矿井供电系统选择性漏电保护理论及其应用研究.doc

目录摘要41. 绪论61.1我矿井供电系统的基本状况61.1.1矿井供电系统电压等级61.1.2矿井供电系统基本结构71.2矿井供电系统选择性漏电保护的重要性81.3本设计的主要工作102 选择性漏电保护装置102.1 产生漏电的原因分析102.2 中性点不接地系统单相接地故障选线方法分析102.2.1 零序电流比幅法112.2.2 零序电流相对相位法112.2.3 附加直流电源检测法152.2.4 群体比幅比相法202.2.5 零序功率方向法202.2.6 五次谐波分量法202.2.7 各次谐波平方和法212.2.8 首半波法212.2.9 小波分析法212.2.10 拉路法212.2.11 注入信号寻迹法212.2.12 注入变频信号法222.2.13 基于模式识别的选线方法222.2.14 零序有功功率法232.3 选择性漏电保护装置的基本要求233 漏电保护机理分析253.1漏电电流的产生253.2漏电保护系统的原理及组成264 系统硬件设计284.1 AT89C52单片机的性能及特点284.2 主体硬件结构电路294.3 零序电压和零序电流变送器的设计304.3.1零序电压互感器的选择304.3.2零序电流互感器的选择304.3.3低通滤波器设计304.3.4信号调理电路设计314.4复式电源设计314.5功率驱动电路设计334.6漏电电流检测电路345 系统的软件设计356 系统抗干扰设计386.1硬件抗干扰386.1.1电源系统抗干扰设计396.1.2信号处理通道抗干扰396.1.3电磁辐射抗干扰396.1.4电路板抗干扰406.2软件抗干扰407 结论41致 谢43参考文献44摘要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40余年的历史。四十余年的实践证明，它对我国矿井安全供电发挥了巨大的作用，它已成为我国矿井电网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的作用重大，因此，漏电保护已陆续在各行各业的供电网中安家落户。 选择性漏电保护是指当电网发生漏电故障时，能够有选择性地发出故障信号或切断故障支路电源，而非故障部分继续工作，从而减小故障停电范围，便于寻找漏电故障点，缩短漏电停电时间，提高了供电的可靠性。 传统保护采用中性点经消弧线圈接地的谐振电网运行方式，这种方法给系统带来重大利益的同时，也减小了故障线路与非故障线路零序电流的差别，特别是自动跟踪补偿消弧线圈的使用，使得传统的漏电保护方法很难达到选择性保护的目的。 本设计提出了一种基于零序电流特征量的选择性漏电保护，供电线路通过检测零序电流信号来实现有选择性的关断发生漏电的线路，而不切断整个的供电网络，实现供电的最优化。关键词:矿井供电;零序电流;单片机;信号;Abstract China leakage protection leakage protection low-voltage grid from coal mine, has been more than 40 years of history. 40 years of Practice has proved that it is Chinas mine safety supply played a huge role, it has become an integral part of the mine grid security powered. Play an important role in the security of electricity supply and, therefore, leakage protection has started to settle in for the grid in all walks of life. Selective leakage protection grid leakage fault occurs, there is a fault signal or cut off the fault slip power, rather than the fault part to continue working, thereby reducing the scope of failure power failure, easy to find the leakage point of failure, shorten leakage outage time and improve reliability of power supply. Traditional protection with the neutral point by the arc suppression coil grounding resonant operation mode, this method is to bring significant benefits to the system at the same time, reduces the difference between failure and non-fault line zero-sequence current, in particular, auto-tracking compensation the use of the arc suppression coil, making the traditional leakage protection difficult to achieve the purpose of selective protection. This design of a selective leakage protection based on the characteristic quantities of the zero-sequence current, power lines by detecting the zero-sequence current signals to achieve selective shutdown leakage line without cutting off the entire supply network, to achieve supply is optimal.Key words: mine supply; zero sequence current; microcontroller; signal;1. 绪论1.1我矿井供电系统的基本状况1.1.1矿井供电系统电压等级 从矿井供电系统电压等级上划分，我国供电系统经历了由380V到3300V的四个发展阶段。20世纪60年代以前，由于我国煤矿主采用炮采方式生产，井下采煤电气设备简单，装机容量小，供电电压为380V。随着80机组的使用，380V的供电电压就已经难以满足80机组的供电需求。1964年原煤炭工业部组织人员成立了煤矿工作面升压工作组。经过多次试验，确定将煤矿工作面供电电压提高到660V。70年代，以液压支架和滚筒式采煤机为主体的综合采煤机械化设备引进并投入煤矿生产。这样一来，进一步提高采煤工作面供电电压，以适应煤矿生产需要的问题又被提上议事日程。我国煤炭行业的科研人员和煤机生产企业经过近十年的努力，研制出了千伏级的采煤工作面供电系统的全部装备，80年代以来，我国煤矿向提高采煤工作面单产、实现集中化生产和减人减面的目标迈进，不断地更新采煤工作面的装备，使综采工作面设备的装机容量不断增大，出现了一批总装机容量已达1500kw2000kw的新型高产的综采工作面。1991年11月原煤炭工业部确定将我国煤矿综采工作面供电电压由1140V提高为3300V。由此可见，随着采煤工艺的不断进步，生产规模和生产能力的不断提高，矿用生产设备对电网供电能力不断提出的新要求是促使煤矿供电系统电压等级提高的原动力。1.1.2矿井供电系统基本结构当我国矿井绝大多数采用6kv或10kv双回路直接下井，连接到不同容量的井下动力变压器，将高压降压为380v、660v、1140v、3300v动力电压等级再由不同型号的矿用电缆连接大容量移动变电站，多控制智能化组合开关、馈电开关或磁力启动器等配电用电设备组成井下配电网络，配合以各种综合保护设备，向井下通风器、采煤机、刮板输送机、转载机、破碎机和带式输送机等生产设备供电。（1）普遍采用中性点不接地方式煤矿供电之所以采用这种中性点绝缘的低压系统，是因为煤矿的生产条件和工作环境都十分恶劣，空气潮湿，空间狭小，很容易发生由于设备受潮而绝缘老化或电缆由于受到外力挤压破损而造成单相接地或人身触电现象。对于中性点不接地系统，发生单相接地故障时，由于大地不像中性点接地系统那样是同电位，所以不会造成相间短路那样的大电流，这样不仅减小了人身触电电流，而且避免了在发生短路接地故障时产生放电火花所可能引发的瓦斯爆炸。同时中性点绝缘系统发生单相接地时，三相电之间仍保持线电压不变，生产设备可短时继续正常工作，不会造成因故障停电而引发的生产停顿。（2）一台动力变压器即为一个相对独立的供电单元井下电网的构成需要使用多台动力变压器。虽然这些动力变压器的高压侧是数台联在一起，统一由6KV或10KV电缆供电，但它们的低压侧彼此在电气上却没有什么联系，即采用的是所谓的分列运行方式。每一台动力变压器和若干低压馈电开关、磁力启动器、矿用电缆、电动机等用电设备一起组成一个小的相对独立的供电系统。多个这样的小的供电单元构成了整个井下低压电网。这种供电单元之间的电气上的无关性，为分析供电单元故障和保护装置的运行提供了极大的方便。这一点对漏电保护的实现极为重要。（3）供电方式有放射式、干线式和环式三种放射式就是以动力变压器为中心，分别向各个用电设备引出专线的供电方式。各供电回路之间彼此独立，供电回路间出现了故障互不影响，但这种供电方式线路总长度较长。干线式供电是以动力变压器为起点，用一条线路把各个用电设备按从近到远的原则串联起来。这种方式可节约大量电缆，但一旦某段线路出现了故障，将造成以后各段被迫停电。环式电网可开环运行也可闭环运行，其主要特点是不易发生故障，供电可靠性高。由于这种供电方式适应实际供电需求的灵活性要求，所以被广泛应用。1.2矿井供电系统选择性漏电保护的重要性在矿井中，大部分供电线路为电缆供电，井下空间狭小，环境恶劣，阴暗潮湿，供电电缆的受潮和机械损伤使电缆经常发生单相漏电故障。因单相漏电而出现过电压的几率更大，加上井下电缆潮湿和易受到挤压碰撞，电缆绝缘情况较地面更差，承受过电压的能力也差。当煤矿供电电网发生单相漏电特别是单相接地时，在接地处极易引起电弧接地过电压，很可能击穿供电电缆的绝缘薄弱处，造成两相接地短路并且还可能导致瓦斯、煤尘爆炸、甚至使电气雷管提前引爆。装设漏电保护装置对矿井安全生产极为重要。主要体现在：（1）防止漏电流引燃瓦斯和煤尘当空气中的瓦斯浓度在5%15%，氧气浓度适当，并遇上点火源时，便会引起爆炸。电缆与其他井下电气设备相比更易受损。当电缆受损后，由于绝缘被破坏，便有漏电流。漏电流就有可能成为点火源。由于瓦斯的可能点燃能量很低，仅为0.28mj。因此，及时有效的漏电保护装置可降低漏电电流引燃瓦斯、煤尘的可能性。（2）防止漏电流引爆电气雷管漏电流可能会造成电气雷管的引爆，并造成重大事故。由于一般引爆电气雷管的电流大于人身触电安全电流，因此，满足人身触电无伤亡要求的漏电保护必然能防止漏电流引爆电气雷管。（3）防止漏电流烧损电气设备对于高压电路，由于电网分布电容大、电压高、漏电流大。因此，漏电流的长期存在可烧毁电气设备。尤其是橡胶电缆，如果单相漏电故障不及时处理，则其漏电流可能会使电缆的绝缘受损而发展成两相短路，使故障事态扩大。对于低压电路，由于漏电电流小，一般漏电电流不能直接烧毁电气设备。但是由于漏电设备长期存在，电气设备局部发热使其绝缘局部老化严重，必将大大缩短电气设备使用寿命，而漏电保护则使电网不可能长时间的存在漏电电流。因此可有效地防止漏电电流烧损电气设备。而对于漏电保护全世界通行的保护方法有保护接地、保护接零法、隔离变压器法、超低电压法、双重绝缘法，位置绝缘法以及依靠漏电保护电器来切断漏电事故的漏电分断法。漏电保护电器法是以上诸多方法中最行之有效的漏电保护法。纵观世界漏电保护器的发展历史，经济发达国家在20世纪6070年代就基本普及漏电保护器。我国在90年代末城市中也基本普及了漏电保护器。根据统计结果，对于普及了的漏电保护器的国家和地区，漏电事故明显下降，漏电保护器的保护成功率明显高于其他保护法法，虽然略低于隔离电压器法和超低电压法，但后两者适用面窄且成本高，不宜普及，大大限制了他们的推广和使用。因此，用漏电保护器来降低漏电事故的方法是我们的首选。选择性漏电保护是指当电网发生漏电故障时，能够有选择性发出故障信号或切断故障支路电源，而不是故障部分继续工作。从而减小故障停电范围，便于寻找漏电故障，缩短漏电停电时间，提高供电的可靠性。1.3本设计的主要工作此设计的主要工作是通过漏电线路的零序电流进行检测与分析，并对其特性的分析来研究应对措施及保护方法，设计一个用单片机来实现对漏电零序电流的检测、处理、以及放大传送，并执行终止命令使漏电部分终止供电。2 选择性漏电保护装置2.1 产生漏电的原因分析井下供电系统产生漏电的原因，可以概括为一下几个方面：（1）对电气设备、电缆的检查不够细致，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；运行中的电缆盘圆或盘“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，而使绝缘下降。（5）电气设备、电缆选择不合适，造成长期过载发热，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、喇叭口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，或因接头发热烧坏绝缘。2.2 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：零序电流互感器比幅法、零序电流相对相位法、附加直流电源法、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14种方法外，还有诸如最大法、静态DESIR选线方法、动态DESIR选线方法、DDA选线方法、零序能量法、基于负序电流的选线方法等。多年运行实践表明，以往的选线装置多依靠某一种保护原理，发生漏电故障时经常会造成选择性无法实践，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。利用故障后的稳态分量进行检测，存在的主要问题是接地稳态分量太小，常导致选线装置不能正常动作，而且该方法对中性点经消弧线圈接地电网失效。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，且在有间接性电弧现象时不稳定。以下我们对这些选线方法加以分析，来选择合适的选线方法。2.2.1 零序电流比幅法利用故障线路零序电流大于非故障零序电流的特点，区分出故障和非故障线路，从而构成有现在性保护。这种原理在某一线路远远长于其他线路（即其分布电容与系统总的分布电容相差不大时）的情况下较难满足选择性的要求、同时，当接地点过渡电阻较大时，电容电流较小，装置可能发生拒动现象。该方法不适用于谐振接地电网。2.2.2 零序电流相对相位法零序电流是选择性漏电保护中使用的最重要的参数之一。本节我们研究发生单相接地故障后，零序电流的数学表达式，通过零序电流方向原理实现故障支路的正确选线，并讨论电流随电网参赛、漏电程度的变化规律。需要指出，由于三相电源的中性点不接地，所以无论电网发生什么类型的漏电故障，电网的线电压将不会发生变化。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，则在回路中就有零序电流流通。中性点不接地配电网发生单相接地故障零序等效电路如图21所示 ，其中Cn为第n条线路的相对等效电容，R为接地过渡电阻。由于相对等地等效电阻值远大于相对的等效容抗值，在实际设计中不会对工作过程造成重大影响，故可忽略不计。故障相电源电压为U=U Sin（t+）. （21）当发生单相接地故障时，相当于图21的零状态响应。图2-1 中性点不接地配电网单相接地故障零序等效电路克希荷夫电压定律，当t0时，电路中电压和电流的微分方程分别为： (22) (23) (24)其中C=Cn (n=1,2,N),N是线路的条数。解式(22)得：(25)其中：=Sin-1RC/(1+2R2C2)0.5解式(23)得： (26)式（26）中，第一项是流过接地导线中的零序基波电流，即稳态分量；第二项是流过接地导线中的零序暂态电流，即暂态分量；两项之和是流过接地导线中的零序全电流。解式（24）得： (27) 式(2-7)中，第1项是流过第n条线路的零序基波电流，即稳态分量;第2项是流过第n条线路的零序暂态电流，即暂态分量;两项之和是流过第n条线路的零序全电流。发生单相接地故障时零序全电流的特点是当配电网发生单相接地故障时，中、C, Cn, R有确定的数值，式(2-6)和式(2- 7)中的两项都是时间t的函数。在单相接地初期，零序暂态电流的大小与中、R, t有关，在t 4RC时，零序暂态电流衰减到2%以下，可以认为只有零序基波电流当(D-e时，无过渡过程，只有零序基波电流。但是，在接地过程中，接地电阻R不是固定不变的。当R变化时，又开始新的过渡过程cbI。因此，在单相接地过程中，零序暂态电流有可能时有时无，也可能一直存在。比较式(2-6)和式(2-7)，数学表达式系数C和Cn不同，因此:（1）两个零序全电流波形相同。（2）两个零序全电流大小相差i/in =C/Cn倍，接地导线中零序全电流最大。（3）若接地导线中零序全电流从线路流向母线，则非接地导线中零序。根据以上特征，可以利用零序全电流的大小和方向进行故障选线。为了提高选线的准确率，微机选线装置在采集电流信号时必须注意以下几点:（1）所有线路必须在同一周期内完成采样。（2）采样点数尽量多。（3）各线路对应采样点的采样时间相同。（4）采用集散式并行处理技术准确测量各采样点的量值。利用零序电流来判断供电单元是否发生了漏电，同时，利用各支路的零序电流与零序电压的相位关系来判断故障支路，而后动作，有选择的切除故障支路的电源，这种保护方案就称为基于零序电流方向原理的漏电保护方案。当电网中某支路发生漏电故障或人身触电事故时，由采样电路从电网中取出零序电流信号，经滤波整形后，由比较处理芯片来判别故障支路，最后启动执行电路，切断故障支路的电源，从而实现了有选择性的漏电保护。图2-2为发生单相漏电故障零序等效网络。 图2-2单相漏电故障零序等效网络 其中，r和c分别为线路Ll, L2, L3和总馈电开关处线路的每项绝缘电阻和对地电容，用集中参数表示;R。为漏电故障点过渡电阻，设故障发生在电网A相，并设漏电故障时电网的零序电压为U，规定电流从母线指向线路为正方向。则由图可得到流过非故障支路L1, L2、总自动馈电开关处线路首端的零序电流分别为3I01=U0（01）=Ir01+Ic01 （28）3I02=U0（02）=Ir02+Ic02 （29）3I03=U0（03）=Ir03+Ic03 （210）而通过故障支路L3首端的零序电流则为=-U0 (2-11)式中为全电网一相对地电容之和；= = 观察式(2-8)一(2-11)与图2-2可知，流过故障支路L3首端的 零序电流分两部分:非故障支路绝缘电阻产生的有功电流之和-Ir，其相位与零序电压差180；非故障支路零序电容电流之和一(Ic01I + Ic02 + Ic04) ,相位滞后于零序电压90。而流过非故障支路首端的零序电流也包括两部分:本支路绝缘电阻产生的有功电流，与零序电压同相位;本支路对地电容产生的容性电流，相位超前零序电压900。由于故障支路和非故障支路的零序无功电流分量相反，因此可利用此特点来实现选择性漏电保护。该方法是基于故障线路零序电流与非故障线路零序电流方向相反的特点，区分出故障和非故障线路，从而构成有选择性的保护。此法在故障点离互感器较远且线路很短时，零序电压、零序电流均较小会产生“时针效应”，使相位判断困难而且受电流互感器不平衡电流、过渡电阻大小、继电器工作死区及系统运行方式的影响，容易发生误判。并且不能适应谐振接地时完全补偿、过补偿运行方式，检测可靠性受接地电弧不稳定的影响。2.2.3 附加直流电源检测法 本设计通过附加直流电源原理检测漏电动作值。附加直流电源检测的保护原理如图2-4所示。漏电闭锁保护单元由直流检测电源、直流检测回路、信号取样回路、控制执行回路等几部分组成。 由于磁力起动器负荷侧线路直接与异步电动机相连，对于直流检测电流来讲，电动机的三相绕组相当于把三相电网连接在一起了。因此，直流检测回路只需要与电网的一相相连接，即可检测三相电网和电动机定子绕组对地的绝缘状况。图2-3附加直流源检测原理图在PM处的直流检测信号为 （2-12）式中RPM为电位器电阻，K ; RP为RA RB RC 的并联值，K 。 Ri为检测回路除电网对地绝缘电阻之外的所有电阻之和，KQ。系统确定后，除Ri。为定值，不随电网绝缘电阻的波动而变化。由此可见，Us会随Rp下降线性增长，当Us大于门槛电压时，由中央处理单元发出漏电闭锁信号，断开电动机起动控制回路，达到漏电闭锁目的。由此可见当检测电压恒定时，该系统的漏电动作值是非常稳定的。高压硅堆是为防止电动机的反电势串入检测电路而设计的，主回路跳闸后电动机转子由于惯性继续旋转产生电动势，高压硅堆可防止该电动势窜入检测回路损坏其它元器件。控制回路由单片机软件来闭锁磁力起动器的起动，当检测到发生漏电后，置软件标志位，断开磁力起动器的起动回路，使接触器无法合闸L叫。从而完成漏电闭锁的护功能。附加直流电压和电流的确定，应从以下三方面考虑。1.电阻与外加测量电压之间的关系电网电压等级不同，需要施加不同的直流电压才能反映其真实的绝缘状况。以6kV电网为例，其绝缘电阻与附加直流电压之间的测试数据如表2-1所示，用这种方法测得的电网对地绝缘电阻称为直流电阻。而采用交流方法测得的绝缘电阻则称为交流电阻。大量的实测数据表明，绝缘的直流电阻和交流电阻差别很大，前者比后者大许多倍。由于人身触电或单相接地的电流值主要取决于电网对地的交流阻抗大小，因此从表中可看出随着附加直流电压的升高，所测的直流绝缘电阻也越接近实际值。表2-1直流绝缘电阻R与附加直流电压U的变化关系U(V)20365282120177.5235R()1000800742.8672.1571522489.5 2.检测回路的本安特性(1)合闸前，如电网存在漏电或单相接地故障，直流检测回路所产生的电火花不应引起瓦斯和煤尘爆炸。(2)由于附加直流电源的存在，电网对地电容总是充满电的，在发生单相接地或漏电故障时，放电火花能量应小于引起瓦斯或煤尘爆炸所需的最小能量。3.检测电压与人身安全的关系电网停电后，工人可能进行电气设备的维修工作，如果直流检测电压过高，一旦人身接触，便可能发生触电危险。因此，检测电压不宜过高。本着以上几条原则，根据爆炸环境电气设备“本质安全性电路和电气设备”规程，有关矿用I类电气设备对电容性电路的规定，电容量C和最小点燃电压U曲线，可得1.5F电容量最小点燃电压为100V，若安全系数按2.5折算，所设计的直流工作电压为100/2.5=40V。利用三相调压器，测试75%UN、UN、115% UN时的电压值如表2-2所示。表2-2不同电压下漏电信号的测试值U/VUA/VUB/VUC/UD/UE/4246.141.416.124.140.25054.848.216.224.240.45560.252.216.224.240.4从上述表中的数据分析可知，当电网电压在75%UN-115% UN内波动时，直流检测电压40V比较稳定的。此外，还要考虑到直流检测电流也不宜过大，当发生电网单相接地时，直流检测回路电流为：I=U/Ri=40V/43.6K=0.91mA (2-13)式中Ri为附加直流检测系统内部回路电阻由图2-5可得，Ri= R2+ RPM=43.6 K所以接地电流仅为0.91mA，满足本回路的要求。漏电闭锁动作电阻值是根据漏电动作值确定的，而漏电动作值的确定是一保证人身触电的安全性为前提的。在如图2-5所示的电网中，假设：ra=rb=rc=r，根据安全规程规定，我国煤矿井下人身触电安全电流值为30mA。在不考虑电网电容的情况下，流过的人体电流为： （2-14）式中，Ih为流过人体的电流，U为电网相电压，r为电网没相对地漏电电阻(三相对称)，Rh为人体电阻，取1 K。图2-4 人身触电电流计算图在6kV供电电压下，流过人体电流按30mA计算，便可确定出允许的电网最低漏电电阻值为rmin=3U/Ih=600k (2-15)考虑到三相电网的漏电阻对直流而言为并联通路，则漏电动作电阻值Rse=rmin/3=200k （2-16） 实际采用200k 0，从而得漏电闭锁的动作电阻值为400 k。该系统适用于6kV电压等级的电网，它是通过在程序中设置不同的比较值来实现的。 系统试验: 依据附加直流电源检测的保护原理及所设计的直流电源，当电网电压为6kV时，而对地电容分别为0. 1F和1F时，可测得UL.与漏电电阻RL的对应值如表2-3、2-4所示表2-3对地电容 C=0.1F，UL与RL的对应值RL/ KUL/VRL/ KUL/V04.81201.173203.182700.625402.376800.266801.57310000.181表2-4对地电容C=1F，UL与RL的对应值RL/ KUL/VRL/ KUL/V 04.811201.174203.172700.624402.376800.265801.57410000.182上表的测试数据可见:(1)电网对地电容对附加直流检测没有影响，即它不会影响漏电闭锁动作电阻值。(2)可用U的高低来间接反映电网的绝缘水平。 由漏电闭锁电阻值R,=400k Q，可得出漏电闭锁门槛电压U,=23. 7V。将人为加设的滑线变阻器的阻值慢慢下降时，系统即模拟电网发生漏电故障，显示屏显示“06”，即第六号供电单元发生漏电。试验结果如表2-5所示:表2-5 不同电压下漏电闭锁测试值电压/V单相闭锁电阻值单相解锁电阻值要求值K测试值K要求值K测试值K0.75UN400+8420600420.5UN400+8420.46004301.15 UN400+8420.8600430.6表中数据为10次测量平均值，由测试值可以看出闭锁电阻值符合标准规定。2.2.4 群体比幅比相法该方法是先对零序电流进行比较，选出几个幅值较大的作为候选(希望通过选大的电流来避免然后在此基础上进行相位比较，“时针效应”，但实际上不能完全避免)，选出方向与其它不同的，即为故障选线。该方法在一定程度上解决了前两种方法存在的问题，但同样不能排除电流互感器不平衡电流及过渡电阻大小的影响。2.2.5 零序功率方向法 零序功率方向保护原理利用故障线路零序电流滞后零序电压900非故障线路零序电流超前零序电压90。的特点来实现的。目前采用这一原理实现故障选线的装置在实际电网中应用较多，但对中性点经消弧线圈接地的系统该原理失效。2.2.6 五次谐波分量法 检测五次谐波大小和方向的方法基于以下理论:由于故障点、线路设备非线性影响，故障电流中存在着谐波信号，根据谐波在整个系统内的分布和保护的要求，使用五次谐波分量为益。由于消弧线圈是按照基波整定的，即有L1/C，所以5L1/5C，即消弧线圈对五次谐波的补偿作用仅相当于工频时的1/25，可忽略它对五次谐波产生的补偿效果。因此可根据故障线路的五次谐波电流比非故障线路的都大，且方向相反的特点达到选线目的。该方法的缺点是五次谐波含量较小(小于故障电流的10% )，且在有间歇性电弧现象时不稳定。2.2.7 各次谐波平方和法 各次谐波平方和法是先将零序故障电流中的3, 5, 7等谐波分量求和，然后比较各条线路电流幅值的大小，选出幅值最大的即为接地线路。该法虽然能在一定程度上克服单次谐波信号小的缺点，却不能从根本上解决问题，因为负荷中的五次谐波源、电流互感器中不平衡电流和过渡电阻的大小，均会影响选线精度。2.2.8 首半波法 首半波原理是基于接地故障发生在相电压接近最大值瞬间这一假设，它利用故障线路暂态零序电流和电压初始阶段极性有一段时间相反的特点实现选线。但故障发生在相电压过零值附近时首半波电流的暂态分量值很小，所以该原理不能反映相电压较低时的接地故障。且受接地过渡电阻影响较大同时也存在工作死区。2.2.9 小波分析法 小波分析可对信号进行精确分析，特别是对暂态突变信号和微弱信号的变化较敏感，能可靠地提取故障特征。根据小波变换的模极大值理论可知，出现故障和噪声会导致信号奇异，而小波变换的模极大值点对应着采样数据的奇异点，由于噪声的模极大值随着尺度的增加而衰减，所以经过适当的尺度分解后，即可忽略噪声影响得到较理想的暂态短路信号，小波变换是把一个信号分解成不同尺度和位置的小波之和，利用合适的小波和小波基对暂态零序电流的特征分量进行小波变换后，易看出故障线路上暂态零序电流特征分量的幅值包络线高于非故障线路的，且其特征分量的相位也与非故障线路相反，这样就能构造出利用暂态信号的选线判据。2.2.10 拉路法 小电流接地系统发生单相接地故障时，继电保护装置发出报警信号，此时断路器不跳闸。值班人员听到报警信号后，逐次断开各线路的断路器，当断开某一线路时，若报警信号不消失，则表明该线路不是故障线路，立即合上断路器，恢复供电;若报警信号消失，则该线路即为故障线路。此方法的缺点是故障后需短时停电才能确定故障支路，与小电流接地系统供电可靠性高的优点相违背。2.2.11 注入信号寻迹法利用单相接地时原边被短接、暂时处于不工作状态的故障相电压互感器向接地线路注入一个特定的电流信号(不同于故障时线路中己有的信号特征)，由于注入信号会沿着接地线路经接地点注入大地，用信号电流探测器在开关柜后对每一条出线进行探测，探测到注入信号的线路即故障线路。该方法利用处于不同工作状态的接地相电压互感器TV注入信号，不增加一次设备，不影响系统运行，但注入信号的强度受电压互感器容量限制，接地电阻较大时线路上分布电容会对注入的信号分流，给选线和定点带来干扰;如果接地点存在间歇性电弧现象，注入的信号在线路中将不连续且会破坏信号特征，给检测带来困难。2.2.12 注入变频信号法 对“注入信号寻迹法”高阻接地时存在的问题，应用注入变频信号法可较好地解决。其原理是考虑故障后位移电压大小的不同，选择是向消弧线圈电压互感器副边注入谐振频率恒流信号，还是向故障相电压互感器副边注入频率为70Hz的恒流信号，然后监视各出线上注入信号产生的零序电流相角、阻尼率的变化，比较各出线阻尼率的大小，再计及线路受潮及绝缘老化等因素可选出故障线路。但当接地电阻较小时，信号电流大部分都经故障线路流通，导致非故障线路上阻尼率误差较大。2.2.13 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。目前随配电自动化技术的发展，为选线技术提出了新的要求，需要研究基于就地测量量的保护方法。现场运行表明:上述方法都或多或少的存在一定的局限性，如: ( 1)单相接地时，接地电容电流的暂态分量往往较其到几十倍，若提取暂态信号中的特征分量则有望显著提高选线精度。(2)目前，在能获得零序电流情况下的选线理论是比较完善的，但我国电力系统中只装设两相CT的架空出线的数量很大，在许多情况下难于获得零序电流，多数选线方法失效。虽然负序电流选线可以发挥效应，但这种方法会受到不对称负荷和单相冲击负荷的影响。所以对只有两相装CT的出线适用的选线原理还有待于进一步研究。(3)近年来，利用各种故障信息，把各种保护综合起来考虑的方法，如信息融合技术等正在引起人们的关注，这些研究刚刚起步，占主导的仍是最基本的故障选线方法。2.2.14 零序有功功率法 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90。扩大到180“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1-2A)，发生单相接地故障时，非故障线路不与消弧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2.3 选择性漏电保护装置的基本要求 选择性漏电保护是指当电网的某一支路发生漏电故障时，漏电保护系统仅使开关切断漏电故障所在支路，并保证非漏电故障支路正常供电。它大大减小了由漏电故障而引起的停电范围，提高了供电的可靠性。此外，选择性漏电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。选择性漏电保护装置的基本要求主要有四个方面:(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Ksen，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)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。 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，我们就自行设计组装: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。3 漏电保护机理分析3.1漏电电流的产生图3-1 为中性点接地供电系统漏电电流产生示意图。正常情况下，零序电流I0为零;设备发生漏电时，互感器TA一次侧零序电流I0不为零。假设接地电阻R01=4，人体电阻Rr=1000 ，电源相电压Up=220V。而在设备接地的情况下，通过人体的漏电电流、电压分别为：Ir=Up(R01+Rr)=220/(4+1000)=0.22A，Ur=RrIr=219V。而在设备接地的情况下，假设设备端接地电阻也为4 ，人体电阻与接地端电阻并联，很容易计算出通过人体电流、电压分别为0.11A和110V。保护接地使得人体承受的电压、电流减小了一半。因此，在接零系统中，为了安全运行系统必需要重复接地，否则零线处后的某一电气设备出现漏电事故时，就会使断线处以后的所有接零的其他设备外壳带电。3.2漏电保护系统的原理及组成漏电保护工作原理如图3-2所示，当漏电设备未发生漏电事故时，由电路理论可知，此时电路零序电流I为零，线路正常供电；而当电网用电设备发生漏电时，三相电流矢量和不为零，即零序电流I不为零，互感器CT的二次绕组将产生感应电流i，经信号放大比较，当零序电流达到规定值时，经处理的二次侧电流将使继电器动作，从而推动断路器的脱扣机构动作，迅速切断低压电网电源，达到漏电保护的目的。漏电保护器的种类很多，格式各异，但其基本结构和工作原理相同，一般均由电流互感器、脱扣机构和开关机构组成。在结构上可以分为三个环节，即检测元件、中间环节和执行机构，其组成如图3-3所示 检测 元 件信号 放大信号 比较执行 机构 漏电电流 图3-3 漏电保护系统的组成 检测元件为漏电电流互感器，它由封闭的环形铁心和一次、二次绕组构成，一次绕组有被保护电路的相、线电流流过，互感器的作用是把检测到的漏电信号变换为中间环节可以接受的电压或功率信号，中间环节的功能主要是对漏电信号进行处理，包括变换、放大和比较。执行机构为一触点系统，例如带有分离脱扣器的低压断路器，和交流接触器，受中间环节的指令控制，用以切断被保护电路的电源。零序电流保护原理:零序电流保护的基本原理是基于基尔霍夫电流定律：流入电路中任一节点的复电流的代数和等于零，即I=0，它是用零序CT（电流互感器）作为取样元件。在线路与电气设备正常的情况下，各相电流的矢量和等于零（对零序电流保护假定不考虑不平衡电流），因此，零序CT的二次侧绕组无信号输出（零序电流保护时躲过不平衡电流），执行元件不动作。当发生接地故障时的各相电流的矢量和不为零，故障电流使零序CT的环形铁芯中产生磁通，零序CT的二次侧感应电压使执行元件动作，带动脱扣装置，切换供电网络，达到接地故障保护目的。各支路零序电流互感器零序电压互感器复式电源低通滤波 零序有功检测环节数模转换器单片机报警提示打印RS232图3-4 整体系统结构框图零序电流互感器的作用漏电保护器通过电流互感器检测取得异常讯号，经过中间机构转换传递，使执行机构动作，通过开关装置断开电源。 电流互感器的结构与变压器类似，是由两个互相绝缘绕在同一铁心上的线圈组成。当一次线圈有剩余电流时，二次线圈就会感应出电流。4 系统硬件设计4.1 AT89C52单片机的性能及特点AT89C52是一个低电压，高性能CMOS 8位单片机，片内含8k bytes的可反复擦写的Flash只读程序存储器和256 bytes的随机存取数据存储器，器件采用高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准MCS-51