式 ( 2 3 9 ) 己完全能滿足選擇性的要求 2 3 】。 該漏電保護(hù)系統(tǒng)的動(dòng)作過(guò)程如下：對(duì)于圖2 1 0 所示的電網(wǎng)，當(dāng)k 1 點(diǎn)發(fā)生漏電故障時(shí)，總饋電開(kāi)關(guān)保護(hù)裝置接收到各分支饋電開(kāi)關(guān)保護(hù)裝 置的閉鎖信號(hào)后，總饋電開(kāi)關(guān)保護(hù)裝置無(wú)延時(shí)地動(dòng)作于跳閘；當(dāng)分支出 線的任一處發(fā)生漏電故障時(shí)( 如k 2 或k 3 點(diǎn)) ，則各分支饋電開(kāi)關(guān)保護(hù)裝 置根據(jù)式e = i o ，u o 。一l o r u 。，確定出故障支路后，無(wú)延時(shí)地動(dòng)作于跳閘，同 時(shí)向總饋電開(kāi)關(guān)保護(hù)裝置發(fā)出故障信息；總饋電開(kāi)關(guān)保護(hù)裝置收到故障 信息后閉鎖其出口信號(hào)，若經(jīng)過(guò)預(yù)定的延時(shí)后( 2 0 0 m s ) ，尚未收到分支 饋電開(kāi)關(guān)保護(hù)裝置的動(dòng)作信號(hào)，則其無(wú)選擇地動(dòng)作于跳閘，從而起后備 保護(hù)作用。 由此可見(jiàn)，該選擇性漏電保護(hù)系統(tǒng)中的各級(jí)保護(hù)裝置皆為瞬動(dòng)型， 可以實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)差的漏電保護(hù)，使漏電保護(hù)系統(tǒng)的縱向選擇性更合理、更 完善。 遼寧工程技術(shù)大學(xué)碩士學(xué)位論文3 l 另外，傳統(tǒng)分支一饋電開(kāi)關(guān)處的選擇性漏電保護(hù)裝置如要加設(shè)零序電 壓取樣電路，既復(fù)雜又影響開(kāi)關(guān)安全性能；為了保證動(dòng)作電阻值，還需 采用復(fù)雜的附加直流信號(hào)取樣環(huán)節(jié) 2 4 l 。本文設(shè)計(jì)的選擇性漏電保護(hù)系 統(tǒng)，零序電壓的取樣和動(dòng)作電阻值的保證皆由總饋電開(kāi)關(guān)保護(hù)裝置通過(guò) 通信線路來(lái)完成，大大簡(jiǎn)化了保護(hù)系統(tǒng)，提高了可靠性。 3 3 保護(hù)系統(tǒng)總體設(shè)計(jì) 選擇性漏電保護(hù)系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)是根據(jù)以上對(duì)保護(hù)的要求而設(shè)計(jì) 的，其原理框圖如圖3 4 所示。整個(gè)系統(tǒng)由以下幾部分構(gòu)成： f 簍! 卜 單元j 7 i 觜卜 p 工c 1 6 f 8 7 7 a f 入輸出j 7 慝垂一 電路i r 圖3 4 保護(hù)系統(tǒng)硬件框圖 ( t ) c p u 控制單元：用于實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、計(jì)算、邏輯判斷、定時(shí)等功能。 ( 2 ) 模擬量輸入、輸出單元：用于采集計(jì)算電網(wǎng)a 、b 、c 三相電壓，a 、 c 兩相電流及零序電壓。 ( 3 ) 人機(jī)接1 ：3 單元：用于定值的輸入，操作方式的確定，電網(wǎng)工作參數(shù)、 工作狀態(tài)、故障類型的顯示。 ( 4 ) 開(kāi)關(guān)量輸入、輸出單元：開(kāi)關(guān)量輸入單元取自相應(yīng)設(shè)備的輔助常開(kāi) 接點(diǎn)，用于識(shí)別現(xiàn)場(chǎng)開(kāi)關(guān)的狀態(tài)。需要輸入的開(kāi)關(guān)量有：真空斷路器 的合閘、分閘情況，開(kāi)關(guān)量輸出單元包括用于控制真空斷路器的開(kāi)關(guān) 量和保護(hù)發(fā)生故障時(shí)的報(bào)警信號(hào)。 f 5 ) 絕緣監(jiān)視保護(hù)單元：采用附加直流電源檢測(cè)原理，被測(cè)信號(hào)經(jīng)壓頻 轉(zhuǎn)換完成對(duì)雙屏蔽電纜屏蔽線及接地線之間斷路或短路故障保護(hù)。 ( 6 ) 通訊單元。實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)方信號(hào)傳輸或信息參數(shù)的共享。 ( 7 ) 電源部分：將2 2 0 va c 電源變?yōu)橄到y(tǒng)所需的5v ，士1 2 v ，2 4 v 直 遼寧工程技術(shù)大學(xué)碩士學(xué)位論文3 2 流電源。 3 3 1中央處理單元 微機(jī)控制單元是測(cè)控系統(tǒng)的核心部分，它承擔(dān)著數(shù)據(jù)采集、計(jì)算、 邏輯判斷、定時(shí)、存儲(chǔ)等工作。它主要包括：中央處理單元( c p u ) 、晶 振電路、復(fù)位電路等。 3 3 1 1 微處理器的選擇 在單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，首先要考慮的就是c p u 的選擇。目 前市場(chǎng)上的單片機(jī)機(jī)型多種多樣，各有特點(diǎn)，由于保護(hù)系統(tǒng)必須在系統(tǒng) 出現(xiàn)故障時(shí)及時(shí)判斷出故障點(diǎn)并能及時(shí)切斷故障電流【2 5 】；系統(tǒng)正常工 作時(shí)，必須有能力處理大量的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)，因此單元對(duì)硬件的實(shí)時(shí)性、 快速性、準(zhǔn)確性和多功能性要求很高，硬件設(shè)計(jì)時(shí)選用了實(shí)時(shí)性和快速 性都比較好的p i c l6 f 8 7 7 a 作為中央微處理器。 “p i c ”是美國(guó)微芯公司所生產(chǎn)的單片機(jī)，它的硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)潔， 指令系統(tǒng)設(shè)計(jì)精煉，它具有以下一些優(yōu)越之處： ( 1 ) 數(shù)據(jù)總線和指令總線分離的哈佛總線結(jié)構(gòu)。 ( 2 ) 只有35 條指令的精簡(jiǎn)指令集，而m c s 5l 單片機(jī)的指令系統(tǒng)共有 1 11 條指令。 ( 3 ) p i c 系列單片機(jī)只有4 種尋址方式，而m c s - 51 單片機(jī)則為7 種 尋址方6 8 h c 0 5 單片機(jī)為6 種。 ( 4 ) 代碼壓縮率高1 k 字節(jié)的存儲(chǔ)器空間，對(duì)于像m c s 5 1 這樣的單 片機(jī)，大約只能存放6 0 0 條指令，而對(duì)于p i c 系列的單片機(jī)能夠存放的 指令數(shù)可達(dá)1 0 2 4 條。 ( 5 ) 驅(qū)動(dòng)能力強(qiáng)。i t o 端口驅(qū)動(dòng)負(fù)載能力較強(qiáng)，能夠直接驅(qū)動(dòng)發(fā)光二極 管l e d 、光電耦合器或者微型繼電器等。 ( 6 ) p i c 系列單片機(jī)的程序、堆棧、數(shù)據(jù)三者各自采用互相獨(dú)立的尋 址( 或地址編碼) 空間，尋址空間設(shè)計(jì)簡(jiǎn)潔。 ( 7 ) p i c 系列單片機(jī)內(nèi)集成了上電復(fù)位電路、i o 引角上拉電路、看門 狗定時(shí)器等，可以最大程度地減少或免用外接器件。 ( 8 ) 開(kāi)發(fā)方便。對(duì)于p i c 系列中的任一款單片機(jī)的開(kāi)發(fā)，都可以借助 遼寧工程技術(shù)大學(xué)碩士學(xué)位論文 3 3 于一套免費(fèi)軟件綜合開(kāi)發(fā)環(huán)境，實(shí)現(xiàn)程序編寫和模擬仿真，在用任意一 種廉價(jià)的燒寫器完成程序的固化燒寫，便形成一套最經(jīng)濟(jì)實(shí)用的開(kāi)發(fā)系 統(tǒng)。 鑒于以上優(yōu)點(diǎn)，本文選用p i c l 6 f 8 7 7 a 作為系統(tǒng)的控制器。 3 3 1 2 復(fù)位電路設(shè)計(jì) p i c l 6 f 8 7 7 a 的復(fù)位可以歸納成四類：人工復(fù)位、上電復(fù)位、看門 狗復(fù)位、欠壓復(fù)位。 以下是兩種常用的外接復(fù)位電路如圖3 5 所示： 圖3 5 ( a ) 接v d d( b ) 接按鈕 下圖為本設(shè)計(jì)所采用的復(fù)位電路原理圖，如圖3 - 6 所示： s 1 圖3 6 復(fù)位電路原理圖 如圖所示，復(fù)位電路由電阻r 1 、r 2 及復(fù)位按鈕組成。其作用：( 1 ) 上電復(fù)位功能。當(dāng)復(fù)位按鈕未被按下情況下，給單片機(jī)加電，當(dāng)v c c 上升到規(guī)定值1 6 1 8 v 時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)復(fù)位信號(hào)，需經(jīng)7 2 m s + 1 0 2 4 個(gè)時(shí)鐘周期的延時(shí)，才會(huì)使單片機(jī)復(fù)位。此時(shí)電阻r e s e t i 對(duì)于引腳內(nèi) 部電路起到保護(hù)作用。( 2 ) 人工復(fù)位功能。無(wú)論是單片機(jī)在預(yù)定的正常 順序運(yùn)行程序，還是出現(xiàn)單片機(jī)進(jìn)入不可預(yù)知的某一個(gè)死循環(huán)( 形成死 機(jī)現(xiàn)象) ，都得認(rèn)為單片機(jī)在執(zhí)行程序。單片機(jī)在執(zhí)行程序期間，只要 在人工復(fù)位端加入一個(gè)低電平信號(hào)，就會(huì)令其復(fù)位。當(dāng)按鈕按下時(shí)，在 復(fù)位端就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)低電平的復(fù)位信號(hào)。 單片機(jī)復(fù)位端在強(qiáng)烈的干擾下會(huì)出現(xiàn)尖蜂電壓干擾，雖然不會(huì)造成 遼寧工程技術(shù)大學(xué)碩士學(xué)位論文 復(fù)位干擾，但可能會(huì)部分改變寄存器的狀態(tài)，因此在復(fù)位端配以0 1 , u f 的電容。 3 3 1 3 晶振電路的設(shè)計(jì) 時(shí)鐘系統(tǒng)是維持系統(tǒng)正常運(yùn)轉(zhuǎn)的一種必不可少的關(guān)鍵器件。作為時(shí) 基發(fā)生器的時(shí)鐘振蕩電路，為整個(gè)單片機(jī)芯片內(nèi)部各個(gè)部分電路的工作 提供系統(tǒng)時(shí)鐘信號(hào)，也為單片機(jī)與其他外接芯片之間的通信以及與其他 數(shù)字系統(tǒng)或者計(jì)算機(jī)系統(tǒng)之間通信，提供可靠的同步時(shí)鐘信號(hào)。 p i c 單片機(jī)設(shè)計(jì)了4 種類型的時(shí)基振蕩方式可供選擇： ( 1 ) 標(biāo)準(zhǔn)的晶體振蕩器陶瓷諧振器振蕩方式x t ； ( 2 ) 高頻的晶體振蕩器陶瓷諧振器振蕩方式h s ( 4 m h z ) 以上； ( 3 ) 低頻的晶體振蕩器n 瓷諧振器振蕩方式l p ( 3 2 7 6 8 k h z ) ； ( 4 ) 外接電容元件的阻容振蕩方式r c 。 下圖3 7 給出了最常用的x t 模式和r c 模式兩種振蕩器所需的外 接電路。其中r c 振蕩器需外接一條阻容支路，來(lái)構(gòu)成一個(gè)自激多諧振 蕩器。如圖3 7 ( a ) 所示。當(dāng)電阻r 和電容c 分別取值4 7 k q 和2 2 p f 時(shí)， 振蕩器頻率約為4 m h z 。x t 模式振蕩器需要外接一個(gè)石英晶體和兩個(gè) 電容，共同構(gòu)成的一個(gè)自激多諧振蕩器，如圖3 7 ( b ) 所示，其工作頻率 取決于晶體的固有頻率。當(dāng)石英晶體為4 m h z 時(shí)，電容c 1 和c 2 均選 為15 p f 。本設(shè)計(jì)采用的就是標(biāo)準(zhǔn)的x t 模式。其電路原理圖如圖3 8 所 刁i 。 圖3 - 7 ( a ) 接r c( b ) 接晶體 陶瓷諧振器與晶體振蕩器相比更具魯棒性f 即能夠耐受更強(qiáng)的物理 振動(dòng)) ，其不足之處是其精確性較晶體振蕩器差，一般精確度是o 5 ，而 晶體振蕩器的精確度是0 0 2 到0 1 。 同時(shí)考慮到通信時(shí)的波特率的設(shè)置和相對(duì)誤差值，所以在本設(shè)計(jì)中 遼寧工程技術(shù)大學(xué)碩士學(xué)位論文 選用能產(chǎn)生較精確盱鐘的晶體振蕩器( c 4 m h z ) 。 r 、 1 l 。 船土擴(kuò)7 蒜糊 【已與 亍l一7萄內(nèi)豁嘴 - t r r a l fj 圖3 8 晶振電路原理圖 3 3 2 模擬量輸入單元 模擬量輸入對(duì)于選擇性漏電保護(hù)系統(tǒng)來(lái)說(shuō)是非常重要的，系統(tǒng)正確 采集電網(wǎng)的物理參量，通過(guò)運(yùn)算來(lái)判斷電網(wǎng)目前的運(yùn)行狀況，以發(fā)出正 確的控制信息。本設(shè)計(jì)中需要監(jiān)測(cè)的模擬量信號(hào)有：電壓、電流、漏電。 模擬量輸入原理如圖3 9 所示。 圖3 9 模擬量輸入原理框圖 3 3 2 1 低通濾波器 電力系統(tǒng)在故障的暫態(tài)期間，電壓