井下低壓電網(wǎng)的饋電保護裝置設計

目前我國井下使用的漏電保護技術有：基于附加直流電源漏電保護原理構成的漏電保護；基于檢測零序電壓大小構成的漏電保護和由檢測零序電流大小構成的漏電保護等。這些技術都存在一定的缺陷：

(1)通過檢測附加直流電源實現(xiàn)漏電保護，動作無選擇性。(2)通過檢測零序電壓大小實現(xiàn)漏電保護，動作電阻值不穩(wěn)定。(3)通過檢測零序電流大小實現(xiàn)漏電保護，單相漏電時動作有選擇性，但動作電阻值不穩(wěn)定，當電網(wǎng)支路較少時，易產生誤動作。(4)通過測量零序電流方向實現(xiàn)漏電保護，可以利用故障和非故障支路零序電流的大小和方向的不同加以區(qū)分，達到選擇性保護的目的，但其存在動作電阻值不穩(wěn)定，并且需要有足夠大的零序電流才能使能保護動作。

針對當前井下低壓電網(wǎng)的環(huán)境和技術上的缺陷，系統(tǒng)采用附加直流和零序功率方向檢測兩種技術，提出在電網(wǎng)的主支路選擇基于附加直流源保護原理的漏電裝置；而在電網(wǎng)的分支路選擇基于零序功率方向保護原理的選擇漏電保護裝置。既保證了準確的動作電阻值，又保證了動作的選擇性。提高了饋電系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性，可以滿足工業(yè)現(xiàn)場的應用需求。

1 漏電保護原理

1．1附加直流源漏電保護原理

電網(wǎng)若發(fā)生漏電故障，最容易檢測到的是電網(wǎng)各相對地絕緣電阻值的下降。可在三相電網(wǎng)與地之間附加一個獨立的直流電源，則在三相對地的絕緣電阻上將有一直流電流流過，該電流的大小變化直接反應了電網(wǎng)對地絕緣電阻的變化，有效地檢測和利用該電流就可以構成附加直流電源，進行檢測漏電保護。

如圖1所示，直流電流I由獨立直流電源的正極經(jīng)電阻R1流入三相電抗器的人為中性點，經(jīng)三相電抗器進入三相線路，再經(jīng)電網(wǎng)對地絕緣電阻r1，r2，r3流入地，最終返回負極。由于三相電抗器的電阻非常小，當取樣電阻阻值一定時，直流電流主要由電網(wǎng)對地絕緣電阻決定。因此只需檢測取樣電阻R1上的直流電壓大小即可分析電網(wǎng)對地的絕緣情況。

1．2選擇性漏電原理

在多支路的輻射式電網(wǎng)中，當任意支路發(fā)生漏電故障時，各分支線路中都會有零序電流通過。通過故障支路的零序電流的大小和方向都與非故障支路不同。故障支路的零序電流是所有非故障支路零序電流之和。根據(jù)零序電流大小的不同可以區(qū)分故障支路和非故障支路。這就是用零序電流幅值比較法進行選擇漏電故障支路的理論依據(jù)。此外，故障支路的零序電流方向是流向母線的，而非故障支路則由母線流向支路。它們的方向不同，這就是零序電流功率方向的保護原理。零序電流和零序電壓的相位采用硬件處理判斷，零序電流采用硬件整流，微處理器只須進行直流采樣，使得軟件算法簡潔，判斷迅速。

2 硬件及軟件實現(xiàn)

2．1附加直流源法硬件實現(xiàn)

漏電保護的附加直流源硬件框圖如圖2所示，漏電電流通過采樣電阻R2獲取電壓，經(jīng)過濾波電路濾除干擾信號經(jīng)光耦隔離后送入A／D前端進行采樣。

2．2零序功率方向型漏電檢測法硬件實現(xiàn)

通過零序功率方向信息判斷漏電故障支路，再通過漏電支路零序電流閾值進行二次判斷后，可以準確地判斷漏電故障支路。因此該系統(tǒng)需要獲取井下電網(wǎng)的零序電壓和零序電流來進行功率方向判斷，其獲取電路框圖如圖3所示。零序電壓的獲取是利用三相電抗器的中性點外接電阻獲得，通過無源、有源的濾波衰減后，經(jīng)方波整形、光耦隔離與零序電流信號異或后，再送入微處理器的電平監(jiān)測單元。零序電流互感器通過三相線獲得零序電流，電流經(jīng)采樣電阻變?yōu)殡妷盒盘枴ｋ妷盒盘柦?jīng)放大、濾波、調理后分為兩路。一路通過方波整形、光耦隔離與零序電壓脈沖信號異或后送入為處理器的電平監(jiān)測單元；另一路通過整流，線性光耦隔離送入微處理器的A／D采樣單元。

2．3附加直流源保護軟件實現(xiàn)

附加直流源法的軟件部分主要包含漏電電阻值的標定和漏電故障判斷兩部分。由于處理器只能獲取電阻值的電壓信號，因此首先要對采樣電壓值對應的電阻值進行標定，然后把標定值記錄在Flash中，用來判斷漏電電阻的阻值。漏電故障判斷部分流程圖如圖4所示。如果饋電系統(tǒng)被設置為總開關，那么斷路器在合閘后，軟件將進入漏電故障判斷循環(huán)。軟件監(jiān)測采樣電阻值，如果采樣電阻值小于漏電電阻閾值，進入漏電故障處理模塊，否則繼續(xù)監(jiān)測采樣電阻值。

2．4選擇性漏電保護軟件實現(xiàn)

如果饋電系統(tǒng)被設置為分開關，那么斷路器在合閘后，軟件將進入漏電分支故障判斷循環(huán)。其相關軟件流程圖如圖5所示。進入分支饋電合閘后，軟件一直等待由高電平觸發(fā)的中斷模塊。如果發(fā)生漏電故障，則故障支路硬件電路會產生高電平，從而觸發(fā)處理器外部中斷。軟件進入中斷后，進行零序電流幅值判斷，當零序電流幅值大于標定的動作值時，認定該支路發(fā)生漏電故障，進入漏電故障處理模塊；否則，跳出中斷重新等待外部中斷。

3 抗干擾措施

煤礦井下環(huán)境惡劣、粉塵大、濕度高；同時電網(wǎng)中的大功率負載會產生較強的電磁干擾。這些都要求井下漏電保護裝置必須具有很強的抗干擾能力。所以設計的抗干擾措施從硬件和軟件兩部分考慮。

3．1硬件抗干擾

硬件抗干擾措施有以下3個方面：(1)關鍵電路加入濾波器。工頻電網(wǎng)中的非線性元件會產生諧波，諧波進入電網(wǎng)會影響其他電器的正常運行。在附加直流源檢測中，可以在三相電抗器的中性點加入雙T濾波器濾除50Hz工頻信號，再加入二階20Hz低通濾波器，可濾除高次諧波。(2)系統(tǒng)電源采用開關電源。開關電源具有輸入電壓范圍大，輸出電壓穩(wěn)定、抗干擾能力強等特點，能夠保證在電壓波動較大的情況下，使保護設備正常運行。各路電源通過獨立變壓器輸出，保證每路電源相互獨立，互不干擾。(3)采用浮地接地。系統(tǒng)內部的數(shù)字部分電路和模擬部分電路的信息傳遞如果是I／O量，用數(shù)字光耦進行隔離；如果是模擬信號，用線性光耦進行隔離。