煤礦井下6kv 高壓防爆開關(guān)綜合保護(hù)系統(tǒng)設(shè)計

摘要隨著采煤自動化技術(shù)的發(fā)展和井下高壓供電距離的增加，對礦井供電的可靠性和安全性提出了越來越高的要求。我國煤礦井下高壓電網(wǎng)以6KV供電為主，6KV高壓防爆開關(guān)綜合保護(hù)系統(tǒng)對礦井供電系統(tǒng)至關(guān)重要。本文根據(jù)煤礦井下高壓電網(wǎng)的實際情況，從理論上分析了井下高壓電網(wǎng)常見的故障電氣特征，并設(shè)計出針對性地保護(hù)方案。主要采用了煤礦井下高壓電網(wǎng)微機(jī)選擇性速斷短路保護(hù)方案；“啟動于零序電壓及其突變量，選擇性動作于零序電流五次諧波比幅比相”的選擇性漏電保護(hù)方案；欠電壓保護(hù)增加了延時的功能。本文以高性能單片機(jī)INTEL80296SA為中央控制單元，以模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片MAX125為采樣電路，采用大規(guī)模集成電路實現(xiàn)了保護(hù)系統(tǒng)硬件電路的設(shè)計。使用匯編語言完成了軟件系統(tǒng)的設(shè)計，介紹了設(shè)計過程中采取的硬件、軟件抗干擾措施。關(guān)鍵詞煤礦井下；單片機(jī)控制；6KV；防爆開關(guān)；綜合保護(hù)系統(tǒng)ABSTRACTWITHTHEINCREASEOFMININGAUTOMATIONTECHNOLOGYANDDISTANCEUNDERGROUNDHIGHVOLTAGEPOWERSUPPLY,MINESUPPLYRELIABILITYANDSECURITYOFTHEINCREASINGLYHIGHDEMANDCHINASCOALMINEUNDERGROUNDHIGHVOLTAGEPOWERGRIDTOTHEMAINPOWERSUPPLY6KV,6KVHIGHVOLTAGEPROOFSWITCHPROTECTIONSYSTEMISESSENTIALFORMINEPOWERSUPPLYSYSTEMBASEDONTHEACTUALSITUATIONOFCOALMINEHIGHVOLTAGEPOWERGRID,THEORETICALLYANALYZEDCOMMONFAULTHIGHVOLTAGEELECTRICALCHARACTERISTICS,ANDDESIGNTARGETEDPROTECTIONPROGRAMSMAINLYTHECOALMINEHIGHVOLTAGEPOWERGRIDCOMPUTERSELECTIVITYBREAKINGSHORTCIRCUITPROTECTIONPROGRAMS“STARTINGINTHEAMOUNTOFZEROSEQUENCEVOLTAGEANDMUTATION,SELECTIVEACTIONTHANTHEZEROPHASESEQUENCECURRENTRATIOOFTHEFIFTHHARMONICAMPLITUDE“OFSELECTIVELEAKAGEPROTECTIONPROGRAMSUNDERVOLTAGEPROTECTIONINCREASESTHETIMEDELAYFUNCTIONINTHISPAPER,AHIGHPERFORMANCESINGLECHIPINTEL80296SACENTRALCONTROLUNITFORANALOGTODIGITALCONVERTERCHIPMAX125SAMPLINGCIRCUITS,LARGESCALEINTEGRATEDCIRCUITDESIGNTOACHIEVETHEPROTECTIONSYSTEMHARDWARECIRCUITUSEASSEMBLYLANGUAGETOCOMPLETETHEDESIGNOFSOFTWARESYSTEMS,ITINTRODUCESTHEDESIGNPROCESSTOTAKETHEHARDWARE,SOFTWARE,ANTIJAMMINGMEASURESKEYWORDSCOALMINESCMCONTROL6KVEXPLOSIONPROOFSWITCHINTEGRATEDPROTECTIONSYSTEM目錄1緒論111設(shè)計的背景和意義112井下高壓防爆開關(guān)綜合保護(hù)系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢113井下高壓防爆開關(guān)微機(jī)綜合保護(hù)系統(tǒng)的必要性和基本要求2131采用微機(jī)保護(hù)的必要性2132采用微機(jī)保護(hù)的基本要求214本設(shè)計的主要內(nèi)容32井下高壓電網(wǎng)故障分析421概述422井下高壓電網(wǎng)短路故障分析423井下高壓電網(wǎng)漏電故障分析5231漏電故障暫態(tài)特征5232漏電故障穩(wěn)態(tài)特征524過載故障分析825欠電壓故障分析826絕緣監(jiān)視故障分析83井下高壓防爆開關(guān)綜合保護(hù)系統(tǒng)的保護(hù)方案設(shè)計1031短路保護(hù)10311短路保護(hù)原理10312選擇性短路保護(hù)系統(tǒng)方案11313短路保護(hù)的方案設(shè)置1432漏電保護(hù)14321諧波方向型選擇性漏電保護(hù)原理14322礦井高壓電網(wǎng)漏電保護(hù)啟動零序電壓的選擇15323諧波方向型礦井高壓電網(wǎng)選擇性漏電保護(hù)方案1733過負(fù)荷（過載）保護(hù)1734欠電壓保護(hù)18341欠電壓保護(hù)增加延時的作用18342欠電壓保護(hù)延時與瞬時的選擇18343動作時間18344欠電壓保護(hù)方案1935絕緣監(jiān)視保護(hù)194綜合保護(hù)系統(tǒng)的總體規(guī)劃與硬件電路設(shè)計2141CPU主系統(tǒng)2241180296SA單片機(jī)介紹22412外圍擴(kuò)展電路2342模擬量交流采樣單元25421電壓形成回路26422數(shù)據(jù)采樣電路2643選擇性漏電保護(hù)單元28431保護(hù)方案工作原理29432硬件系統(tǒng)涉及的主要電路介紹3044開關(guān)量輸入、輸出單元34441開關(guān)量輸入單元34442開關(guān)量輸出單元（跳閘電路）3545通信接口電路365綜合保護(hù)系統(tǒng)的軟件設(shè)計3851軟件設(shè)計38511系統(tǒng)的主程序38512采樣中斷程序設(shè)計39513過流故障處理程序設(shè)計41514漏電保護(hù)程序流程圖43515欠電壓保護(hù)456系統(tǒng)抗干擾設(shè)計4761干擾的來源和分析4762硬件方面的抗干擾措施47621濾波、退耦與旁路48622屏蔽與隔離48623對供電電源的要求4863軟件抗干擾措施48631輸入輸出量的抗干擾49632軟件攔截設(shè)計49結(jié)論50致謝51參考文獻(xiàn)52附錄A53附錄B571緒論11設(shè)計的背景和意義隨著采煤自動化技術(shù)的發(fā)展和井下高壓供電距離的增加，對礦井供電的可靠性和安全性提出了越來越高的要求。據(jù)相關(guān)資料統(tǒng)計，井下供電網(wǎng)絡(luò)的故障引起了大部分的煤礦事故。我國煤礦井下高壓電網(wǎng)以6KV供電為主，井下6KV供電關(guān)系到煤礦生產(chǎn)和安全，要求高壓防爆開關(guān)綜合保護(hù)系統(tǒng)必須具備高可靠性和高性能性。井下由采區(qū)變電所、移動變電站或配電點(diǎn)引出的饋電線上，應(yīng)裝設(shè)短路、過負(fù)荷和漏電裝置。由于煤礦井下工作環(huán)境惡劣，負(fù)荷波動大，工況很不穩(wěn)定，瓦斯煤塵積聚，滴水冒頂事故等會使電氣設(shè)備絕緣強(qiáng)度逐漸降低，同時由于操作人員維護(hù)不當(dāng)或操作錯誤、電纜線路的破損等原因，經(jīng)常會出現(xiàn)短路與單相接地故障。接地故障若不及時排除，電網(wǎng)各相線會運(yùn)行在線電壓下，長期運(yùn)行將導(dǎo)致絕緣擊穿，甚至引發(fā)三相或兩相短路事故。傳統(tǒng)的短路保護(hù)方法，不能構(gòu)成有效的縱向選擇性速斷短路保護(hù)系統(tǒng)，發(fā)生短路故障常導(dǎo)致越級跳閘，有的甚至越多級引起地面610KV下井電纜開關(guān)跳閘，造成井下大面積長時間停電。這是井下供電存在的重大安全隱患與技術(shù)難題。為了避免事故的發(fā)生，保障人身安全，有效減小事故范圍，設(shè)計高性能的煤礦井下高壓防爆開關(guān)微機(jī)綜合保護(hù)系統(tǒng)具有重要的現(xiàn)實意義和較高的經(jīng)濟(jì)價值。本文設(shè)計的煤礦井下單片機(jī)控制的6KV防爆開關(guān)綜合保護(hù)系統(tǒng)對于井下高壓電網(wǎng)的短路、過載、漏電、欠電壓等故障都能起到較好的保護(hù)作用，對提高整個煤礦井下高壓電網(wǎng)的可靠性和安全性有重要意義。12井下高壓防爆開關(guān)綜合保護(hù)系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢在高壓開關(guān)綜合保護(hù)裝置領(lǐng)域，外資產(chǎn)品有很強(qiáng)的競爭力，以ABB、西門子為代表的外資企業(yè)，其產(chǎn)品保護(hù)可靠性和選擇性方面的確呈現(xiàn)出許多優(yōu)勢。如德國SIEMENS公司生產(chǎn)的綜合繼電保護(hù)裝置SIPROTEC系列是一種集保護(hù)、控制、監(jiān)視、測量、故障錄波和通信于一體的智能前端設(shè)備。它提供了大屏幕顯示，全中文操作界面，其保護(hù)功能以多段過流保護(hù)和方向過流保護(hù)為主，同時提供電壓、頻率等保護(hù)功能。保持系統(tǒng)通過現(xiàn)場總線通信實時監(jiān)控和保護(hù)，完成各種操作、控制、修改定值等命令，主要用輻射狀配電系統(tǒng)線路、電機(jī)保護(hù)、變壓器和發(fā)電機(jī)差動與電機(jī)保護(hù)。不但能用于地面的供電系統(tǒng)，而且能運(yùn)用于礦井供電系統(tǒng)進(jìn)行綜合保護(hù)系統(tǒng)監(jiān)控。據(jù)調(diào)查，國內(nèi)各地有很多企業(yè)生產(chǎn)高壓隔爆開關(guān)裝置和綜合保護(hù)系統(tǒng)，溫州、濟(jì)源、南京等地企業(yè)較集中，個別區(qū)域已成產(chǎn)業(yè)基地，但目前我國生產(chǎn)的產(chǎn)品整體可靠性不高，有些保護(hù)電器根本起不到預(yù)期的保護(hù)，有些綜合保護(hù)系統(tǒng)出現(xiàn)傳輸延時、死機(jī)等問題，均存在不同程度的誤動作情況，導(dǎo)致生產(chǎn)事故頻發(fā)，不但影響生產(chǎn)而且給一線礦工帶來很大的安全隱患。隨著國家調(diào)整及企業(yè)之間的競爭，國內(nèi)也有一些企業(yè)的產(chǎn)品質(zhì)量有了快速的提升，并逐漸替代進(jìn)口產(chǎn)品應(yīng)用于現(xiàn)場。但在礦井高壓開關(guān)綜合保護(hù)系統(tǒng)方面，目前還沒有針對性的方案和產(chǎn)品，尤其井下需要根據(jù)特殊環(huán)境設(shè)計更加可靠的產(chǎn)品。隨著煤礦信息化水平的不斷提高，高壓開關(guān)綜合保護(hù)系統(tǒng)與礦井自動化系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)的要求勢在必行，高壓開關(guān)綜合保護(hù)系統(tǒng)正在進(jìn)行數(shù)字化技術(shù)的提升。13井下高壓防爆開關(guān)微機(jī)綜合保護(hù)系統(tǒng)的必要性和基本要求131采用微機(jī)保護(hù)的必要性現(xiàn)投入使用的高、中壓等級繼電保護(hù)設(shè)備幾乎均為微機(jī)保護(hù)產(chǎn)品，繼電保護(hù)領(lǐng)域的研究部門和制造廠家完全轉(zhuǎn)向微機(jī)保護(hù)的研究和制造，微機(jī)繼電保護(hù)成為了繼電保護(hù)發(fā)展的趨勢，這是由于微機(jī)保護(hù)顯示出優(yōu)于傳統(tǒng)繼電保護(hù)的特點(diǎn)。微機(jī)保護(hù)裝置優(yōu)點(diǎn)體現(xiàn)在以下幾個方面1維護(hù)調(diào)試方便2可靠性容易提高3可以方便的擴(kuò)充其他輔助功能4靈活性大5改善和提高保護(hù)的動作特性和性能6可以進(jìn)行遠(yuǎn)方監(jiān)控。132采用微機(jī)保護(hù)的基本要求同傳統(tǒng)的保護(hù)系統(tǒng)一樣，高壓配電裝置微機(jī)保護(hù)的基本要求是應(yīng)具有選擇性、快速性、靈敏性和可靠性。1選擇性故障時只切除故障部分的保護(hù)特性稱為保護(hù)動作的選擇性。當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)故障時，首先由故障設(shè)備或線路本身的保護(hù)切除故障，當(dāng)該保護(hù)或斷路器拒動時，才允許由相鄰設(shè)備、線路的保護(hù)切除故障。2速動性保護(hù)的速動性是指保護(hù)裝置應(yīng)能盡快的切除短路故障，其目的是提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，減輕故障設(shè)備和線路的損壞程度，縮小故障波及范圍，提高自動重合閘和備用電源或備用設(shè)備自動投入的效果等。3靈敏性保護(hù)的靈敏性是指在設(shè)備或線路的保護(hù)范圍內(nèi)發(fā)生故障時，保護(hù)裝置具有的正確動作能力的裕度，即靈敏度。微機(jī)保護(hù)易于實現(xiàn)一些較為先進(jìn)的保護(hù)原理和方法，可以有效的提高保護(hù)系統(tǒng)在最不利條件下的不拒動程度。4可靠性保護(hù)的可靠性是指在給定條件下的給定時間間隔內(nèi)，保護(hù)能完成所需功能的概率。保護(hù)所需功能是當(dāng)需要動作時便動作、當(dāng)不需要動作時便不動作。對于保護(hù)系統(tǒng)的可靠性要求在于既能在被保護(hù)對象突然發(fā)生故障時一定動作（不拒動），又能在其它狀態(tài)下不誤動。14本設(shè)計的主要內(nèi)容1分析井下高壓電網(wǎng)短路故障的特有特征，分析兩種中性點(diǎn)接地方式的礦井高壓電網(wǎng)漏電故障暫態(tài)與穩(wěn)態(tài)特征，以及對漏電保護(hù)方案有重要意義的零序電壓的變化規(guī)律。2針對各種故障特征，設(shè)計出針對性地保護(hù)方案，包括煤礦井下高壓電網(wǎng)微機(jī)選擇性速斷短路保護(hù)方案；“啟動于零序電壓及其突變量，選擇性動作于零序電流五次諧波比幅比相”選擇性漏電保護(hù)的方案；反時限的過載保護(hù)方案，基于附加直流檢測的礦井高壓電網(wǎng)電纜絕緣在線檢測保護(hù)方案，欠電壓保護(hù)增加了延時的功能等。完成井下6KV防爆開關(guān)綜合保護(hù)系統(tǒng)的保護(hù)方案的設(shè)計。3根據(jù)綜合保護(hù)系統(tǒng)的功能要求，選定單片機(jī)的型號，設(shè)計綜合保護(hù)系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)，完成保護(hù)系統(tǒng)的硬件與軟件設(shè)計。4保護(hù)裝置的工作現(xiàn)場存在著強(qiáng)電磁干擾，因此，要完成提高系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性和抗干擾性能的設(shè)計。2井下高壓電網(wǎng)故障分析21概述由于井下生產(chǎn)工作條件特殊，環(huán)境惡劣，特別是井下散熱條件差，空氣潮濕，空間狹窄，并且工作面上的電纜及電氣設(shè)備易受砸損等因素，因而易發(fā)生多種故障。具體地講，礦井電網(wǎng)及用電設(shè)備有短路、過、欠壓以及超過容許時間的過負(fù)荷等故障。井下電網(wǎng)的各類主要故障特征闡述如下漏電故障漏電故障在井下電網(wǎng)故障中占有60以上的比例，并且容易引發(fā)各類事故和更為嚴(yán)重的故障，因此其保護(hù)尤為重要。短路故障兩相短路，三相短路。三相短路電流較大，產(chǎn)生過電流燒壞電動機(jī)和線路；兩相短路造成三相電流的不對稱，根據(jù)對稱分量法，電網(wǎng)中將會出現(xiàn)負(fù)序及零序分量。負(fù)序電流使電動機(jī)產(chǎn)生反向制動力矩，零序分量增加了損耗，也會加劇電動機(jī)的振動。短路故障不但損壞用電設(shè)備與線路，而且短路電弧可能導(dǎo)致瓦斯煤塵爆炸。過負(fù)荷在一定程度上是允許過負(fù)荷的，關(guān)鍵在于確定符合實際的保護(hù)特性。也就是說要在電網(wǎng)承受能力和保證生產(chǎn)連續(xù)性兩方面做出權(quán)衡。22井下高壓電網(wǎng)短路故障分析當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生突然短路時，系統(tǒng)經(jīng)過一個暫態(tài)過程再進(jìn)入短路穩(wěn)定狀態(tài)。電流由正常值突然增大，經(jīng)暫態(tài)過程達(dá)到新的穩(wěn)態(tài)。三相短路的電流波形如圖21所示。圖21三相短路電流波形FIG21THESHORTCIRCUITCURRENTWAVESHAPE圖中為母線電壓，對于無限大電源容量系統(tǒng)，母線電壓維持不變；表示短路前的UI負(fù)荷電流，滯后的相位為；在0（此時0）時發(fā)生三相短路，所產(chǎn)生的和用UUZIF虛線表示，兩曲線在直角坐標(biāo)系上相加，就得到短路全電流的波形。大約經(jīng)過02S，非DI周期分量衰減到零，此后穩(wěn)態(tài)短路電流就等于周期分量。IZ三相短路屬于對稱性故障，三相電流在故障后仍然對稱，系統(tǒng)中只存在幅值增大的正序電流分量。發(fā)生短路時，由于系統(tǒng)中總阻抗大大減小，因而短路電流可能達(dá)到很大的數(shù)值。當(dāng)電網(wǎng)中發(fā)生兩相短路時，系統(tǒng)中不但存在正序分量，還存在負(fù)序分量1Z，但零序分量為零。并且兩相故障分量電流大小相等，方向相反。強(qiáng)大的短路電流所2Z產(chǎn)生的熱和電動力效應(yīng)會造成嚴(yán)重的后果，因此，必須立即切除。23井下高壓電網(wǎng)漏電故障分析煤礦安全規(guī)程規(guī)定，煤礦井下高壓電網(wǎng)必須采用中性點(diǎn)不直接接地方式。本節(jié)主要分析比較井下電網(wǎng)的兩種接地方式的漏電故障特征，為尋求一種合理有效的選擇性漏電保護(hù)方案提供理論基礎(chǔ)。231漏電故障暫態(tài)特征根據(jù)已有的研究結(jié)果，礦井高壓電網(wǎng)漏電故障的暫態(tài)過程有如下特征1單相接地電流暫態(tài)有效值比穩(wěn)態(tài)有效值大，瞬時值更大；2有消弧線圈補(bǔ)償時，在脫諧度P10的前提下，穩(wěn)態(tài)電流補(bǔ)償效果明顯而暫態(tài)電流得不到補(bǔ)償，故障支路的暫態(tài)電流是系統(tǒng)各支路電容電流的總和，且其方向與非故障支路電流方向相反。依據(jù)上述特征，可以利用鑒別首半波電流的大小和方向選出故障支路，因為暫態(tài)故障電流尚未被補(bǔ)償，所以不受中性點(diǎn)接地方式的影響。但是暫態(tài)電流大小受接地瞬間電壓初始相位的影響很大，當(dāng)漏電故障剛好發(fā)生在線電壓瞬時零值附近時，暫態(tài)電流很小可能導(dǎo)致誤判。232漏電故障穩(wěn)態(tài)特征1中性點(diǎn)對地絕緣電網(wǎng)在中性點(diǎn)對地絕緣的供電系統(tǒng)中，其漏電電流分布特點(diǎn)如圖25所示。圖中給出了我國煤礦高壓輻射式電網(wǎng)的典型模式，它由、四條支路構(gòu)成，、1L234L0ZT、分別為安裝于各條支路的零序電流互感器，由于一般高壓電網(wǎng)1ZT234ZT絕緣水平較高，故可假設(shè)各相對地電阻為，假設(shè)每條支路各相對地分布電容相等，分別以集中參數(shù)、來表示，并設(shè)支路的A相經(jīng)過渡電阻發(fā)0C123C44LDR生單相接地故障。圖22礦井6KV高壓中性點(diǎn)對地絕緣電網(wǎng)漏電電容電流分布特點(diǎn)FIG23THECAPACITIVECURRENTDISTRIBUTINGCHARACTERISTICOFUNDERGROUND6KVHIGHVOLTAGEDISTRIBUTIONNETWORKLEAKAGE電網(wǎng)各故障參數(shù)間存在如下關(guān)系A(chǔ)流過非故障支路零序電流互感器的電流為本支路的電容電流213,2130為支路號IUCJIII其相位超前90。0UB流過故障支路零序電流互感器的電流是其它所有非故障支路電容電之和2233210214CUJIIIDF其相位滯后90（故障支路自身產(chǎn)生的零序電流在該支路零序互感器中一去0一返兩次流過，對互感器而言相互抵消）。2中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地電網(wǎng)中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地的補(bǔ)償原理如圖27所示，其補(bǔ)償作用使得故障線路的電氣特征發(fā)生了變化。圖23礦井6KV高壓中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地電網(wǎng)漏電電容電流分布特點(diǎn)FIG24THECAPACITIVECURRENTDISTRIBUTINGCHARACTERISTICOFUNDERGROUND6KVHIGHVOLTAGEDISTRIBUTIONNETWORKLEAKAGE當(dāng)無漏電電流時，中性點(diǎn)電壓0，電感電流0。當(dāng)A相經(jīng)過渡電阻接ULIDR地時，中性點(diǎn)出線零序電壓，在作用下，有一感性電流通過電感流入大地，其值0為23LJJIL00這一感性電流與各個線路的對地電容電流向疊加，使得流經(jīng)過渡電阻的電流為241304321CUJIIILD根據(jù)L值的不同分為，完全補(bǔ)償，欠補(bǔ)償，過補(bǔ)償三種情況A時，接地點(diǎn)處的感性電流和容性電流大小相等，方向相反互相抵消，013C此時漏電電流，稱為完全補(bǔ)償。流過故障支路的電流是自身對地的電容電DI4ZT4L流，與支路的零序電流同相位，均超前90，其大小由該支路的對地分布電容大小決定。0UB當(dāng)L取值較大時，使時，漏電電流呈容性，稱為欠補(bǔ)償。流過的LC134ZT電流是此反向殘余電流與支路自身對地的電容電流之和，其值隨支路長短不同而不同，相位也因支路長短不同而超前或滯后于。0UC當(dāng)L取值偏小時，使時，漏電電流呈現(xiàn)感性，稱為過補(bǔ)償。流過LC134ZT的電流是感性殘余電流與該支路自身電容電力疊加而成的零序電流，其大小隨支路的長短而變化，相位與其他支路電容電流相同。24過載故障分析過載在電流故障中是最常見的故障，是一種非正常運(yùn)行狀態(tài)，過載以后電流相位對稱，幅值大于額定電流。過載保護(hù)是指電流超過電器設(shè)備限定的范圍，保護(hù)裝置能在一定的時間內(nèi)切斷線路，保護(hù)設(shè)備不受損壞。電動機(jī)過載將導(dǎo)致電動機(jī)過熱，但又允許在低倍過載的情況下運(yùn)行一段時間，電動機(jī)的過載特性應(yīng)該具有反時限的特征。另外，在電動機(jī)多次反復(fù)短時間過載，而每次過載的時間均小于容許時間時，保護(hù)裝置不會動作，但由于電動機(jī)自身的熱積累可能使電動機(jī)燒毀。因此，電動機(jī)的過載保護(hù)應(yīng)該具有記憶電動機(jī)的熱積累的功能，當(dāng)熱積累到使電動機(jī)繞組的實際溫度達(dá)到會顯著降低絕緣壽命的程度時，要求保護(hù)系統(tǒng)給與保護(hù)。25欠電壓故障分析目前我國礦井井下高壓配電裝置中都設(shè)置有瞬動的電磁式欠電壓保護(hù)，當(dāng)電壓在85UN（額定電壓）以上時可靠吸持，當(dāng)電壓在35UN及以下時瞬時釋放使開關(guān)跳閘。該保護(hù)元件稱為失壓脫扣器，其作用是防止停電后恢復(fù)供電時批量電動機(jī)同時啟動時對電網(wǎng)的沖擊，也可以防止某些電動機(jī)自啟動引發(fā)機(jī)械傷人事故。由此產(chǎn)生的問題是當(dāng)?shù)孛?35KV系統(tǒng)發(fā)生短暫停電、暫時短路或電壓閃變時，就有可能因瞬動的欠電壓保護(hù)導(dǎo)致地面與井下大面積停電，此后井下人工全面恢復(fù)供電約需要26小時，對礦井的安全和生產(chǎn)都有嚴(yán)重的影響。26絕緣監(jiān)視故障分析在煤礦井下6KV供電系統(tǒng)中，電能是由地面變電所經(jīng)兩條或多條高壓電纜送至井下中央變電所，然后用成套配電裝置經(jīng)高壓電纜饋送給井下各高壓負(fù)荷，要求向工作面供電的高壓配電裝置綜合保護(hù)器中除裝有選擇性漏電保護(hù)以外，還必須設(shè)置對雙屏蔽電纜的監(jiān)視保護(hù)。在雙屏蔽電纜中，A、B、C三相各分相屏蔽層與外屏蔽層連接在一起形成接地層，在分相屏蔽層外面，有各相監(jiān)視層，將這三相監(jiān)視層連接在一起稱為監(jiān)視線。由于雙屏蔽電纜具有以上的特殊結(jié)構(gòu)，當(dāng)電纜在井下因冒頂?shù)仍蚴艿绞瘔K或其他硬物砸傷時，通常首先破壞雙屏蔽電纜的監(jiān)視層和屏蔽層，造成接地線與監(jiān)視線之間的短路或斷路故障。并且各主芯線都有分相絕緣層和分相屏蔽層，分相屏蔽層與地相連，所以，無論任何原因?qū)е码娎|損壞使其發(fā)生兩相短路或三相短路故障前，主芯線將首先與分相屏蔽電纜接觸而形成漏電故障。3井下高壓防爆開關(guān)綜合保護(hù)系統(tǒng)的保護(hù)方案設(shè)計31短路保護(hù)根據(jù)上一章的分析，可以看出煤礦井下高壓電網(wǎng)短路故障保護(hù)分為兩部分，一是單臺配電裝置保護(hù)單一線路或單個電器設(shè)備的速斷保護(hù)，應(yīng)用在單個設(shè)備的保護(hù)使用瞬時速斷保護(hù)是合理的；二是針對井下高壓電網(wǎng)系統(tǒng)的短路故障保護(hù)。311短路保護(hù)原理三相對稱性短路故障在井下電網(wǎng)發(fā)生的幾率并不高，而且往往是由其它一些因素（如對稱性漏電）引發(fā)的。但由于其故障能量高，對線路和設(shè)備的危害極大，因此必須對對稱性短路采取妥善的措施進(jìn)行保護(hù)。在高壓配電裝置中，對于各種短路故障都應(yīng)采用速斷保護(hù)?！拌b幅式”的問題在于若要保護(hù)全線路，則應(yīng)按保護(hù)范圍末端最小兩相短路電流整定，要求整定值小，因而在大型電動機(jī)起動時易造成保護(hù)的誤動作；若要躲過起動電流，則要求整定值必須大，此時將不能保護(hù)線路全長而且靈敏度也非常低。為了有效的區(qū)別起動電流和短路電流，采用相敏保護(hù)原理。由于井下的負(fù)載均為感性負(fù)載，在大型電動機(jī)啟動時，功率因數(shù)比較低（一般COS在05以下），而在對稱短路故障時，功率因數(shù)很高COS在09以上，所以采用基于功率因數(shù)檢測的相敏保護(hù)原理不但可以提高對稱短路保護(hù)的靈敏度，而且還能保證其動作的可靠性。相敏保護(hù)的基本出發(fā)點(diǎn)是既檢測短路電流的大小，同時又檢測短路回路的阻抗角，兩者相與，通過檢測電流滯后電壓的相位角來區(qū)別起動電流和短路電流這在軟件上很容易實現(xiàn)。圖31是相敏保護(hù)的保護(hù)特性。圖中，橫線為單獨(dú)鑒幅式的保護(hù)特性，相敏特性為鑒幅值和鑒相值相與后所構(gòu)成的保護(hù)特性，即31CICOS由式（31）可見，只要選擇合適的常數(shù)C，就能獲得躲過電動機(jī)起動電流的保護(hù)特性。圖31相敏保護(hù)的保護(hù)特性FIG31THECHARACTERISTICOFPHASESENSITIVEPROTECTION但相敏保護(hù)也不是完全可靠的。如果在變壓器的出口處發(fā)生短路，由于變壓器的內(nèi)阻很小，其阻抗主要表現(xiàn)為電感，即有TRTX32R這種情況下的功率因數(shù)COS很低，一般小于02，所以相敏保護(hù)也存在一定的“死區(qū)”。為了消除這一弊端，需要采取另外一種附加措施即當(dāng)線路電流特別大（如大于動作整定值的三倍以上時），不管相位角（功率因數(shù)）如何，短路保護(hù)都應(yīng)立即動作。綜上所述，相敏保護(hù)的動作條件概括為或33DZKIDZICOS在（33）式中，為實測短路電流的大小，為按實際設(shè)定的整定電流的倍數(shù)，DIK為動作整定電流。DZI312選擇性短路保護(hù)系統(tǒng)方案目前煤礦井下高壓電網(wǎng)的短路保護(hù)都設(shè)置為瞬時速斷，這可以更好的保護(hù)線路和設(shè)備。由于井下高壓電網(wǎng)大部分是由多段電纜組成的逐級控制干線式縱向網(wǎng)絡(luò)，各段短路電流相差很小，縱向選擇性很難從電流的幅值上區(qū)別開來，以至于難以構(gòu)成選擇性速斷保護(hù)系統(tǒng)。本節(jié)在相敏原理的短路保護(hù)的基礎(chǔ)上提出了具有選擇性的煤礦井下高壓電網(wǎng)微機(jī)選擇性速斷保護(hù)方案，根據(jù)此方案可以在配電裝置的短路保護(hù)中做相應(yīng)的設(shè)置來實現(xiàn)井下高壓電網(wǎng)短路保護(hù)的選擇性。圖32是選擇性微機(jī)速斷短路保護(hù)系統(tǒng)的原理圖，為便于分析，該方案采用4級保護(hù)線路來分析，圖中各級保護(hù)系統(tǒng)設(shè)置為各級斷路器均設(shè)置短限時速斷和反時限短路保護(hù)；短限時速斷為主保護(hù)，保護(hù)線路全長并作遠(yuǎn)后備保護(hù)；反時限短路保護(hù)作為本線路的近后備保護(hù)；設(shè)置微機(jī)處理控制單元，如圖中，沿線設(shè)置通信線；各級保41CS護(hù)均具有瞬時起動，延時02秒跳閘的功能。該保護(hù)系統(tǒng)的邏輯判斷根據(jù)由于井下高壓電網(wǎng)電纜每段長度都較短，當(dāng)某段流過的電流過大時，保護(hù)無法判斷到底是本級發(fā)生短路還是下級發(fā)生短路，只需把下級各段線路是否出現(xiàn)過電流的信號告訴上級，上級根據(jù)收到的電流信號進(jìn)行匯總處理，作簡單的邏輯判斷后即可正確判斷由哪段線路開關(guān)動作，其中上級和下級之間通過串行通信的多機(jī)通信方式來傳遞電流信號。圖32煤礦井下高壓電網(wǎng)微機(jī)選擇性速斷短路保護(hù)系統(tǒng)FIG32THESHORTCIRCUITPROTECTIONSYSTEMWITHSELECTIVEANDRAPIDMICROCOMPUTEROFHIGHVOLTAGEDISTRIBUTIONNETWORKINUNDERGROUND該井下高壓微機(jī)選擇性限時速斷過流保護(hù)系統(tǒng)是通過微機(jī)來實現(xiàn)的，通過微機(jī)的多機(jī)通信來實現(xiàn)，每段線路上都安裝有獨(dú)立的微機(jī)系統(tǒng)，因此該硬件系統(tǒng)由三臺分機(jī)和一臺主機(jī)組成，主機(jī)對應(yīng)開關(guān)為圖32所示地面變電所6KV母線，三臺分機(jī)對應(yīng)開關(guān)分別為圖32所示井下中央變電所、1采區(qū)變電所、2采區(qū)變電所。該保護(hù)系統(tǒng)的實現(xiàn)過程在每個斷路器的入端串接一個過電流傳感器（該裝置也可與保護(hù)開關(guān)封裝在一起）。當(dāng)流過電流傳感裝置的電流小于本段線路整定的動作電流時，該過電流傳感裝置產(chǎn)生一個邏輯“0”信號（即低電平），由分機(jī)通過信號線傳送到主機(jī)中去；當(dāng)流過此電流傳感裝置的電流大于或等于本段線路整定的動作電流時，該過流傳感裝置產(chǎn)生一個邏輯“1”信號（即高電平），也由分機(jī)通過信號線傳送到主機(jī)中去。主機(jī)根據(jù)接收的電平信號數(shù)量多、少和相應(yīng)的事先約定的分機(jī)編號進(jìn)行邏輯分析判斷，可確定應(yīng)該由哪級開關(guān)跳閘，然后向該級分機(jī)發(fā)出跳閘指令，分機(jī)收到跳閘指令后瞬時跳閘。也就是說只有下級各線路都未出現(xiàn)過流，但本級線路出現(xiàn)過流時，本線路開關(guān)才動作。該方法可用簡單的結(jié)構(gòu)示意圖33來表示。圖33方法的簡單結(jié)構(gòu)示意圖FIG33SCHEMATICDIAGRAMOFMETHOD該系統(tǒng)保護(hù)原理為當(dāng)在所在線路發(fā)生過流故障時，保護(hù)4必起動，而保護(hù)4K13則可能起動，在01秒內(nèi)必發(fā)送高電位信號至，而、可能發(fā)送高CS1CS23S電位至，根據(jù)所收到的“1”的數(shù)量為1并通過邏輯分析判斷識別到其中含有1CS發(fā)來的信號，則可判斷是所在線路發(fā)生過流故障，則由主機(jī)給發(fā)跳閘通信指44K4令，收到后使4QF瞬時跳閘；01秒后故障解除，保護(hù)1、2、3均返回。當(dāng)在所在線路發(fā)生過流故障時，、均不發(fā)信號，由1QF跳閘切除1K2CS34S故障。該系統(tǒng)微機(jī)保護(hù)邏輯判斷真值表如下表31邏輯判斷真值表TAB31THELOGICJUDGMENTOFTRUEVALUE短路點(diǎn)信號電平值邏輯判斷結(jié)果CS1CS2CS3CS41K10001QF跳閘211002QF跳閘31010103QF跳閘4K10101014QF跳閘本保護(hù)方案為了便于分析采用了4級保護(hù)線路，該方案保護(hù)級數(shù)可達(dá)6級，能夠滿足煤礦井下高壓電網(wǎng)短路保護(hù)的需要。313短路保護(hù)的方案設(shè)置從前面的分析可以看出，瞬時速斷和短限時速斷都有各自的應(yīng)用范圍，因此在設(shè)計新的綜合保護(hù)系統(tǒng)時，必須要做到揚(yáng)長避短。通過仔細(xì)分析我們不難發(fā)現(xiàn)，瞬時速斷可以體現(xiàn)短路保護(hù)的快速性，一般應(yīng)用在單個電器或線路的保護(hù)中，而短時限速斷保護(hù)又能體現(xiàn)系統(tǒng)的選擇性，事實上，礦井高壓電網(wǎng)短路保護(hù)應(yīng)該滿足這兩個基本要求。因此，本文對礦井6KV電網(wǎng)防爆開關(guān)綜合保護(hù)系統(tǒng)的短路保護(hù)提出了短路保護(hù)設(shè)置在瞬時速斷的基礎(chǔ)上設(shè)置一定的短時限延時，用來滿足短路保護(hù)系統(tǒng)的選擇性。32漏電保護(hù)我國煤礦高壓電網(wǎng)屬于小電流接地系統(tǒng)，并采用電纜供電方式。按照煤礦安全規(guī)程規(guī)定煤礦變電所高壓饋電線上，應(yīng)該設(shè)有選擇性漏電保護(hù)裝置。本節(jié)設(shè)計出一種靈敏度高、選線準(zhǔn)確，能同時適用于不同接地方式的礦井高壓電網(wǎng)選擇性漏電保護(hù)方案。采用諧波方向型漏電保護(hù)原理，并采用“啟動于零序電壓及其突變量，選擇性動作于零序電流五次諧波比幅比相”的技術(shù)方案。321諧波方向型選擇性漏電保護(hù)原理諧波方向型保護(hù)裝置是利用高壓電網(wǎng)所含的諧波成份來實現(xiàn)選擇性的。諧波是高壓電網(wǎng)中固有的成份，在電網(wǎng)發(fā)生接地故障后，零序電壓和零序電流中均含有一定量的諧波成份，而各次諧波在大小和相位關(guān)系上仍具有工頻成分的特點(diǎn)。其中以三次、五次諧波成分較大，由于三次諧波受變壓器接線組別的影響，更因其方向一致，使得相間沒有三次諧波電壓，而五次諧波不受此影響，且諧波中五次諧波含量較大，所以提取五次諧波較為理想。當(dāng)發(fā)生漏電故障時，電網(wǎng)中零序電壓和零序電流的五次諧波成分同樣具有在上一章中所總結(jié)的高壓電網(wǎng)漏電故障的電氣特征。鑒于諧波方向型漏電保護(hù)方法適用于不同的接地方式，下面重點(diǎn)分析以經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)為例的諧波方向型漏電保護(hù)。在變壓器中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地的電網(wǎng)中，消弧線圈的電感電流主要補(bǔ)償電容電流的基波成分，由于電感的感抗和電容的容抗隨著電流頻率的變化而變化。設(shè)基波的角頻率為，當(dāng)完全補(bǔ)償時，基波感抗和容抗的關(guān)系為，然而，CL31此時的五次諧波感抗和容抗的關(guān)系為，可見對五次諧波成分而言，其感抗CL531是基波分量的5倍，而容抗則是基波分量的，單相接地時，通過故障支路的五次諧波51電容電流34CUJIZSC553式中為等值五次諧波零序電壓。設(shè)消弧線圈未飽和且過補(bǔ)償時的脫諧度5ZSUP10，可算得35CL31通過故障支路五次諧波電感電流36UJIZSZSL555由式（34）、（36）兩式得3723535CJILC式（37）表明，此時5次諧波電容電流是電感電流的23倍，可見，5次諧波成分不能被補(bǔ)償?shù)?，其殘余?次諧波電容電流為38CUJJIIZSZSLCZS555314321由以上分析可知，無論處于完全補(bǔ)償還是欠補(bǔ)償或過補(bǔ)償時，在電網(wǎng)發(fā)生接地故障時，5次諧波電容電流均不能被補(bǔ)償?shù)?，它們在電網(wǎng)中的分布規(guī)律與基波電流在中性點(diǎn)對地絕緣的電網(wǎng)中分布規(guī)律相同，實際中由于消弧線圈本身也可能飽和，殘余的5次諧波電容電流可能會大些，但仍然不能補(bǔ)償5次諧波電容電流。這樣就可以利用零序電流和零序電壓中的五次諧波信號的分布規(guī)律來實現(xiàn)選擇性不受中性點(diǎn)接地方式的影響，即構(gòu)成了諧波方向型漏電保護(hù)，該類型保護(hù)通常是采用微機(jī)進(jìn)行控制的。322礦井高壓電網(wǎng)漏電保護(hù)啟動零序電壓的選擇由于傳統(tǒng)諧波方向型漏電保護(hù)的靈敏度較低，因此要在傳統(tǒng)的礦井高壓電網(wǎng)選擇性漏電保護(hù)方案的基礎(chǔ)上進(jìn)行改造，以提高其靈敏度。選擇性漏電保護(hù)的靈敏度與漏電保護(hù)的啟動量有關(guān)，啟動量值越小，靈敏度越大，啟動量值越大，靈敏度越低。本文采用零序電壓及其突變量作為漏電保護(hù)的啟動量，因此，要在傳統(tǒng)諧波方向型漏電保護(hù)的基礎(chǔ)上提高其靈敏度，則必須要盡量減小零序電壓啟動值的數(shù)值。1礦井高壓電網(wǎng)漏電保護(hù)啟動零序電壓選擇根據(jù)現(xiàn)行的工業(yè)與民用電力裝置的過電壓保護(hù)設(shè)計規(guī)范第三章過電壓保護(hù)裝置中第342條規(guī)定中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地的電力網(wǎng)，在正常運(yùn)行情況下，中性點(diǎn)的長時間電壓偏移不應(yīng)超過額定相電壓的15。根據(jù)此規(guī)定可以確定合適的零序電壓定值，對于中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地的6KV礦井高壓電網(wǎng)，相電壓為V3934660U此時消弧線圈上的電壓，也就是礦井高壓電網(wǎng)中性點(diǎn)偏移電壓范圍為0UV3105201150即中性點(diǎn)零序電壓不能長時間超過520V，而對于310KV非直接接地系統(tǒng)，在單項接地故障時存在如下規(guī)律，即無論接地方式如何變化，零序電壓均由0V至金屬性接地時的100V開口三角形輸出的零序電壓。因此，電壓互感器二次開口三角零序電壓為311NUU033121因此轉(zhuǎn)換到電壓互感器二次開口三角零序電壓值為V31351030UU可選取最大中性點(diǎn)偏移電壓作為選擇性漏電保護(hù)零序電壓啟動值，即15V。比傳0U統(tǒng)設(shè)定的零序電壓啟動值40V有了一定的改進(jìn)，靈敏度也就相應(yīng)的得到提高。2礦井高壓電網(wǎng)漏電保護(hù)啟動零序電壓突變量選擇當(dāng)線路4發(fā)生漏電故障時，各條線路的突變量變化非常明顯，因此，為提高選擇性漏電保護(hù)的可靠性，啟動參數(shù)中除采用零序電壓穩(wěn)態(tài)值外，還選用了零序電壓突變量檢測，可以避免電網(wǎng)負(fù)荷不平衡、電網(wǎng)干擾等引起漏電保護(hù)誤動，這樣就能減少因零序電壓啟動值降低而帶來的誤動率。零序電壓突變量選為31400NKKU式中，為零序電壓某一時刻的采樣值，而為比時刻早10MS的采樣KU00NKK值，N為半個工頻周期內(nèi)的采樣點(diǎn)數(shù)，為時刻的零序電壓突變量。KU0礦井高壓電網(wǎng)正常運(yùn)行時，和的絕對值應(yīng)當(dāng)接近相等，反映的是礦井電網(wǎng)K0N的自然不平衡電壓；當(dāng)?shù)V井電網(wǎng)發(fā)生漏電故障后，電網(wǎng)零序電壓突變，出現(xiàn)。本文KU0零序電壓突變量值按工程值選取3V。因此本文可選取15V,3V，作為0U0U選擇性漏電保護(hù)啟動值，該啟動值不隨高壓電網(wǎng)對地總電容的變化而變化，具有穩(wěn)定性。能提高傳統(tǒng)諧波方向型靈敏度低的問題，誤動率也不會增加。323諧波方向型礦井高壓電網(wǎng)選擇性漏電保護(hù)方案本文設(shè)計的目的就是設(shè)計出適用于不同中性點(diǎn)接地方式的礦井高壓電網(wǎng)選擇性漏電保護(hù)方案。由以上論述可知，利用零序電流和零序電壓中的五次諧波信號所具有的分布規(guī)律可以實現(xiàn)選擇性，由高壓電網(wǎng)諧波特性可知，無論是零序電壓還是零序電流的5次諧波成份，其相位穩(wěn)定性好，而幅度波動性較大，若取用其幅值作為判斷故障支路的依據(jù)時可能會降低保護(hù)的可靠性。另外，零序電壓幅值的穩(wěn)態(tài)特性也不受中性點(diǎn)接地方式的影響（直接接地除外），其5次諧波成份也不受中性點(diǎn)接地方式的影響。若忽略三相電網(wǎng)中零序阻抗電壓降的影響，電網(wǎng)中的任何中性點(diǎn)對地零序電壓均相同，另外，零序電壓幅值的穩(wěn)態(tài)特性也不受中性點(diǎn)接地方式的影響，故可以采用零序電壓基波成分作為漏電保護(hù)的啟動信號。根據(jù)以上理論依據(jù)和綜合考慮各種因素，就可以設(shè)計出“啟動于零序電壓及其突變量，選擇性動作于零序電流五次諧波比幅比相”的選擇性漏電保護(hù)方案。33過負(fù)荷（過載）保護(hù)過負(fù)荷保護(hù)是高壓電網(wǎng)最基本的保護(hù)之一。一定范圍或一定時間內(nèi)的過負(fù)荷是允許的，但長時間的過負(fù)荷導(dǎo)致熱量的積累，最終使電氣設(shè)備損壞。過負(fù)荷保護(hù)采取電流取樣原則，并遵照反時限特性進(jìn)行保護(hù)。如果被保護(hù)線路電流超過預(yù)先整定的數(shù)值，保護(hù)系統(tǒng)響應(yīng)，經(jīng)過相應(yīng)的整定時間后，發(fā)出跳閘信號，切斷電源達(dá)到保護(hù)的目的。電流過負(fù)荷倍數(shù)K（過負(fù)荷倍數(shù)）與允許過負(fù)荷時間的關(guān)系，即過1NIKT負(fù)荷的特性曲線,如圖34所示。圖34過負(fù)荷特性曲線FIG34CHARACTERISTICSOFOVERLOAD過負(fù)荷是一種三相對稱性故障，目前確定特性仍未有統(tǒng)一的意見，現(xiàn)在已經(jīng)提TK出了許多不同的方案，但由于現(xiàn)場實際情況的不同，高壓線路和設(shè)備過負(fù)荷特性也很難統(tǒng)一確定。34欠電壓保護(hù)341欠電壓保護(hù)增加延時的作用對井上、下高壓配電裝置中的欠電壓保護(hù)進(jìn)行增加延時功能的技術(shù)改造，可使大部分線路和用電設(shè)備躲過供電系統(tǒng)的短暫停電或電壓閃變，仍能正常工作。342欠電壓保護(hù)延時與瞬時的選擇若所有的高壓欠電壓保護(hù)都改為延時動作，則前述瞬動型欠電壓保護(hù)的作用又無法實現(xiàn)，分析礦井供電系統(tǒng)，特別是井下高壓供電系統(tǒng)，根據(jù)既要避免電動機(jī)同時啟動和自啟動傷人事故，又要減少系統(tǒng)短暫停電或電壓的閃變所引起的停電范圍的原則，可將礦井610KV高壓配電裝置按欠電壓保護(hù)延時與否分為兩類1采用延時型欠電壓保護(hù)的高壓配電裝置各高壓線路進(jìn)、出線開關(guān)，提升、高壓、風(fēng)機(jī)類高壓電動機(jī)的控制開關(guān)；2采用瞬時型欠電壓保護(hù)的高壓配電裝置水泵、運(yùn)輸、采掘機(jī)械高壓電動機(jī)的控制開關(guān)。343動作時間根據(jù)延時型欠電壓保護(hù)的作用，其動作時間必須比各級線路定時過流保護(hù)動作時間、自動重合閘的延時時間、備用電源自動投入裝置的動作時間長一個級差（05S）。一般礦井35KV電源線路，其定時過流保護(hù)的動作時間約為12S，35KV自動重合閘的時間，應(yīng)比本級定時過流保護(hù)高一個級差，即1525S；礦井地面610KV饋出線（含井下電纜）定時過流保護(hù)的動作時間一般1S，而井下610KV線路目前全部采用速斷保護(hù)，顯然，延時型欠電壓保護(hù)的動作時間應(yīng)為23S。344欠電壓保護(hù)方案井下高壓配電裝置中已批量采用以微機(jī)為核心的綜合保護(hù)裝置，此時欠電壓保護(hù)可以作為綜合保護(hù)中的一個單元組件，設(shè)定相對獨(dú)立的子程序，可根據(jù)需要設(shè)置瞬時動作型或延時23S動作型，并按85，65和35分檔。具體地，對于延時動作NUNNU型欠電壓保護(hù)，當(dāng)采集模塊采集到線路電壓85時，程序不做反映；而線路電壓降到65時，則程序轉(zhuǎn)到報警子程序；當(dāng)線路電壓35時，程序?qū)嵤┭訒r23S，延時NUN時間到時線路電壓若仍為35，則程序立即輸出跳閘指令，實現(xiàn)延時型的欠電壓保護(hù)。NU35絕緣監(jiān)視保護(hù)高壓防爆開關(guān)綜合保護(hù)系統(tǒng)中使用的監(jiān)視保護(hù)主要依據(jù)以下三種原理終端加整流二極管的直流監(jiān)視保護(hù)原理；終端加電阻的附加直流電源的監(jiān)視原理；終端加整流二極管的二次諧波監(jiān)視保護(hù)原理。本保護(hù)器在比較了以往保護(hù)原理后，采用了基于附加直流檢測的礦井高壓電網(wǎng)電纜絕緣在線監(jiān)視原理，原理圖如圖35所示。圖35絕緣監(jiān)視電路示意圖FIG35SCHEMATICOFMONITORINGPROTECTIONFORHVCABLE圖中，、為雙屏蔽電纜的等效電阻，其中為監(jiān)視線與接地線之間的回路電DRRDR阻，為監(jiān)視線與接地線直接的絕緣電阻,為終端元件，通常為1K的電阻，為限RA1R流電阻，為取樣電阻，其兩端的電壓為取樣電壓，它反映和的變化。為00UDRJU附加直流電源電壓。當(dāng)監(jiān)視線與接地線之間發(fā)生短路故障時，電阻兩端的電壓大于正常情況下的電壓0U值，當(dāng)監(jiān)視線或接地線發(fā)生故障時，電阻兩端的電壓小于正常情況下的電壓值，0R因此可以通過判斷電阻兩端的電壓的大小就可以判斷出檢測回路是否處于故障狀0RU態(tài)。4綜合保護(hù)系統(tǒng)的總體規(guī)劃與硬件電路設(shè)計本文所設(shè)計的井下高壓配電裝置綜合保護(hù)器具有短路、漏電、過載、絕緣監(jiān)視、欠電壓等多種保護(hù)功能，總體結(jié)構(gòu)圖如圖41所示。圖41綜合保護(hù)器總體結(jié)構(gòu)示意圖FIG41THEARCHITECTUREDIAGRAMOFCOMPREHENSIVEPROTECTOR綜合保護(hù)器由以下幾部分構(gòu)成1微機(jī)控制單元用于實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、計算、邏輯判斷、分析和處理，并對處理結(jié)果進(jìn)行適當(dāng)控制、定時等功能。2模擬量輸入單元用于將被保護(hù)元件線路、母線、變壓器等電壓互感器和電流互感器的二次側(cè)的模擬電壓和電流變換成數(shù)據(jù)處理單元能夠接受的數(shù)字量。3保護(hù)單元對于電網(wǎng)中的短路故障，要求短時限延時速斷和瞬時速斷相配合；對于變壓器、電機(jī)或其他負(fù)載出現(xiàn)過載時，施行反時限保護(hù)；提取零序電壓、零序電流及其五次諧波，并對零序電流的5次諧波進(jìn)行比幅比相，對單相接地故障實行選擇性漏電保護(hù)；欠電壓保護(hù)的延時保護(hù)。4開關(guān)量輸入、輸出單元輸入微機(jī)保護(hù)的開關(guān)量包括控制面板上的切換開關(guān)、由裝置外引入的控制對象的狀態(tài)接點(diǎn)等；輸出的開關(guān)量包括面板上的信號指示、保護(hù)出口跳閘信號等。5人機(jī)接口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)、故障顯示等。6通信單元通過RS485接口實現(xiàn)與上位機(jī)或PC機(jī)進(jìn)行串口通信。41CPU主系統(tǒng)本設(shè)計微機(jī)綜合保護(hù)系統(tǒng)是以80296SA型單片機(jī)為核心，根據(jù)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集到的電力系統(tǒng)的實時狀態(tài)數(shù)據(jù)，按照給定算法來檢測電力系統(tǒng)是否發(fā)生故障以及故障性質(zhì)、范圍等，并由此做出是否需要跳閘或報警等判斷的一種安全裝置。41180296SA單片機(jī)介紹80296SA單片機(jī)的主要特點(diǎn)簡要說明如下。80296SA是帶有DSP功能的16位微控制器，適合于應(yīng)用在需要進(jìn)行數(shù)字信號處理的場合。80296SA的外圍接口包括一個事件處理陣列（EPA）（用于從事與兩個帶有4個捕捉/比較通道的定時器計數(shù)器TIME1和TIME2相聯(lián)系的I/O功能）、三個通道PWM信號發(fā)生器，一個帶有波特率發(fā)生器的SIO串行接口以及6個片選的存儲器控制器。外圍接口SFR是I/O的控制寄存器，地址1F00H1FFFH，可以設(shè)置為窗口。80296SA還包括一個總線出讓電路，允許一個外部器件對總線控制。80296SA采用100腳QFP封裝，它的管腳與80C196NU和80C196NP管腳兼容。圖42就是80296SA單片機(jī)的管腳示意圖。80296本身的I/O口很多，所以不需要外擴(kuò)I/O，由于80296內(nèi)部有2KRAM，所以也不需要數(shù)據(jù)存儲器。圖42中，管腳A015是系統(tǒng)地址總線，管腳A1619可提供地址位的1619位，同時與擴(kuò)展地址端口EPORT03共用端口。AD0D15是地址數(shù)據(jù)總線，接收來自A/D的轉(zhuǎn)換完成數(shù)據(jù)。P1017、P2027、P3037、P4043都是標(biāo)準(zhǔn)8位的輸入輸出口。使用片外時鐘源，晶振的頻率為12MHZ。CS0CS5與P3035公用管腳為片選，CS0選擇程序存儲器，CS2選擇NVSRAM，CS3選擇A/D轉(zhuǎn)換器。圖4280296SAFIG4280296SA412外圍擴(kuò)展電路本保護(hù)系統(tǒng)中，除了中央處理器采用INTEL80296SA外，控制單元還擴(kuò)展了一些外圍芯片，包括一片程序存儲器AT49F1025、一片非易失時鐘RAM芯片DS1664、一片看門狗UP監(jiān)控芯片MAX705和晶振電路。圖43程序存儲器AT49F1025和RAM芯片DS1664應(yīng)用電路圖FIG43APPLICATIONCIRCUITOFAT49F1025ANDDS166480296SA單片機(jī)內(nèi)沒有程序存儲器，需要擴(kuò)展，本文選用的是FLASH存儲器AT49F1025。這是一種16位的1M閃存，它讀寫速度可以達(dá)到45NS，而功率消耗僅為275MW。AT49F1025的容量和速度完全可以滿足系統(tǒng)的要求。保護(hù)系統(tǒng)需要有實時的時鐘信息，以便故障發(fā)生后，追憶故障發(fā)生時間和信息。同時，整定值的存放需要選擇非易失性的SRAM，當(dāng)系統(tǒng)斷電重新啟動時，不需要重新進(jìn)行整定，本文選用了32K8非易失性靜態(tài)RAM芯片DS1644，它包括一個完備的實時時鐘。復(fù)位電路用于啟動或者重新啟動CPU，令其進(jìn)入或者返回到預(yù)知的循環(huán)程序并順序執(zhí)行。一旦CPU處于未知狀態(tài)，比如程序“跑飛”或進(jìn)入死循環(huán)，就需要將系統(tǒng)復(fù)位。單片機(jī)80296SA的RESET引腳上出現(xiàn)復(fù)位信號時，各I/O引腳、控制引腳以及各寄存器進(jìn)入復(fù)位狀態(tài)，在保護(hù)器中使用了三種復(fù)位的方式手工復(fù)位、軟件復(fù)位和看門狗復(fù)位。本文選用的看門狗芯片是MAX705，它是一個CMOS監(jiān)控電路，能夠監(jiān)控電源電壓、電池故障和微處理器CPU的工作狀態(tài)。除上電復(fù)位和掉電復(fù)位外，它還集成了電壓監(jiān)控和看門狗的功能，當(dāng)供電電壓出現(xiàn)異常時提供預(yù)警指示或中斷請求信號方便系統(tǒng)實現(xiàn)異常處理?？撮T狗定時器當(dāng)系統(tǒng)程序跑飛或死鎖時復(fù)位系統(tǒng)。MAX705的電路圖如圖44所示。圖44MAX705應(yīng)用電路圖FIG44APPLICATIONCIRCUITOFMAX70542模擬量交流采樣單元模擬量輸入單元對于高壓配電裝置保護(hù)器來說非常重要，系統(tǒng)采集電網(wǎng)的物理量，通過運(yùn)算來判斷電網(wǎng)的目前運(yùn)行狀況，以發(fā)出正確的控制信息。本文中采用交流采樣技術(shù)，模擬量輸入的原理框圖，如圖45所示。圖45交流采樣原理框圖FIG45FLOWCHARTOFALTERNATINGSAMPLING本設(shè)計需要直接進(jìn)入A/D轉(zhuǎn)換的信號有三相電流信號，兩相電壓信號以及附加直流電源中的測量取樣電阻兩端的直流電壓信號。A/D變換器只能接受幅值在小范圍內(nèi)變化的電壓信號。而井下高壓電網(wǎng)中的交流電壓、電流信號，在經(jīng)過一次互感器變換過后，幅值仍然超出A/D所能允許的范圍。此外，信號在導(dǎo)線傳輸過程中，會受到工作環(huán)境的干擾，對于電壓信號，經(jīng)過傳輸后，幅值還會衰減。因此在電參數(shù)傳輸通道中，必須設(shè)置信號調(diào)理電路，使信號在濾除干擾后，能變成幅值大小適當(dāng)?shù)男盘柌⑺腿階/D轉(zhuǎn)換器，以便CPU來采樣處理。421電壓形成回路電壓和電流互感器性能的優(yōu)劣直接影響采集信號的精度，關(guān)系到系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性，所以電壓形成回路的設(shè)計很重要。圖46電壓信號通道原理圖FIG46THESCHEMATICCIRCUITOFTHEVOLTAGESIGNALCHANNELS圖46中，雙向TVSD1作為瞬態(tài)電壓抑制器，在承受高能量電壓（如浪涌電壓、雷電干擾、尖峰電壓）時，能迅速反相擊穿，由高阻態(tài)變成低阻態(tài)，并把干擾脈沖鉗位于規(guī)定值，R1、R2、R3、R4、C1、C2及運(yùn)放構(gòu)成低通濾波電路，以衰減高頻干擾信號。R5、R6將電壓信號轉(zhuǎn)化為合適電平后送至A/D轉(zhuǎn)化電路。雙向TVSD2進(jìn)一步保證了后續(xù)電路免遭非正常電壓大信號的影響。422數(shù)據(jù)采樣電路CPU只能對數(shù)字信號進(jìn)行處理，所以測量所得的各種模擬信號，經(jīng)過前期處理后，必須要經(jīng)過采樣和A/D轉(zhuǎn)換。保護(hù)器中數(shù)據(jù)采集的速度、精度以及動態(tài)范圍對其性能有著十分重要的影響。本保護(hù)器選用的模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片的是MAX125，其具有以下主要特點(diǎn)1四個同步采樣保持放大器與四個2選1電路相