（电气工程专业论文）矿井高压智能开关设计.pdf

摘要 本设计是针对钱家营矿现有的保护装置选择性漏电保护功能失效的情况， 开发具有漏电、过载、短路和监视等保护功能的高压智能开关，用以减小故障 停电范围，便于寻找故障，缩短停电时间，提高供电的可靠性。 本文分析了中性点经消弧线圈接地的谐振电网运行方式，研究和分析了基 于零序有功功率的选择性漏电保护原理。从电力系统结构、信号采样装置性能 和电磁兼容性的角度出发，论述了影响保护装置可靠性和灵敏性的主要因素， 提出了保证其可靠性和灵敏性应注意的问题，确定了有功功率选线的选择性漏 电保护的硬件结构、软件计算方法，和通过软件校正系统综合角误差的方法， 研制了基于a v r 高速单片机和c a n 总线的智能保护系统。 经过实验测试，系统实现了选择性漏电保护和其它主要的保护功能。 关键词：零序有功功率选择性可靠性灵敏性a v r 单片机 a bs t r a c t t h i sd e s i g ni sa i m sa tt h es i t u a t i o no fq i a n j l a y i n gm i n ee x i s t i n gp r o t e c t i v e d e v i c ee l e c t i v i t yl e a k a g ep r o t e c t i o nm a l f u n c t i o n ，d e v e l o p m e n tt h eh i g hv o l t a g e i n t e l l i g e n c es w i t c hh a st h ep r o t e c t i o nf u n c t i o no fl e a k a g e ，o v e r l o a d ，s h o 蛀c i r c u i t a n dm o n i t o r ，t h u sr e d u c e st h eb r e a k d o w np o w e rc u ts c o p e ，a n di ti sa d v a n t a g e o u s f o rt h e 掳o u b l e s h o o t i n g ，r e d u c e st h ep o w e rc u tt i m e ，e n h a n c e st h er e l i a b i l i t yo f p o w e rs u p p ly t h i st h e s i sh a sa n a l y z e dt h em o v e m e n tm o d eo fs y n t o n ye l e c t r i c a ln e t w o r ko f n e u t r a lp o i n ta f t e rt h eq u e n c h i n go fa r cc o i lg r o u n d i n g ，s t u d i e da n da n a l y z e dt h e s e l e c t i v el e a k a g ep r o t e c t i o np r i n c i p l eb a s e do nt h ez e r os e q u e n c ea c t i v ep o w e l f r o mt h ea s p e c to fe l e c t r i c a lp o w e rs y s t e ms t r u c t u r e ，t h ep e r f o r m a n c eo fs i g n a l s a m p l i n gi n s t a l l m e n ta n dt h ee l e c t r o m a g n e t i cc o m p a t i b i l i t y , d i s c u s s e dt h ep r i m a r y f a c t o r sw h i c hi n f l u e n c ep r o t e c t i v ed e v i c er e l i a b i l i t ya n dt h es e n s i t i v e ，p r o p o s e d t h ep r o b l e mo fg u a r a n t e e di t sr e l i a b i l i t ya n di t ss e n s i t i v i t yt h a ts h o u l db ea d v e r t e d ， h a dd e t e r m i n e dt h ea c t i v ep o w e rs e l e c t i o ns e l e c t i v el e a k a g ep r o t e c t i o nh a r d w a r e a r c h i t e c t u r e ，t h es o f t w a r ec o m p u t a t i o n a lm e t h o d ，a n dt h em e t h o dt h r o u g ht h e s o f t w a r e p r o o f r e a ds y s t e ma n g u l a re r r o r ，h a v ed e v e l o p e d t h e i n t e l l i g e n c e p r o t e c t i o ns y s t e mb a s e do nt h ea v rh i g hs p e e dm c ua n dt h ec a nb u s 。 a f t e rt h ee x p e r i m e n t ，t h es y s t e mh a sr e a l i z e dt h es e l e c t i v el e a k a g ep r o t e c t i o n a n do t h e rm a i np r o t e c t i o nf u n c t i o n k e yw o r d s ：z e r of o r e w o r d a c t i v e p o w e rs e l e c t i v i t y r e l i a b i l i t y s e n s i t i v i t y a v rm c u 辽宁工程技术大学硕士论文 引言 矿井高压隔爆馈电开关是煤矿井下供电系统的重要设备，应用量大面广，其 性能的优劣直接影响到煤矿的安全生产。但目前煤矿井下应用的高压馈电开 关还存在一些问题，特别是漏电保护功能的不可靠一直是困扰煤矿供电系统 的难题之一。选择性漏电保护的选线方法最初采用的是基于零序电流选线原 理，即通过比较各条线路零序电流的大小，最大者为故障线路。这种方法不 可靠，当线路长短差别很大，故障发生在短线上时，很容易误判。所以根据 故障特征的表现后来又有很多新方法被提出，如零序无功方向原理、最大有 功分量原理以及首半波原理、注入法原理等，依据的量也由基波检测发展到 五次谐波检测。但由于近年来用电容量的扩大和城市电缆配电线路的增加。 在6 - 6 6 k v 中性点不接地高压配电系统中，中压电网对地电容电流增加为原 值的1 0 1 0 0 倍，超过了国标小于2 0 a 的要求。为了防止由此产生的电弧不易 熄灭等电网运行的危害，我国许多地区以采用了中性点经消弧线圈接地的谐 振电网运行方式。在谐振电网中单相接地时流过接地点的电流是全系统电容 电流与消弧线圈产生的电流之和，从而大大减小或抵消了系统电容电流，这 就改变了很多电量参数，给上面提到的选线方法带来了影响，使判断不准 确，造成误判。这不但不能给现场排除故障提供正确引导，还给现场人员造 成麻烦。这是现有选线装置的一个弊端。 中性点经消弧线圈接地系统单相接地故障的选线方法，不是一个用简单的电 力系统理想模型分析就能解决的问题，电力系统的结构及特征对选线的可靠 性影响很大，相对信噪比很低，再加上传统测量环节精度的限制，使得现有 的选线装置不能很好地满足实际需要。因此，中性点经消弧线圈接地系统单 相接地故障的选线没有绝对可行的方法，应具体问题具体分析。要保证选择 性漏电保护装置工作的可靠性，就必须对供电系统进行充分的分析，采用适 合系统特点的选线方法，对中性点不接地系统单相接地故障进行选线。总体 来说，中性点经消弧线圈接地系统单相接地故障的选线要综合考虑厂矿实际 电力系统中的影响因素。 虽然目前的漏电保护还无法保证杜绝漏电流点燃瓦斯，但是由于漏电保护缩 短了漏电流存在的时间，因此，它大大降低了漏电流引燃瓦斯、煤尘的可能 性。同时，漏电保护可以避免由于漏电流先期引爆电气雷管带来的灾难i 。 在此基础之上，把单片机系统引入到漏电保护系统中将大大提高保护的可靠 性和准确性，并且可以实现故障点分析的智能化和故障过程的可视化。近年 辽宁工程技术大学硕士论文 2 来，在主要产业系统的死亡事故中，煤炭的生产行业也总是排在前列。为了 把安全的重点放在防患于未然的基础上，我们必须把安全生产提高到足够高 的位置。 漏电保护器的发展大约经历了三个阶段，即初始阶段、发展阶段和成熟阶 段。1 9 1 2 年德国正式发明了电压型保护器，保护电机外壳漏电。1 9 3 0 年欧洲 国家开始采用电压型保护器。| 9 4 0 年法国入发明了电流型保护器。在1 9 6 2 年 美国研制成功灵敏度为5 m a 的电流型保护器，标志漏电保护器开始进入发展 阶段，德、日、法等国家也相继研制成功灵敏度为3 0 m a 的电流型保护器。 到二十世纪七十年代，各国开始制定规程，强制在一些场所安装漏电保护 器，标志漏电保护器的发展进入成熟阶段。我国研究漏电保护器起步要晚于 国外，进入二十世纪七十年代，我国用电量逐年增加，触电事故也逐年增 加，因此引起各部门的相当重视。在各部门的努力下，开始研制漏电保护 器。1 9 8 6 年制定了国家标准g b 6 8 2 9 漏电电流动作保护器( 剩余电流动作 保护器) ，1 9 9 5 年进行了重新修订，明确规定了漏电保护器产品的质量要 求、工作条件和试验方法，从此我国漏电保护器产品的设计和生产进入科学 化、规范化阶段，产品系列逐步齐全，产品质量稳步提高，并逐步强制规定 用户安装漏电保护器。漏电保护的主要目的是通过切断电源的操作来防止人 身触电伤亡和漏电电流引爆瓦斯煤尘。我国对漏电保护的研究是从煤矿井下 低压电网的漏电保护开始的，至今已有四十余年的历史 2 1 。四十年的实践证 明，它对我国矿井安全供电发挥了巨大的作用。它己成为我国矿井安全供电 的不可缺少的组成部分。正因为它在安全供电方面作用重大，因此，漏电保 护已陆续在各行各业的供电网中安家落户。 早在2 0 世纪3 0 年代，英国就在磁力启动器中装设了漏电保护装置，但这种漏 电保护装置只适用于变压器中性点直接接地的供电系统。由于变压器中性点 直接接地供电系统在供电安全方面显示出它的一些弱点，这种供电系统后来 在矿井电网中被逐渐淘汰。1 9 4 9 年，前苏联开始研制中性点不接地供电系统 使用的漏电保护装置( p y b 型防爆漏电继电器) ，采用的是附加直流源的原 理。同时，西德、波兰、日本等国也先后开发出适合于本国矿井供电系统的 漏电保护装置。 我国在2 0 世纪5 0 年代初，引进了苏联的漏电保护装置，并在矿井中推广应 用。同时进行了仿制，形成j y 8 2 型隔爆检漏继电器产品，一直延用到8 0 年 代末，甚至有的矿井现在还在使用。随着煤炭生产机械化程度的提高，这种 产品就逐渐不能适应生产的要求。因此，6 0 年代我国自行设计和生产了 辽宁工程技术大学硕士论文 j l s 0 ，j l 8 2 型隔爆检漏继电器。7 0 年代又研制生产了j j k b 3 0 型隔爆检漏继 电器，随着科学技术的发展和矿井电网电压等级的升高，我国自行研制了多 种类型的漏电保护装置【i 】，但早期产品并不具有选择性。目前，在低压配电 系统中，一般都安装了漏电保护器，用以弥补保护接地与保护接零的不足， 大大提高了供电的安全可靠性，减少了人身触电事故，人们亲切地称漏电保 护开关为“救命器”。上海赛富电器有限公司的d j 6 代漏电保护开关在国际 上已经占有一席之地，为我国漏电保护开关向智能化方向发展做出了巨大贡 献，在许多矿井等高峰险的环境系统中得到了广泛应用。 选择性的漏电保护就是当电网发生漏电故障时，能够有选择地发出故障信号 或切断故障支路电源。选择性漏电保护系统是漏电保护技术的发展趋势，是 防止人身触电的重要保护措施。它可以保证只切除漏电故障线路和设备，非 故障部分继续工作，减小故障停电范围，而且便于寻找漏电故障，缩短漏电 停电时间，提高供电的可靠性。选择性漏电保护作为一门综合性学科随着科 学技术的进步在不断地发展。 由于矿井中6 k v 配电网通常是中性点经消弧线圈接地的，单相接地故障占配 电网故障的8 0 以上。当发生单相接地故障时，为了迅速地选出故障线路， 可以在6 k v 的出线端安装微机选线装置。以往多利用零序电流的大小和方向 进行故障选线。由于零序电流中的零序暂态电流具有随机性，不易排除，特 别是自动跟踪补偿消弧线圈的使用，单纯利用零序基波电流的大小和方向进 行选线，获得零序基波电流信号很困难，而且对信号采集装置的要求也比较 高，这势必增加设备的投资，同时，还不容易满足保护的可靠性和灵敏性 口l 。最近关于漏电保护的研究主要是提出解决井下高压漏电保护问题的新思 路。即采用高性能数字信号在线处理等技术解决漏电保护装置对高压电网电 抗器补偿的适应问题，采用多重抗干扰设计解决煤矿井下综合保护装置的稳 定运行与抗干扰问题，形成井下高压漏电保护的可靠技术，解决煤矿井下供 电系统故障判断与定位这个长期困扰煤矿供电安全的技术难题。同时还有完 善井下供电系统的数字化遥控、遥调、遥测并同步自动预警的功能，实现井 下供电监控。 通常我国矿井供电网络发生单相接地故障时，其漏电电流远远小于负荷电 流，它不会影响电气设备的运行，不易被察觉，更不会使熔断器熔断或过流 继电器动作，这对提高矿山供电系统的供电可靠性是有利的；然而，当工作 人员碰到被机械砸伤或绝缘损坏的电气设备或电缆时，不仅会引起触电事 故，而且漏电电流流入大地时产生的电火花有可能酿成火灾或瓦斯、煤尘爆 辽宁工程技术大学硕士论文 4 炸，造成不可估量的损失【2 j 。 目前绝大多数煤矿使用的高压开关中的漏电保护装置的可靠性很差，如钱家 营矿的漏电保护装置就处于失效状态，甚至经常误动，主要原因是电容电流 补偿装置的应用，使保护装置不但不能正确选出故障线路，而且当系统发生 单相接地故障时，非故障线路开关跳闸，严重地影响了全矿供电系统供电的 可靠性。本课题以钱家营煤矿供电系统为研究对象，对中性点经消弧线圈接 地系统单相接地故障的选线方法进行系统地分析，进而找出适合钱家营煤矿 供电系统特点的选线方法。 本论文主要针对开滦矿业集团钱家营矿业公司提出的技术指标做如下工作： 1 1研究选择性漏电保护理论。 2 1研制能够应用于矿山供电系统的高压智能开关保护装置，完成选 择性漏电保护、过载保护、短路保护、绝缘监视和远程监控功能。 辽宁工程技术大学硕士论文 1 智能开关漏电故障选线方法分析 1 1矿井高压供电系统分析 在钱家营矿组成高压电网的电缆中，大部分是使用铠装电缆。由于电缆对地 电容较大，所以在对矿井高压供电单元的漏电分析中，就不能忽略对地电容 这一参数。电网对地电容越大，人身触电电流也越大。实际上电网的各相对 地电容是分布电容，沿线路全长都存在但在理论分析中为了简便起见，都是 将它们集中起来，作为集中电容处理，相当于线路各相对地分别连接了一个 相等的电容。线路各相对地的绝缘电阻也是同样的方法处理为集中电阻。这 种处理方法的根据是：当进入大地后，所有的分布参数便按相并联起来了， 在忽略很小的大地和线路本身的阻抗后，便成为各相的集中参数。 由于三相电源的中性点不接地，所以不论电网发生什么类型的漏电故障，电 网的线电压将不发生变化，仍是三相对称的。单相漏电和两相漏电均属于不 对称故障，故障发生后，电网各相对地电源就不再对称，并且变压器中性点 也要发生位移，产生对地电压( 零序电压) ，如果系统中有零序回路，则在 回路中有零序电流流通。 1 1 1产生漏电的原因分析 井下供电系统中发生漏电的原因，可以概括为以下几个方面： 1 ) 对电气设备、电缆的检查维护不细致，操作使用不当造成的漏 电。 2 ) 电缆在井下被压、砸、穿刺；过分弯曲电缆使电缆外皮出现裂 隙；运行中电缆盘圆或盘“8 “字，导致电缆发热，绝缘老化，绝缘 性能降低。 3 ) 设备、电缆闲置不用时不定期升井检修或干燥，导致设备、电缆 受潮，绝缘降低。 4 ) 开关、电机等处在淋水处造成受潮或进水，而使绝缘降低。 5 ) 电气设备、电缆选择不合适，造成长期过载而发热，使其绝缘下 降。 6 ) 变压器并联运行、电缆线路太长、开关及电机等设备数量太多， 而使电网总绝缘水平下降。 7 ) 电缆或开关电器超过额定电压运行，导致绝缘降低或被击穿。 8 ) 电缆与设备在连接时，由于接头不牢、喇叭1 ：3 封堵不严以及接线 嘴压板不紧等原因，使接头在运行中产生松脱而与外壳相连，或因 辽宁工程技术大学硕士论文 6 接头发热烧坏绝缘。 1 1 2单相漏电各故障参数的变化规律 在工程实际中，井下高压电网发生两相漏电的几率远不如单相漏电高，其故 障程度( 仅就漏电而言) 也比单相漏电轻。单相漏电故障约占漏电故障总数 的8 5 左右，而且有相当一部分( 约3 0 以上) 单相漏电若不及时切除，将 发展成更严重的短路故障，所以单相漏电是井下低压电网漏电故障的主流 在下面的故障参数变化规律的分析计算中，将以单相漏电为研究对象。主要 分析在电网单相漏电的情况下，零序电压、零序电流、漏电电流的变化规律 和它们之间的相位关系，两相漏电的情况可用同样的方法研究。 1 1 2 1 单相漏电时零序电压的变化规律 考虑到矿井高压电网与其各项对地的绝缘阻抗可以构成一具有一个节 点的网络，故应用节点电压法来进行漏电分析较为方便，但这种分析方法要 用到的零序电压、零序电流及零序阻抗的概念，仍出自对称分量法的理论。 针对一个节点的网络，节点电压法的定义为：联到节点的各支路电动 势和该支路阻抗之商的相量和，等于该节点电压与联到该节点各支路阻抗并 联值之商。即 i、i l 蜀亿i - 。z 。( 1 - 1 ) 式中一 节点电压； z 。o 一联到节点的所有支路阻抗并联值( 理解为节点内所有支路) ； e一节点内各支路的电动势； z i 一与各e j 同支路的阻抗唧。 由于钱家营矿全部采用直流提升系统，大功率的整流电路产生了大量 的谐波，为此系统还装设了滤波器用于降低对其它供电支路的影响。 在图1 5 所示的放射式供电系统中，有n 条供电线路，设第i 条支路 的对地电容为q：对地绝缘电阻为，正常工作时0 2 ，系统处于三相平衡 状态，此时系统每相对地阻抗参数为： c = q j - i 、j 一l 气 吃 1 = r 辽宁工程技术大学硕士论文 7 l t2 一 伽 z o = - _ j x e r r j x c 当线路l 的a 相发生漏电故障时，将导致系统中性点位移，产生零序 电压砜，设漏电电阻为r ，则零序电压“ 为： i o n i c o 三 “” “i c 。n 1 一 n 。 - 。亳皂芝“屯鬈： 3 k i 0 2 。弋l 一弋1 匕 “” = “2 产2 恤圳。 n 。 i o i _ 。城：挝擐。一3 k 錾o u 匕j7 u 7 l 77 。 一 “” 三 1 0 0 , 1 0 0 l 。1 c 0 1 i r o l n 1 一已圭过三：圭：j 史三芝1 1 宝：弘。 将z o 代入( 1 ) 式得： 图1 5放射式电网参数分布图 7 “2 一= 拿l _ 0 叽2 - 1 7 坑= 篙患嚣筹吭。( 2 - 1 8 ) 砜超前r j 。1 8 0 。- 0 角度，其中0 值为： 乳嘴若岳 辽宁工程技术大学硕士论文 3 则 “的模为： c o $ 口= s i n 占= u o = 则砜随参数，、以和r 变化的规律为： ( 1 ) 当系统对地绝缘电阻不变，即r 和r 为定值时 “：盟 ” 3 r + r ：堕c o s 占( 2 - 2 3 ) 3 r + r 这是一个直径为r u 。( 3 r + r ) ，且直径通过相量u o 的圆的极坐标方 程，对应不同的r 和r 值，圆具有不同的直径。但所有圆的直径都通过 相量砜，直径变化时产生的圆族内切于圆点。口角随t 变化范围为： 当c = 0 时，t = o d ，0 卸。； 当c 毫时，工= o ，口- - 9 0 。； 即当c 由0 至m 变化时，口角在0 。至9 0 。之间变化，这说明该圆为 一半圆，如图1 7 所示。 ( 2 ) 当系统对地电容不变， 砜= 鲁 即c 和r 为定值时 ：三丝s i n 曰( 2 - 2 4 ) 3 r 这是一个直径为u a ( 3 r ) ，与相量玩相切于坐标原点的极坐标方程， 系统具有不同的c 和r 值，圆就具有不同的直径。该圆族也内切于坐标原 里孵 辽宁工程技术大学硕士论文 9 变化。这说明砜的变化轨迹为部分圆弧，最大角度为 r 和c 变化条件的相量的模为两圆交点至坐标原点的距 离，方向指向坐标原点，见图1 7 。 0 c u b 图i - 7 砜及各相对地电压变化相量图 ( 3 ) 系统对地绝缘电阻和对地电容不变，即r 和c 为定值时，两圆的直径 d 都随r 值变化，由式( 7 ) 、( 8 ) 可知，d 随r 变化的规律为双曲线， 如图1 8 所示。直径d 和0 角随r 变化规律为： 当l 时，d l = ，d 2 _ u a ，口= o 。此时两圆交于纵坐标u a 点， 即u 枞，口= o 。； 当r 由零逐渐增大时，d l 和d 2 都按双曲线规律减小，0 角逐渐增大， u o u a ； 当r 趋于时，d 1 和d 2 都趋于其渐近线d = 0 ，u o - - 0 ，0 ：嘴塑， 此时，系统工作再三相平衡状态，即非故障状态。 对于一个固定的电力系统来说，常常具有固定的r 值和c 值，而漏电 故障的形成往往有一个过程，也就是说在漏电故障发生时，r 值是变化的。 至 在角 口 时化 ： 变 为 闻 围 区 范 的 至 化 。 变 o ， 在 阻 ， 电 豫一， 缘 喀时 矧。 钟值地印= 定对护口为 统 ， ，r 系时时和脯闻一鄞口当当即 点 问 足区鲨藉竺附 留= 甜口 辽宁工程技术大学硕士论文 因此，分析r 值变化对漏电参数的影响是十分必要的【1 3 1 。 d n ru j i 5 孤可 d - 一半 j j u 岔 0 一 j r 图1 8直径d 随r 变化规律 1 1 2 2各相对地电压 当a 相发生漏电故障时，由于零序电压砜的存在，将导致三相对地 电压的不平衡。如图1 7 所示，其中以c 相对地电压最高。 随着r 和c 的变化，两个圆的直径及交点位置也随之变化，当变化至 某个特定范围时，c 相的对地电压将可能超过线电压。因此，c 相成为绝缘 的薄弱环节。同理，当b ( c ) 相漏电时，a ( b ) 相的对地电压有可能超 过系统线电压，成为绝缘的薄弱环节。 1 1 2 3零序电流 零序电流是选择性漏电保护中使用的重要参数之一1 1 4 1 ，在图卜6 所 示的中性点不接地放射式电网中，零序电流具有下列特征： ( 1 ) 由于零序电流不能经变压器的中性点构成回路，因此各支路中 的零序电流都将流过漏电点； ( 2 ) 漏电支路测得的零序电流不含该支路对地阻抗所产生的零序电 流，而为非故障线路零序电流之和，即 其中 厶= 3 1 0 ，- 3 1 0 l l - i 非故障线路测得的零序电流为该线路自身漏阻抗所产生的零序电流，即 ，o = 3i o i ( 2 - 2 6 ) 辽宁工程技术大学硕士论文 厶d = u o r , i o d = y o , c ，u o ( 3 ) 从方向上看，漏电支路测得的零序电流的方向为由线路流向母 线，而非故障线路零序电流的方向为由母线流向线路。 ( 4 ) 零序电流与零序电压的相位关系 第i 条支路测得的零序电流为： ，：孚( 2 - 2 7 ) 二 其中：互：- j _ x d r j ， f 一肼 。 z 的阻抗角为= 仍，则厶，超前“一个角度仍。 故障线路测得的零序电流i o i 为i o i = 3 1 0 , ，可表示为 。：一孕 z 出 瓦为第二条至第n 条线路的对地等效阻抗。 ， 由于乙为容性，阻抗角在0 。至- 9 0 。之间，所以i o i 滞后 砜9 0 。至1 8 0 。，如图l - 9 所示。 图1 - 9电压相位关系图 t o 当= 0 时，厶1 滞后u o1 8 0 。i o l 滞后砜9 0 。，因此，厶。滞后砜 的角度随系统参数r 和c 的变化，在9 0 。至1 8 0 。之间变化。 1 1 2 4 漏电电流 系统漏电电流的大小是影响系统安全性的重要指标，它决定了触电事 辽宁工程技术大学硕士论文 故发生时，触电者的安全性，也决定了漏电时电弧能量的大小。漏电电流按 下式确定。 z ：u a + u o ( 2 - 2 9 ) 。 胄 因此，l为与乩+ “相位相同，按1 r 比例变化的量。由图 1 7 可知，在巩+ 砜随r 和c 变化时，存在最小值，此时，l 也最 小。在系统对地电容c 和漏电电阻r 为定值时，叽+ 砜的最小值并不出 现在f 时刻，因此，不是r 值越大，：越小。所以，在电力系统c 0 的条件下，不要片面追求过高的r 值，而应将其控制在使叽+ 乩的模最 小的值附近，这更有利于减小系统的漏电电流。 1 3中性点不接地系统单相接地故障选线方法分析 选择性漏电保护原理通常不外乎有以下几种：零序电流比幅法、零序 电流相对相位法、群体比幅比相法、零序功率方向法、零序电流有功分量 法、五次谐波分量法、各次谐波平方和法、首半波法、小波分析法、拉路 法、注入信号寻迹法、注入变频信号法和基于模式识别的选线方法。除了以 上1 4 种方法外，还有诸如最大法、静态d e s i r 选线方法、动态d e s i r 选线 方法、d d a 选线方法、零序能量法、基于负序电流的选线方法等1 4 1 。 多年运行实践表明，以往的选线装置多数未考虑系统经消弧线圈接 地、电容电流得到动态补偿的问题，发生漏电故障时经常会造成选择性无法 实现，当发生漏电故障时，断开的不仅仅是故障支路，经常总开关也会伴随 断开，造成矿山供电系统的大面积瘫痪。暂态分量法的主要问题在于暂态过 程非常迅速，信号难以捕捉，且受外界干扰影响大，使得实际应用中遇到许 多困难。谐波法的问题是谐波含量较小，且在有间歇性电弧现象时不稳定。 另外，由于钱家营矿供电系统中滤波器的存在也使暂态分量法受到极大的影 响。 最近由于控制理论的发展，提出了基于模式识别的选线方法，其原理 是将故障后各线路的零序电流看成某类故障的一个模式，通过神经网络对样 本的训练与学习判断此故障模式所属类别选线。此方法本质上是对信息的并 行处理，具有较强的自适应性和容错性，比传统的群体比幅比相的选线方法 更为有效，即有更高的精度。但此种理论仍不成熟，实现困难，有待进一步 研究。 辽宁工程技术大学硕士论文 1 4基于零序有功功率的选线方法 电网的线路及消弧线圈对地有电导，故障电流中含有有功分量非故 障线路和消弧线圈产生的有功分量方向相同且都经过故障点返回，因此利用 故障线路有功分量比非故障线路有功分量大且方向相反的特点可选出故障线 路。 对于中性点不接地系统，该保护原理实质上是零序功率方向保护原理 的延伸，但经过上述处理后，相当于将原有的零序电压、零序电流的比相范 围从原有的9 0 。扩大到1 8 0 。从而创造了更好的选线条件。对中性点经消弧 线圈接地系统，目前主要采用消弧线圈串联电阻运行的派生接地方式，且消 弧线圈本身的有功成分较大( 实测单相接地时其有功电流达l 2 a ) ，发 生单相接地故障时，非故障线路不与消弧线圈构成低阻抗回路，故其零序电 流为本身的接地电容电流；故障线路经接地点与消弧线圈构成低阻抗回路， 所以其零序电流为所有非故障线路的接地电容电流及电感、电阻串联支路的 电流之向量和，即包含流过串联电阻的有功电流，且故障线路中的有功电流 明显大于非故障线路的，根据零序电流的特征分析，可得出非故障线路具 有正有功功率和容性无功功率，而故障线路具有负有功功率和感性无功功 率。有功功率选线的选择性漏电保护正是利用故障线路有功功率比非故障线 路有功功率大、且方向相反的特点选择故障线路。 1 5影响选择性漏电保护的因素分析 选择性漏电保护的可靠性和灵敏性受电力系统很多因素的影响。归纳 起来主要有以下几个方面。 1 )当电力系统电容电流较大而采取补偿措施时，由于故障线路中的电 容电流被消弧线圈的感性电流补偿，检测不到容性电流，因此，在 此类系统中只能采用有功功率选线，其它选线方法会使保护的可靠 性和灵敏性下降。在忽略对地电容条件下搭建实验电路，测得的零 序电压和零序电流波形的相位关系见图1 3 和图1 4 。 图1 3漏电线路零序电压电流相位图 辽宁工程技术大学硕士论文 1 4 图l - 4非漏电线路零序电压电流相位图 2 )当供电系统的结构较小时，由于零序电流的有功分量很小，可使保 护的灵敏性下降，应采取措施。 3 )在电路设计时，对零序互感器的角误差没有采取校正措施，使保护 的可靠性和灵敏性下降。 4 )电力系统存在谐波干扰源，保护装置的电磁兼容性差，会使系统的 可靠性和灵敏性下降。 5 )接线错误，将零序电流互感器接反，使保护的可靠性丧失。 以上因素在设计和生产选择性漏电保护时，必须给予充分的注意。 1 6高压智能开关的基本要求 高压智能开关的作用是当电网的某一支路发生漏电、过载、短路等故 障时，保护系统仅使开关切断故障所在支路，并保证非漏电故障支路正常供 电。它大大减小了由漏电等故障而引起的停电范围，提高了供电的可靠性。 此外，智能开关保护还有助于寻找漏电故障，便于迅速处理，有利于提高生 产效率。 高压智能开关的基本要求主要有四个方面： 1 1选择性 选择性是指当发生单相接地故障时，漏电保护装置能判断出故障 线路。设计中这项功能是通过对三相供电线路每相的电流进行采集、处 理和比较来完成的。 2 )速动性 当发生单相接地故障时，漏电保护装置能快速的采集到故障信号， 并驱动断路器完成保护动作，以提高矿山供电系统运行的稳定性，缩小 故障对供电网络的损坏程度。 3 )灵敏性 辽宁工程技术大学硕士论文 漏电保护的灵敏性是指，对于其保护范围内发生故障或不正常运 行状态的反应能力。满足灵敏性要求的保护装置应该是在事先规定的保 护范围内部发生故障时，不论漏电点的位置、漏电的类型如何，都能敏 锐感觉，正确反应。保护装置的灵敏性，可以用灵敏系数来衡量，通常 记为k 。，它主要取决于被保护元件和供电系统的参数和运行方式。 4 1可靠性 保护装置的可靠性是指，对于任何一个保护系统，在为其规定的 保护范围内发生了它应该动作的故障时，它不应该拒绝动作( 简称拒 动) ；而在其它任何情况下，包括系统正常运行状态或发生了该保护装 置不应该动作的故障时，则不应该错误动作( 简称误动) 。可靠性主要 是针对保护装置本身的质量和运行维护水平而言的。一般说来，保护装 置的原理方案越周全，结构设计越合理，所用元器件的质量越好，制造 工艺越精良，内外接线越简明，回路中触点数越少，保护装置的可靠性 就越高。同时，正确的安装和接线，严格的调整和试验等，对于提高漏 电保护的可靠性都具有重要作用【4 】。 以上四个基本要求是分析研究漏电保护性能的基础它们之间既有矛 盾的一面，又有在一定条件下统一的一面。本设计的绝大部分工作是围绕着 如何处理好这四个基本要求之间的辩证统一关系而进行的。与此同时，设计 中还应该在保证四个基本要求的基础上，考虑设计经济问题，能通过简单电 路功能实现的；我们就设计组装；对于较为次要的数量很多的电气元件，我 们不装设过于复杂和昂贵的保护装置。 豇宁工程技术大学硕士论文 2 智能开关系统的硬件设计 2 1智能开关系统的硬件结构 系统结构框图如图2 - 1 ，系统以a v r 高速单片机a t m e g a l 2 8 为控制 核心，用零序电压和零序电流互感器检测电网信号经低通滤波器送入单片机 内的a d 转换器，完成模数转换后由单片机进行数据处理并完成相应的判 断，从而控制输出和进行远程通信。为确保可靠供电采用复式电源。系统与 远程终端的通信基于c a n 总线方式。 图2 - 1硬件系统结构图 2 2零序电压和零序电流变送器的设计 2 2 1零序电压互感器的选择 电压互感器采用三个j d z j - 6 型单相电压互感器，其辅助二次侧接成开口 三角形用做零序电压互感器。输出接电阻负载分压后待低通滤波器进一步处 理。 2 2 2零序电流互感器的选择 零序电流是整个系统的原始信号，它的准确程度决定了整个系统的精 度，所以零序电流互感器的选择就颇为重要。一般的零序电流互感器在原方 龟流小于2 5 安培时它的变比和相角误差均较大，不能满足微机检测设备的 要求。所以选择高精度零序电流互感器采用l j w z 3 型，它的优点是即使原 方电流很小( o 2 a 0 5 a ) 时也能保证足够的准确度。其输出信号接负载电 阻后送低通滤波器进一步处理。 辽宁工程技术大学硕士论文 1 7 2 2 3低通滤波器设计 由于电力系统中存在大量的谐波成分，特别是三次和五次谐波的存在 将会给数字系统带来极大的危害，为了避免谐波影响，必须有滤波电路将各 次谐波滤除。滤波电路实际上是一种选频网络，根据阻带的不同可分为低 通、高通、带通、带阻滤波电路，工频电网中的谐波绝大多数是高次奇次谐 波，因而需要低通滤波器。按照所用元件的不同，滤波器分为有源滤波器和 无源论波器两大类。滤波的效果是由输出幅值的大小来决定的，无源滤波器 是用r l c 元件构成的，电路比较简单，但由于电阻的分压，使滤波输出信 号幅值变小，滤波效果不好。使用运算放大器的滤波电路是有源滤波电路， 由于运放的存在，高输入阻抗、低输出阻抗和一定程度的反馈，消除了因电 阻分压而造成的输出信号幅值变小的缺点是一种理想的滤波电路。本文采用 有源滤波。常用的滤波器有巴特沃斯型、切比雪夫型。切比雪夫型滤波器在 通频带输出信号幅值以某一值为中心，上下波动一个小范围，这个范围的大 小用纹波系数来表示。其通频带与带阻之间的变化曲线比较陡峭，截止特性 好。巴特沃斯型滤波器在通频带比较平坦，但截止特性缓慢。本文的目的在 于滤除工频电流中的谐波，一般谐波的次数为三次、五次、七次，设计了四 阶切比雪夫模拟滤波器用以消除三次以上谐波对系统造成的影响。其设计性 能要求达到三次谐波衰减达到4 0 d b ，其电路结构和参数如图2 2 。经过 e w b 仿真软件仿真和实际电路测试，该滤波器电路均达到了要求。另外， 在输入级加入b a v 9 9 抗瞬变二极管用于消除静电，提高电路可靠性。 辽宁工程技术大学硕士论文 图2 - 2滤波电路 2 2 4信号调理电路设计 由于a t m e g a l 2 8 单片机内的a d 转换器只能转换正电压，所以由滤波 器出来的交流信号要提升到0 v 以上。如图2 3 ，该功能用由一个差分电路 实现。l m 2 8 5 d - l - 2 是1 2 4 v 精密电压源，工业级器件，它的工作电流很宽 从1 0 m a 到2 0 m a ，精度为1 ，它保证了输出正弦波中值的稳定。为避免 输出过电压损坏单片机，在输出侧加了3 v 稳压管。 萎 图2 - 3信号调理电路 2 3 相电流变送电路设计 里主三堡垫查奎兰堡主堡苎 一! ， 图2 4电流变送电路 相电流变送电路如图2 4 所示，为了提高抗干扰能力，在输入级仍然 采用与零序变送电路相同的低通滤波电路。输出经过调理电路整形为半波电 压信号送入单片机进行转换处理。当滤波器输出为正半波时，信号经调理电 路电阻分压输出，稳压管防止输出过压，保护单片机输入口；当滤波器输出 负半波时，信号流经二极管d 1 ，最后只输出一0 3 v 电压，目的是避免给单片 机加过高的反向电压，损坏单片机【7 】。 2 4监视电路设计 在高压屏蔽电缆受到损坏时主芯线外层绝缘必先被破坏，使高压监视 保护在漏电故障发生之前动作于跳闸，即达到“超前掉闸”的效果，从而相 对地解决瓦斯引爆安全限值问题，提高了在井下采区运行的安全性。 由于高压绝缘监视保护是监视屏蔽层与监视芯线间绝缘的，因此正常 运行时必须保证监视回路自身的可靠性。所以要求当被监视回路绝缘破坏或 监视回路自身断路时，均能起动保护装置。 绝缘监视保护电路如图2 5 所示。图中r 1 7 为电缆终端装设的电阻， s 1 为回路开路保护试验按钮，s 2 为绝缘下降( 短路) 试验按钮，电网正 常工作的参数设定为回路电阻小于0 8 k q 、绝缘电阻大于5 5 k q 。当出现短 路或断路故障时单片机检测输出电压的变化完成判断，使保护器动作。 砌7 蕊 图2 - 5绝缘监视电路 2 5复式电源设计 保护系统的操作电源要求非常可靠，以期在故障情况下，装置能可靠地 动作。一般在操作系统中所采用的操作电源有三种：由蓄电池供电的直流电 辽宁工程技术大学硕士论文 源，交流电源和整流电源。由蓄电池供电的直流操作电源其优点是蓄电池的 电压与被保护的网络电压无关，但须修建有特殊要求的蓄电池室，购置充电 设备及蓄电池组，辅助设备多，投资大，运行复杂，维护工作量大，加上直 流系统接地故障多，可靠性低。 图2 - 6复式电源电路 交流电源有接线简单，不需装设大功率整流器等优点，但因它存在不能 构成较复杂的保护，操作时使互感器误差不能满足要求等缺点，限制了它的 辽宁工糕技术大学硬圭论文 应用i s 。 蘩滚操终电灏窍两秘方式，帮电容於嫠秘复式熬流。电容蛰偿存在熬翅 题是：潞外部电源电压不足时溪保证保护装置可靠渤作就要傈诞幸 偿电容器 有足够火的容量，保证输出功率，而且补偿电容器缀一般还应设置两组，占 用空闽较大，另外为了定期梭螽电容器缎楚否断路袋电容量降低，还装有梭 查装薰。所戮电容静偿方式傻粥维护较为颓琰。 复式整流电源装置有两个电源供电，特别是有能反映故障电流的电流供 电器供电，这样就能保证正常及事故情况下直流系统郝可靠地供电。与电容 替褛秀茂邃较，菱式整流毫源缝辕窭较大蠢擘功率，纛基毙保持稳定。奉系统 就采用复式整流电源供电。 电路正常时由电压源供电，来自于电压互感器，额定电压1 0 0 v 5 0 h z ， 要求毫滚耄压在额定篷戆一2 0 1 5 蔻疆内交纯瓣，戆爨诞装耋正常烹 作。当系统发生斑路故障电聪源不能正常z 作时，由电流源供电，电流源猩 2 倍额定电流下，能独立保诫电路正常工作。如图2 - 6 为复式电源电路，上 半部分必电流互感嚣供电，下拳部分为瞧攫互感嚣擞电电源 电路，黼中有相丽鹅络标号豹地方相互连接。本电路特剐要注意的缝方是电 流源输出要经过大功率稳压管避免故障状态下出现电压过高损坏元件。 2 。5拨心檄控铡嚣戆选择 嚣前，市场土单片机种类繁多，穗能各异，蕊a t m e l 公司的a v r 荦 片机可以说是8 位机中性能最高的一种，针对漏电保护系统的戍用，它是比 较适合的。a t m e g a l 2 8 是基予增强的a v r r i s c 结构缒低功耗s 拖c m o s 徽 控割嚣。由于箕先进躬指令集l ：盂及荦露钾蠲麓指令撬彳亍时蓠，a t m e g a l 2 8 懿 数据吞吐率高达i m i p s m h z ，从而可以缓减系统在功耗和处理遵度之问的矛 盾。 2 6 。1 a t m e g a l 2 8 苹片辊僚麓奔绍 a t m e g a l 2 8 为基于a v r r i s c 结构的8 位低功耗c m o s 微处理器。 a v r 内核具有丰富的指令集和3 2 个通用童作寄存器。所有的寄存器都直接与 算遂攀嚣( a l u ) 褥连接，傻褥一条撵令霉苏在一个辩镑周麓肉弱辩访闯两个 独立的寄存器。这种结构大大提高了代码效率，并凰具有比普通的复杂指令 集微处壤器高1 0 倍冉q 数据吞吐攀。 a t m e g a l 2 8 买骞翔下特纛：1 2 8 k 字磐豹系绕内编程f l a s h ( 其毒在霉 的过程中还可以读的能力，即r w w ) 、4 k 字节的e e p r o m 、4 k 字节的 辽宁工程技术大学硬士论文 2 2 s r a m 、5 3 个通用i o 口线、3 2 个通用工作寄存器、实时时钟r t c 、4 个烫 疆豹其蠢魄较辏式秘p w m 费戆豹定嚣嚣，诗数器( t c ) 、嚣令u s a r t 、 面向字节的两线接口t w l 、8 通道1 0 位a d c ( 具有可选的可编穗增益) 、凝 有片内振荡器的可编程看门狗定时器、s p i 串行端口、与i e e e1 1 4 9 1 规范 兼容静j t a g 测试接口( 越接翻囊对还霹以弱于片土调试) ，以及六秘可墩 通过软件选择的省蠢模式。窝溺模式时c p u 停止工傺，而s r a m 、t c 、 s p i 端阴以及中断系统继续王作；掉电模式时晶体振荡器停止振荡，所有功 能除了巾断和硬件复位之外都停止工作，寄存器的内容则一直僚持：省电模 式嚣雾步定霹器缝续运行，骏允许焉产维持嚣霹基潦，器俘懿焚德部分弱处 于睡眠状态；a d c 噪声抑制模式时c p u 和所有的i o 模块停止运行，而异步 定时器和a d c 继续工作，以减少a d c 转换时的开关噪声；s t a n d b y 模式时掇 荡器王终瑟其毽帮分睡嚣，霞缮器舞只瀵耗辍步懿惫浚，嚣懿荚骞获速塞貔 能力；扩展s t a n d b y 模式则允许振荡器和异步定时器继续工作。器件是以 a t m e l 的高密度非易失性内存技术生产的。片内i s pf l a s h 可以嫩过s