毕业设计（论文）-单片机控制的煤矿井下6kv防爆开关综合保护系统的设计.doc

摘要随着采煤自动化技术的发展和井下高压供电距离的增加，对矿井供电的可靠性和安全性提出了越来越高的要求。我国煤矿井下高压电网以 6kV 供电为主，6kV 高压防爆开关综合保护系统对矿井供电系统至关重要。 本文根据煤矿井下高压电网的实际情况，从理论上分析了井下高压电网常见的故障电气特征，并设计出针对性地保护方案。主要采用了：煤矿井下高压电网微机选择性速断短路保护方案；“启动于零序电压及其突变量，选择性动作于零序电流五次谐波比幅比相”的选择性漏电保护方案；欠电压保护增加了延时的功能。本文以高性能单片机 Intel 80296SA 为中央控制单元，以模数转换芯片 Max125 为采样电路，采用大规模集成电路实现了保护系统硬件电路的设计。使用汇编语言完成了软件系统的设计，介绍了设计过程中采取的硬件、软件抗干扰措施。关键词：煤矿井下；单片机控制 ；6kv；防爆开关；综合保护系统IIAbstractWith the increase of mining automation technology and distance underground high-voltage power supply, mine supply reliability and security of the increasingly high demand. Chinas coal mine underground high voltage power grid to the main power supply 6kV, 6kV high-voltage proof switch protection system is essential for Mine Power Supply System.Based on the actual situation of coal mine high voltage power grid, theoretically analyzed common fault High voltage electrical characteristics, and design targeted protection programs. Mainly: the coal mine high voltage power grid computer Selectivity breaking short-circuit protection programs; Starting in the amount of zero-sequence voltage and mutation, selective action than the zero phase sequence current ratio of the fifth harmonic amplitude of selective leakage protection programs; undervoltage protection increases the time delay function. In this paper, a high-performance single-chip Intel 80296SA central control unit for analog to digital converter chip Max125 sampling circuits, large scale integrated circuit design to achieve the protection system hardware circuit. Use assembly language to complete the design of software systems, it introduces the design process to take the hardware, software, anti-jamming measures.Keywords:coal mine; SCM control; 6kv; explosion-proof switch; integrated protection systemII目录1绪 论11.1 设计的背景和意义11.2 井下高压防爆开关综合保护系统的发展现状和趋势11.3 井下高压防爆开关微机综合保护系统的必要性和基本要求21.3.1 采用微机保护的必要性21.3.2 采用微机保护的基本要求21.4本设计的主要内容32 井下高压电网故障分析42.1 概述42.2 井下高压电网短路故障分析42.3 井下高压电网漏电故障分析52.3.1 漏电故障暂态特征52.3.2 漏电故障稳态特征52.4 过载故障分析82.5 欠电压故障分析82.6 绝缘监视故障分析83 井下高压防爆开关综合保护系统的保护方案设计103.1 短路保护103.1.1 短路保护原理103.1.2 选择性短路保护系统方案113.1.3 短路保护的方案设置143.2 漏电保护143.2.1 谐波方向型选择性漏电保护原理143.2.2 矿井高压电网漏电保护启动零序电压的选择153.2.3 谐波方向型矿井高压电网选择性漏电保护方案173.3 过负荷（过载）保护173.4 欠电压保护183.4.1 欠电压保护增加延时的作用183.4.2 欠电压保护延时与瞬时的选择183.4.3 动作时间183.4.4 欠电压保护方案193.5 绝缘监视保护194 综合保护系统的总体规划与硬件电路设计214.1 CPU 主系统224.1.1 80296SA 单片机介绍224.1.2 外围扩展电路234.2 模拟量交流采样单元254.2.1 电压形成回路264.2.2 数据采样电路264.3 选择性漏电保护单元284.3.1 保护方案工作原理294.3.2 硬件系统涉及的主要电路介绍304.4 开关量输入、输出单元344.4.1 开关量输入单元344.4.2 开关量输出单元（跳闸电路）354.5 通信接口电路365 综合保护系统的软件设计385.1 软件设计385.1.1 系统的主程序385.1.2 采样中断程序设计395.1.3 过流故障处理程序设计415.1.4 漏电保护程序流程图435.1.5 欠电压保护456 系统抗干扰设计 476.1 干扰的来源和分析476.2 硬件方面的抗干扰措施476.2.1 滤波、退耦与旁路486.2.2屏蔽与隔离486.2.3 对供电电源的要求486.3 软件抗干扰措施486.3.1输入输出量的抗干扰496.3.2 软件拦截设计49结论50致谢51参考文献52附录A53附录B57全套图纸加扣30122505821绪 论1.1 设计的背景和意义 随着采煤自动化技术的发展和井下高压供电距离的增加，对矿井供电的可靠性和安全性提出了越来越高的要求。据相关资料统计，井下供电网络的故障引起了大部分的煤矿事故。我国煤矿井下高压电网以 6kV 供电为主，井下 6kV 供电关系到煤矿生产和安全，要求高压防爆开关综合保护系统必须具备高可靠性和高性能性。井下由采区变电所、移动变电站或配电点引出的馈电线上，应装设短路、过负荷和漏电装置。由于煤矿井下工作环境恶劣，负荷波动大，工况很不稳定，瓦斯煤尘积聚，滴水冒顶事故等会使电气设备绝缘强度逐渐降低，同时由于操作人员维护不当或操作错误、电缆线路的破损等原因，经常会出现短路与单相接地故障。接地故障若不及时排除，电网各相线会运行在线电压下，长期运行将导致绝缘击穿，甚至引发三相或两相短路事故。传统的短路保护方法，不能构成有效的纵向选择性速断短路保护系统，发生短路故障常导致越级跳闸，有的甚至越多级引起地面 610kV 下井电缆开关跳闸，造成井下大面积长时间停电。这是井下供电存在的重大安全隐患与技术难题。为了避免事故的发生，保障人身安全，有效减小事故范围，设计高性能的煤矿井下高压防爆开关微机综合保护系统具有重要的现实意义和较高的经济价值。 本文设计的煤矿井下单片机控制的6kV防爆开关综合保护系统对于井下高压电网的短路、过载、漏电、欠电压等故障都能起到较好的保护作用，对提高整个煤矿井下高压电网的可靠性和安全性有重要意义。1.2 井下高压防爆开关综合保护系统的发展现状和趋势 在高压开关综合保护装置领域，外资产品有很强的竞争力，以 ABB、西门子为代表的外资企业，其产品保护可靠性和选择性方面的确呈现出许多优势。如德国 Siemens 公司生产的综合继电保护装置SIPROTEC 系列是一种集保护、控制、监视、测量、故障录波和通信于一体的智能前端设备。它提供了大屏幕显示，全中文操作界面，其保护功能以多段过流保护和方向过流保护为主，同时提供电压、频率等保护功能。保持系统通过现场总线通信实时监控和保护，完成各种操作、控制、修改定值等命令，主要用辐射状配电系统线路、电机保护、变压器和发电机差动与电机保护。不但能用于地面的供电系统，而且能运用于矿井供电系统进行综合保护系统监控。 据调查，国内各地有很多企业生产高压隔爆开关装置和综合保护系统，温州、济源、南京等地企业较集中，个别区域已成产业基地，但目前我国生产的产品整体可靠性不高，有些保护电器根本起不到预期的保护，有些综合保护系统出现传输延时、死机等问题，均存在不同程度的误动作情况，导致生产事故频发，不但影响生产而且给一线矿工带来很大的安全隐患。随着国家调整及企业之间的竞争，国内也有一些企业的产品质量有了快速的提升，并逐渐替代进口产品应用于现场。但在矿井高压开关综合保护系统方面，目前还没有针对性的方案和产品，尤其井下需要根据特殊环境设计更加可靠的产品。随着煤矿信息化水平的不断提高，高压开关综合保护系统与矿井自动化系统联网的要求势在必行，高压开关综合保护系统正在进行数字化技术的提升。1.3 井下高压防爆开关微机综合保护系统的必要性和基本要求 1.3.1 采用微机保护的必要性 现投入使用的高、中压等级继电保护设备几乎均为微机保护产品，继电保护领域的研究部门和制造厂家完全转向微机保护的研究和制造，微机继电保护成为了继电保护发展的趋势，这是由于微机保护显示出优于传统继电保护的特点。微机保护装置优点体现在以下几个方面：1) 维护调试方便2) 可靠性容易提高3)可以方便的扩充其他辅助功能4) 灵活性大5) 改善和提高保护的动作特性和性能6) 可以进行远方监控。1.3.2 采用微机保护的基本要求 同传统的保护系统一样，高压配电装置微机保护的基本要求是应具有选择性、快速性、灵敏性和可靠性。 1) 选择性 故障时只切除故障部分的保护特性称为保护动作的选择性。当系统出现故障时，首先由故障设备或线路本身的保护切除故障，当该保护或断路器拒动时，才允许由相邻设备、线路的保护切除故障。 2) 速动性 保护的速动性是指保护装置应能尽快的切除短路故障，其目的是提高系统的稳定性，减轻故障设备和线路的损坏程度，缩小故障波及范围，提高自动重合闸和备用电源或备用设备自动投入的效果等。 3) 灵敏性 保护的灵敏性是指在设备或线路的保护范围内发生故障时，保护装置具有的正确动作能力的裕度，即灵敏度。微机保护易于实现一些较为先进的保护原理和方法，可以有效的提高保护系统在最不利条件下的不拒动程度。 4) 可靠性 保护的可靠性是指在给定条件下的给定时间间隔内，保护能完成所需功能的概率。保护所需功能是当需要动作时便动作、当不需要动作时便不动作。对于保护系统的可靠性要求在于既能在被保护对象突然发生故障时一定动作（不拒动），又能在其它状态下不误动。 1.4本设计的主要内容 1) 分析井下高压电网短路故障的特有特征，分析两种中性点接地方式的矿井高压电网漏电故障暂态与稳态特征，以及对漏电保护方案有重要意义的零序电压的变化规律。 2) 针对各种故障特征，设计出针对性地保护方案，包括：煤矿井下高压电网微机选择性速断短路保护方案；“启动于零序电压及其突变量，选择性动作于零序电流五次谐波比幅比相”选择性漏电保护的方案；反时限的过载保护方案，基于附加直流检测的矿井高压电网电缆绝缘在线检测保护方案，欠电压保护增加了延时的功能等。完成井下6kV防爆开关综合保护系统的保护方案的设计。 3) 根据综合保护系统的功能要求，选定单片机的型号，设计综合保护系统总体结构，完成保护系统的硬件与软件设计。 4)保护装置的工作现场存在着强电磁干扰，因此，要完成提高系统运行的可靠性和抗干扰性能的设计。 2 井下高压电网故障分析 2.1 概述 由于井下生产工作条件特殊，环境恶劣，特别是井下散热条件差，空气潮湿，空间狭窄，并且工作面上的电缆及电气设备易受砸损等因素，因而易发生多种故障。具体地讲，矿井电网及用电设备有短路、过、欠压以及超过容许时间的过负荷等故障。 井下电网的各类主要故障特征阐述如下： 漏电故障：漏电故障在井下电网故障中占有 60%以上的比例，并且容易引发各类事故和更为严重的故障，因此其保护尤为重要。短路故障：两相短路，三相短路。三相短路电流较大，产生过电流烧坏电动机和线路；两相短路造成三相电流的不对称，根据对称分量法，电网中将会出现负序及零序分量。负序电流使电动机产生反向制动力矩，零序分量增加了损耗，也会加剧电动机的振动。短路故障不但损坏用电设备与线路，而且短路电弧可能导致瓦斯煤尘爆炸。 过负荷：在一定程度上是允许过负荷的，关键在于确定符合实际的保护特性。也就是说要在电网承受能力和保证生产连续性两方面做出权衡。 2.2 井下高压电网短路故障分析 当电网发生突然短路时，系统经过一个暂态过程再进入短路稳定状态。电流由正常值突然增大，经暂态过程达到新的稳态。三相短路的电流波形如图 2-1 所示。 图2-1 三相短路电流波形Fig.2-1 The short-circuit current wave shape 图中为母线电压，对于无限大电源容量系统，母线电压维持不变；表示短路前的负荷电流，滞后的相位为；在=0（此时=0）时发生三相短路，所产生的和用虚线表示，两曲线在直角坐标系上相加，就得到短路全电流的波形。大约经过0.2s，非周期分量衰减到零，此后稳态短路电流就等于周期分量。 三相短路属于对称性故障，三相电流在故障后仍然对称，系统中只存在幅值增大的正序电流分量。发生短路时，由于系统中总阻抗大大减小，因而短路电流可能达到很大的数值。当电网中发生两相短路时，系统中不但存在正序分量，还存在负序分量 ，但零序分量为零。并且两相故障分量电流大小相等，方向相反。强大的短路电流所产生的热和电动力效应会造成严重的后果，因此，必须立即切除。 2.3 井下高压电网漏电故障分析 煤矿安全规程规定，煤矿井下高压电网必须采用中性点不直接接地方式。本节主要分析比较井下电网的两种接地方式的漏电故障特征，为寻求一种合理有效的选择性漏电保护方案提供理论基础。 2.3.1 漏电故障暂态特征 根据已有的研究结果，矿井高压电网漏电故障的暂态过程有如下特征:1) 单相接地电流暂态有效值比稳态有效值大，瞬时值更大； 2) 有消弧线圈补偿时，在脱谐度P10%的前提下，稳态电流补偿效果明显而暂态电流得不到补偿，故障支路的暂态电流是系统各支路电容电流的总和，且其方向与非故障支路电流方向相反。依据上述特征，可以利用鉴别首半波电流的大小和方向选出故障支路，因为暂态故障电流尚未被补偿，所以不受中性点接地方式的影响。但是暂态电流大小受接地瞬间电压初始相位的影响很大，当漏电故障刚好发生在线电压瞬时零值附近时，暂态电流很小可能导致误判。2.3.2 漏电故障稳态特征 1)中性点对地绝缘电网 在中性点对地绝缘的供电系统中，其漏电电流分布特点如图 2-5 所示。图中给出了我国煤矿高压辐射式电网的典型模式，它由、 、 、 四条支路构成， 、 、 、 分别为安装于各条支路的零序电流互感器，由于一般高压电网绝缘水平较高，故可假设各相对地电阻为，假设每条支路各相对地分布电容相等，分别以集中参数 、 、 、 来表示，并设 支路的 A 相经过渡电阻 发生单相接地故障。图2-2 矿井6kV高压中性点对地绝缘电网漏电电容电流分布特点Fig.2-3 The capacitive current distributing characteristic of underground 6kV high-voltage distribution network leakage电网各故障参数间存在如下关系： a流过非故障支路零序电流互感器的电流为本支路的电容电流： (2-1)其相位超前90。 b流过故障支路零序电流互感器的电流是其它所有非故障支路电容电之和 ： (2-2)其相位滞后90（故障支路自身产生的零序电流在该支路零序互感器中一去一返两次流过，对互感器而言相互抵消）。 2)中性点经消弧线圈接地电网 中性点经消弧线圈接地的补偿原理如图 2-7 所示，其补偿作用使得故障线路的电气特征发生了变化。图2-3 矿井6kV高压中性点经消弧线圈接地电网漏电电容电流分布特点Fig.2-4 The capacitive current distributing characteristic of underground 6kV high-voltage distribution network leakage 当无漏电电流时，中性点电压 = 0，电感电流 = 0。当 A 相经过渡电阻接地时，中性点出线零序电压 ，在 作用下，有一感性电流通过电感流入大地，其值为： (2-3)这一感性电流与各个线路的对地电容电流向叠加，使得流经过渡电阻的电流为： (2-4)根据 L 值的不同分为，完全补偿，欠补偿，过补偿三种情况：a 时，接地点处的感性电流和容性电流大小相等，方向相反互相抵消，此时漏电电流 ，称为完全补偿。流过故障支路的电流是自身对地的电容电流，与支路的零序电流同相位，均超前90，其大小由该支路的对地分布电容大小决定。b 当L取值较大时，使时，漏电电流呈容性，称为欠补偿。流过 的电流是此反向残余电流与支路自身对地的电容电流之和，其值随支路长短不同而不同，相位也因支路长短不同而超前或滞后于 。 c 当L取值偏小时，使时，漏电电流呈现感性，称为过补偿。流过 的电流是感性残余电流与该支路自身电容电力叠加而成的零序电流，其大小随支路的长短而变化，相位与其他支路电容电流相同。 2.4 过载故障分析 过载在电流故障中是最常见的故障，是一种非正常运行状态，过载以后电流相位对称，幅值大于额定电流。过载保护是指电流超过电器设备限定的范围，保护装置能在一定的时间内切断线路，保护设备不受损坏。电动机过载将导致电动机过热，但又允许在低倍过载的情况下运行一段时间，电动机的过载特性应该具有反时限的特征。另外，在电动机多次反复短时间过载，而每次过载的时间均小于容许时间时，保护装置不会动作，但由于电动机自身的热积累可能使电动机烧毁。因此，电动机的过载保护应该具有记忆电动机的热积累的功能，当热积累到使电动机绕组的实际温度达到会显著降低绝缘寿命的程度时，要求保护系统给与保护。 2.5 欠电压故障分析 目前我国矿井井下高压配电装置中都设置有瞬动的电磁式欠电压保护，当电压在85UN（额定电压）以上时可靠吸持，当电压在 35UN及以下时瞬时释放使开关跳闸。该保护元件称为失压脱扣器，其作用是防止停电后恢复供电时批量电动机同时启动时对电网的冲击，也可以防止某些电动机自启动引发机械伤人事故。由此产生的问题是：当地面 635kV 系统发生短暂停电、暂时短路或电压闪变时，就有可能因瞬动的欠电压保护导致地面与井下大面积停电，此后井下人工全面恢复供电约需要 26 小时，对矿井的安全和生产都有严重的影响。 2.6 绝缘监视故障分析 在煤矿井下 6kV 供电系统中，电能是由地面变电所经两条或多条高压电缆送至井下中央变电所，然后用成套配电装置经高压电缆馈送给井下各高压负荷，要求向工作面供电的高压配电装置综合保护器中除装有选择性漏电保护以外，还必须设置对双屏蔽电缆的监视保护。在双屏蔽电缆中，A、B、C 三相各分相屏蔽层与外屏蔽层连接在一起形成接地层，在分相屏蔽层外面，有各相监视层，将这三相监视层连接在一起称为监视线。由于双屏蔽电缆具有以上的特殊结构，当电缆在井下因冒顶等原因受到石块或其他硬物砸伤时，通常首先破坏双屏蔽电缆的监视层和屏蔽层，造成接地线与监视线之间的短路或断路故障。并且各主芯线都有分相绝缘层和分相屏蔽层，分相屏蔽层与地相连，所以，无论任何原因导致电缆损坏使其发生两相短路或三相短路故障前，主芯线将首先与分相屏蔽电缆接触而形成漏电故障。 3 井下高压防爆开关综合保护系统的保护方案设计 3.1 短路保护 根据上一章的分析，可以看出煤矿井下高压电网短路故障保护分为两部分，一是单台配电装置保护单一线路或单个电器设备的速断保护，应用在单个设备的保护使用瞬时速断保护是合理的；二是针对井下高压电网系统的短路故障保护。3.1.1 短路保护原理 三相对称性短路故障在井下电网发生的几率并不高，而且往往是由其它一些因素（如对称性漏电）引发的。但由于其故障能量高，对线路和设备的危害极大，因此必须对对称性短路采取妥善的措施进行保护。在高压配电装置中，对于各种短路故障都应采用速断保护。“鉴幅式”的问题在于：若要保护全线路，则应按保护范围末端最小两相短路电流整定，要求整定值小，因而在大型电动机起动时易造成保护的误动作；若要躲过起动电流，则要求整定值必须大，此时将不能保护线路全长而且灵敏度也非常低。为了有效的区别起动电流和短路电流，采用相敏保护原理。 由于井下的负载均为感性负载，在大型电动机启动时，功率因数比较低（一般 cos 在 0.5 以下），而在对称短路故障时，功率因数很高(cos 在 0.9 以上)，所以采用基于功率因数检测的相敏保护原理不但可以提高对称短路保护的灵敏度，而且还能保证其动作的可靠性。相敏保护的基本出发点是既检测短路电流的大小，同时又检测短路回路的阻抗角，两者相与，通过检测电流滞后电压的相位角来区别起动电流和短路电流这在软件上很容易实现。 图 3-1 是相敏保护的保护特性。图中，横线为单独鉴幅式的保护特性，相敏特性为鉴幅值和鉴相值相与后所构成的保护特性，即 (3-1)由式（3-1）可见，只要选择合适的常数 C，就能获得躲过电动机起动电流的保护特性。图3-1 相敏保护的保护特性Fig.3-1 The characteristic of phase-sensitive protection 但相敏保护也不是完全可靠的。如果在变压器的出口处发生短路，由于变压器的内阻很小，其阻抗主要表现为电感 ，即有： (3-2)这种情况下的功率因数 cos 很低，一般小于 0.2，所以相敏保护也存在一定的“死区”。为了消除这一弊端，需要采取另外一种附加措施：即当线路电流特别大（如大于动作整定值的三倍以上时），不管相位角（功率因数）如何，短路保护都应立即动作。 综上所述，相敏保护的动作条件概括为： 或(3-3)在（3-3）式中，为实测短路电流的大小， 为按实际设定的整定电流的倍数， 为动作整定电流。3.1.2 选择性短路保护系统方案 目前煤矿井下高压电网的短路保护都设置为瞬时速断，这可以更好的保护线路和设备。由于井下高压电网大部分是由多段电缆组成的逐级控制干线式纵向网络，各段短路电流相差很小，纵向选择性很难从电流的幅值上区别开来，以至于难以构成选择性速断保护系统。本节在相敏原理的短路保护的基础上提出了具有选择性的煤矿井下高压电网微机选择性速断保护方案，根据此方案可以在配电装置的短路保护中做相应的设置来实现井下高压电网短路保护的选择性。 图 3-2 是选择性微机速断短路保护系统的原理图，为便于分析，该方案采用 4级保护线路来分析，图中各级保护系统设置为：各级断路器均设置短限时速断和反时限短路保护；短限时速断为主保护，保护线路全长并作远后备保护；反时限短路保护作为本线路的近后备保护；设置微机处理控制单元，如图中，沿线设置通信线；各级保护均具有瞬时起动，延时 0.2 秒跳闸的功能。该保护系统的逻辑判断根据：由于井下高压电网电缆每段长度都较短，当某段流过的电流过大时，保护无法判断到底是本级发生短路还是下级发生短路，只需把下级各段线路是否出现过电流的信号告诉上级，上级根据收到的电流信号进行汇总处理，作简单的逻辑判断后即可正确判断由哪段线路开关动作，其中上级和下级之间通过串行通信的多机通信方式来传递电流信号。 图3-2 煤矿井下高压电网微机选择性速断短路保护系统Fig.3-2 The short-circuit protection system with selective and rapid microcomputer of high-voltage distribution network in underground 该井下高压微机选择性限时速断过流保护系统是通过微机来实现的，通过微机的多机通信来实现，每段线路上都安装有独立的微机系统，因此该硬件系统由三台分机和一台主机组成，主机对应开关为图 3-2 所示地面变电所 6kV母线，三台分机对应开关分别为图 3-2 所示井下中央变电所、1#采区变电所、2#采区变电所。 该保护系统的实现过程：在每个断路器的入端串接一个过电流传感器（该装置也可与保护开关封装在一起）。当流过电流传感装置的电流小于本段线路整定的动作电流时，该过电流传感装置产生一个逻辑“0”信号（即低电平），由分机通过信号线传送到主机中去；当流过此电流传感装置的电流大于或等于本段线路整定的动作电流时，该过流传感装置产生一个逻辑“1”信号（即高电平），也由分机通过信号线传送到主机中去。主机根据接收的电平信号数量多、少和相应的事先约定的分机编号进行逻辑分析判断，可确定应该由哪级开关跳闸，然后向该级分机发出跳闸指令，分机收到跳闸指令后瞬时跳闸。也就是说只有下级各线路都未出现过流，但本级线路出现过流时，本线路开关才动作。该方法可用简单的结构示意图 3-3 来表示。图3-3 方法的简单结构示意图Fig.3-3 Schematic diagram of method 该系统保护原理为：当在 所在线路发生过流故障时，保护 4 必起动，而保护 13 则可能起动，在 0.1 秒内 必发送高电位信号至 ，而 、可能发送高电位至 ，根据所收到的“1”的数量为1 并通过逻辑分析判断识别到其中含有 发来的信号，则可判断是 所在线路发生过流故障，则由主机给发跳闸通信指令，收到后使 4QF 瞬时跳闸；0.1 秒后故障解除，保护 1、2、3 均返回。当在所在线路发生过流故障时，、均不发信号，由 1QF 跳闸切除故障。该系统微机保护逻辑判断真值表如下：表3-1逻辑判断真值表Tab.3-1 The logic judgment of true value短路点信号电平值逻辑判断结果CS1CS2CS3CS410001QF跳闸11002QF跳闸1(0)1(0)103QF跳闸1(0)1(0)1(0)14QF跳闸 本保护方案为了便于分析采用了 4 级保护线路，该方案保护级数可达 6 级，能够满足煤矿井下高压电网短路保护的需要。 3.1.3 短路保护的方案设置 从前面的分析可以看出，瞬时速断和短限时速断都有各自的应用范围，因此在设计新的综合保护系统时，必须要做到扬长避短。通过仔细分析我们不难发现，瞬时速断可以体现短路保护的快速性，一般应用在单个电器或线路的保护中，而短时限速断保护又能体现系统的选择性，事实上，矿井高压电网短路保护应该满足这两个基本要求。因此，本文对矿井6kv电网防爆开关综合保护系统的短路保护提出了短路保护设置在瞬时速断的基础上设置一定的短时限延时，用来满足短路保护系统的选择性。3.2 漏电保护 我国煤矿高压电网属于小电流接地系统，并采用电缆供电方式。按照煤矿安全规程规定：煤矿变电所高压馈电线上，应该设有选择性漏电保护装置。本节设计出一种灵敏度高、选线准确，能同时适用于不同接地方式的矿井高压电网选择性漏电保护方案。采用谐波方向型漏电保护原理，并采用“启动于零序电压及其突变量，选择性动作于零序电流五次谐波比幅比相”的技术方案。 3.2.1 谐波方向型选择性漏电保护原理谐波方向型保护装置是利用高压电网所含的谐波成份来实现选择性的。谐波是高压电网中固有的成份，在电网发生接地故障后，零序电压和零序电流中均含有一定量的谐波成份，而各次谐波在大小和相位关系上仍具有工频成分的特点。其中以三次、五次谐波成分较大，由于三次谐波受变压器接线组别的影响，更因其方向一致，使得相间没有三次谐波电压，而五次谐波不受此影响，且谐波中五次谐波含量较大，所以提取五次谐波较为理想。当发生漏电故障时，电网中零序电压和零序电流的五次谐波成分同样具有在上一章中所总结的高压电网漏电故障的电气特征。 鉴于谐波方向型漏电保护方法适用于不同的接地方式，下面重点分析以经消弧线圈接地系统为例的谐波方向型漏电保护。 在变压器中性点经消弧线圈接地的电网中，消弧线圈的电感电流主要补偿电容电流的基波成分，由于电感的感抗和电容的容抗随着电流频率的变化而变化。设基波的角频率为，当完全补偿时，基波感抗和容抗的关系为：，然而，此时的五次谐波感抗和容抗的关系为，可见对五次谐波成分而言，其感抗是基波分量的 5 倍，而容抗则是基波分量的，单相接地时，通过故障支路的五次谐波电容电流： (3-4)式中 为等值五次谐波零序电压。设消弧线圈未饱和且过补偿时的脱谐度P=10，可算得： (3-5)通过故障支路五次谐波电感电流 ： (3-6)由式（3-4）、（3-6）两式得 (3-7)式（3-7）表明，此时 5 次谐波电容电流是电感电流的 23 倍，可见，5 次谐波成分不能被补偿掉，其残余的 5 次谐波电容电流为： (3-8)由以上分析可知，无论处于完全补偿还是欠补偿或过补偿时，在电网发生接地故障时，5 次谐波电容电流均不能被补偿掉，它们在电网中的分布规律与基波电流在中性点对地绝缘的电网中分布规律相同，实际中由于消弧线圈本身也可能饱和，残余的 5 次谐波电容电流可能会大些，但仍然不能补偿 5 次谐波电容电流。这样就可以利用零序电流和零序电压中的五次谐波信号的分布规律来实现选择性不受中性点接地方式的影响，即构成了谐波方向型漏电保护，该类型保护通常是采用微机进行控制的。3.2.2 矿井高压电网漏电保护启动零序电压的选择 由于传统谐波方向型漏电保护的灵敏度较低，因此要在传统的矿井高压电网选择性漏电保护方案的基础上进行改造，以提高其灵敏度。选择性漏电保护的灵敏度与漏电保护的启动量有关，启动量值越小，灵敏度越大，启动量值越大，灵敏度越低。本文采用零序电压及其突变量作为漏电保护的启动量，因此，要在传统谐波方向型漏电保护的基础上提高其灵敏度，则必须要尽量减小零序电压启动值的数值。 1) 矿井高压电网漏电保护启动零序电压选择 根据现行的工业与民用电力装置的过电压保护设计规范第三章过电压保护装置中第 3.4.2 条规定：中性点经消弧线圈接地的电力网，在正常运行情况下，中性点的长时间电压偏移不应超过额定相电压的 15。根据此规定可以确定合适的零序电压定值，对于中性点经消弧线圈接地的 6kV 矿井高压电网，相电压为： V (3-9) 此时消弧线圈上的电压，也就是矿井高压电网中性点偏移电压 范围为： V(3-10)即中性点零序电压不能长时间超过 520V，而对于 310kV 非直接接地系统，在单项接地故障时存在如下规律，即无论接地方式如何变化，零序电压均由 0V 至金属性接地时的 100V(开口三角形输出的零序电压)。因此，电压互感器二次开口三角零序电压为： (3-11) (3-12)因此转换到电压互感器二次开口三角零序电压值为： V(3-13)可选取最大中性点偏移电压作为选择性漏电保护零序电压启动值，即 = 15V。比传统设定的零序电压启动值40V有了一定的改进，灵敏度也就相应的得到提高。2) 矿井高压电网漏电保护启动零序电压突变量选择 当线路 4 发生漏电故障时，各条线路的突变量变化非常明显，因此，为提高选择性漏电保护的可靠性，启动参数中除采用零序电压稳态值外，还选用了零序电压突变量检测，可以避免电网负荷不平衡、电网干扰等引起漏电保护误动，这样就能减少因零序电压启动值降低而带来的误动率。 零序电压突变量选为 (3-14) 式中，为零序电压某一时刻 的采样值，而为比时刻 早 10ms 的采样值，N 为半个工频周期内的采样点数，为 时刻的零序电压突变量。矿井高压电网正常运行时，和的绝对值应当接近相等，反映的是矿井电网的自然不平衡电压；当矿井电网发生漏电故障后，电网零序电压突变，出现。本文零序电压突变量值按工程值选取： = 3V。因此本文可选取 = 15V, = 3V，作为选择性漏电保护启动值，该启动值不随高压电网对地总电容的变化而变化，具有稳定性。能提高传统谐波方向型灵敏度低的问题，误动率也不会增加。 3.2.3 谐波方向型矿井高压电网选择性漏电保护方案 本文设计的目的就是设计出适用于不同中性点接地方式的矿井高压电网选择性漏电保护方案。由以上论述可知，利用零序电流和零序电压中的五次谐波信号所具有的分布规律可以实现选择性，由高压电网谐波特性可知，无论是零序电压还是零序电流的 5 次谐波成份，其相位稳定性好，而幅度波动性较大，若取用其幅值作为判断故障支路的依据时可能会降低保护的可靠性。另外，零序电压幅值的稳态特性也不受中性点接地方式的影响（直接接地除外），其 5 次谐波成份也不受中性点接地方式的影响。若忽略三相电网中零序阻抗电压降的影响，电网中的任何中性点对地零序电压均相同，另外，零序电压幅值的稳态特性也不受中性点接地方式的影响，故可以采用零序电压基波成分作为漏电保护的启动信号。根据以上理论依据和综合考虑各种因素，就可以设计出“启动于零序电压及其突变量，选择性动作于零序电流五次谐波比幅比相”的选择性漏电保护方案。3.3 过负荷（过载）保护 过负荷保护是高压电网最基本的保护之一。一定范围或一定时间内的过负荷是允许的，但长时间的过负荷导致热量的积累，最终使电气设备损坏。 过负荷保护采取电流取样原则，并遵照反时限特性进行保护。如果被保护线路电流超过预先整定的数值，保护系统响应，经过相应的整定时间后，发出跳闸信号，切断电源达到保护的目的。电流过负荷倍数K （过负荷倍数 ）与允许过负荷时间 的关系，即过负荷的特性曲线,如图 3-4 所示。 图3-4 过负荷特性曲线Fig.3-4 Characteristics of overload 过负荷是一种三相对称性故障，目前确定 特性仍未有统一的意见，现在已经提出了许多不同的方案，但由于现场实际情况的不同，高压线路和设备过负荷特性也很难统一确定。3.4 欠电压保护 3.4.1 欠电压保护增加延时的作用 对井上、下高压配电装置中的欠电压保护进行增加延时功能的技术改造，可使大部分线路和用电设备躲过供电系统的短暂停电或电压闪变，仍能正常工作。3.4.2 欠电压保护延时与瞬时的选择 若所有的高压欠电压保护都改为延时动作，则前述瞬动型欠电压保护的作用又无法实现，分析矿井供电系统，特别是井下高压供电系统，根据既要避免电动机同时启动和自启动伤人事故，又要减少系统短暂停电或电压的闪变所引起的停电范围的原则，可将矿井 610kV 高压配电装置按欠电压保护延时与否分为两类： 1) 采用延时型欠电压保护的高压配电装置：各高压线路进、出线开关，提升、高压、风机类高压电动机的控制开关； 2) 采用瞬时型欠电压保护的高压配电装置：水泵、运输、采掘机械高压电动机的控制开关。3.4.3 动作时间 根据延时型欠电压保护的作用，其动作时间必须比各级线路定时过流保护动作时间、自动重合闸的延时时间、备用电源自动投入装置的动作时间长一个级差（0.5s）。 一般矿井 35kV 电源线路，其定时过流保护的动作时间约为 12s，35kV 自动重合闸的时间，应比本级定时过流保护高一个级差，即1.52.5s；矿井地面 610kV馈出线（含井下电缆）定时过流保护的动作时间一般1s，而井下 610kV 线路目前全部采用速断保护， 显然，延时型欠电压保护的动作时间应为 23s。3.4.4 欠电压保护方案 井下高压配电装置中已批量采用以微机为核心的综合保护装置，此时欠电压保护可以作为综合保护中的一个单元组件，设定相对独立的子程序，可根据需要设置瞬时动作型或延时 23s 动作型，并按 85%，65%和 35%分档。具体地，对于延时动作型欠电压保护，当采集模块采集到线路电压85%时，程序不做反映；而线路电压降到 65%时，则程序转到报警子程序；当线路电压35%时，程序实施延时 23s，延时时间到时线路电压若仍为35%，则程序立即输出跳闸指令，实现延时型的欠电压保护。 3.5 绝缘监视保护 高压防爆开关综合保护系统中使用的监视保护主要依据以下三种原理：终端加整流二极管的直流监视保护原理；终端加电阻的附加直流电源的监视原理；终端加整流二极管的二次谐波监视保护原理。本保护器在比较了以往保护原理后，采用了基于附加直流检测的矿井高压电网电缆绝缘在线监视原理，原理图如图 3-5 所示。 图3-5 绝缘监视电路示意图Fig.3-5 Schematic of monitoring protection for HV cable 图中， 、为双屏蔽电缆的等效电阻，其中为监视线与接地线之间的回路电阻，为监视线与接地线直接的绝缘电阻,为终端元件，通常为1k的电阻，为限流电阻， 为取样电阻，其两端的电压 为取样电压，它反映和的变化。为附加直流电源电压。当监视线与接地线之间发生短路故障时，电阻两端的电压大于正常情况下的电压值，当监视线或接地线发生故障时，电阻 两端的电压小于正常情况下的电压值，因此可以通过判断电阻两端的电压 的大小就可以判断出检测回路是否处于故障状态。4 综合保护系统的总体规划与硬件电路设计 本文所设计的井下高压配电装置综合保护器具有短路、漏电、过载、绝缘监视、欠电压等多种保护功能，总体结构图如图 4-1 所示。图4-1 综合保护器总体结构示意图Fig.4-1 The architecture diagram of Comprehensive Protector 综合保护器由以下几部分构成： 1) 微机控制单元：用于实现数据采集、计算、逻辑判断、分析和处理，并对处理结果进行适当控制、定时等功能。 2) 模拟量输入单元：用于将被保护元件(线路、母线、变压器等)电压互感器和电流互感器的二次侧的模拟电压和电流变换成数据处理单元能够接受的数字量。 3) 保护单元：对于电网中的短路故障，要求短时限延时速断和瞬时速断相配合；对于变压器、电机或其他负载出现过载时，施行反时限保护；提取零序电压、零序电流及其五次谐波，并对零序电流的 5 次谐波进行比幅比相，对单相接地故障实行选择性漏电保护；欠电压保护的延时保护。 4) 开关量输入、输出单元：输入微机保护的开关量包括控制面板上的切换开关、由装置外引入的控制对象的状态接点等；输出的开关量包括面板上的信号指示、保护出口跳闸信号等。5) 人机接口单元：用于定值的输入、操作方式的确定、电网工作参数、工作状态、故障显示等。 6) 通信单元：通过RS485接口实现与上位机或PC机进行串口通信。4.1 CPU 主系统 本设计微机综合保护系统是以80296SA型单片机为核心，根据数据采集系统采集到的电力系统的实时状态数据，按照给定算法来检测电力系统是否发生故障以及故障性质、范围等，并由此做出是否需要跳闸或报警等判断的一种安全装置。 4.1.1 80296SA 单片机介绍 80296SA 单片机的主要特点简要说明如下。 80296SA是带有DSP功能的16位微控制器，适合于应用在需要进行数字信号处理的场合。80296SA的外围接口包括一个事件处理阵列（EPA）（用于从事与两个带有4个捕捉/比较通道的定时器计数器TIME1和TIME2相联系的I/O功能）、三个通道PWM信号发生器，一个带有波特率发生器的SIO串行接口以及6个片选的存储器控制器。外围接口SFR是I/O的控制寄存器，地址1F00H1FFFH，可以设置为窗口。80296SA还包括一个总线出让电路，允许一个外部器件对总线控制。 80296SA采用100脚QFP封装，它的管脚与80C196NU和80C196NP 管脚兼容。图4-2就是80296SA单片机的管脚示意图。 80296本身的I/O口很多，所以不需要外扩I/O，由于8029