【DQ026】基于 Intel80Cl96 K B 单片机控制的6 k V 爆开关综合保护系统
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【DQ026】基于 Intel80Cl96 K B 单片机控制的6 k V 爆开关综合保护系统,dq026,基于,intel80cl96,单片机,控制,节制,开关,综合,保护,维护,系统
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复位电路80-+12+1501 051of an be as an To an be is in be is at to to in 6 (to of 0 It be on to 2 to in “12 2 it be is by ST at 12 4 2 is To a ST be to to a At CC ST up at a , 2, be to a is on A is ST is no he to be is AM by to is n ), PU to of to is in is PU of be by at is up at or by a in as a o a ) be by In is is AM be to CC to is a or be to An AM to To or be CC is to be to 0 an be as is to be be is by CC on 89 V. OF be or by a to if is of a or a CC V OF to by CC is by a it up to to AM in to is To of an is by be to a or to “ of to be is 1. LE is in is 2. LE ST is is go a LE is in an or PU be to is a is 50% be to a , It be 1. to , . to a 50% 22 Hz at a 16 61 Hz 2 To as a (2be 20E 2be be to is a 16as an or an as * in 2). up or by in 2as . n by 2, is a 16or as * 2 be to an by in E 1, as a 1- 0 at 2EX in to be In 2EX 2to be F2 an to F2 to is (is no L2 H2 in a 2on 2EX or 2 2 ). Up In 6 be as a or C/2 to up or is by is in 2). is to is up or on of 2EX up . In by 2, up to be 6by , a 16be by an or by a 1at 2 if be F2 . to up or 2EX to of a is at 2 F2 an if is 6to be L2 a is at 2EX to L2 H2 to F2 to be L2 or be as a 17th of if an in of in of in 80In by as 0in A E in E M0 is (). is E. M0 is E be by . is a to in by to a of by to by is by M2 In , be or th is a 1 to is an is . is . In I be M2 is a is a is M2 is a to or by or of be by to s is to in to b t be to of of to be o of CA in or of be EX on ) is a a CA of CA CH L) s If in FR in FR an be 1. 16CA be as by AT in CA be to s a an if 2). n EX on ) CA a CA s To in s FR be on 89is a 66of be to in of or or a it in . 振荡 器特性 输入和输出 ， 可分别作为一个反向放大器的输入和输出 。 此管脚可配置为使用内部振荡器 。要使用外部时钟源驱动器件， 以不连接而由 动 。 外部时钟信号无占空比的要求 ， 因为时钟通过触发器二分频输入到内部时钟电路但高低电平的最长和最短时间必须符合手册的规定 。 复位 在振荡器工作时 ， 将 保持至少两个机器周期高电平 （ 24 个振荡器周期 ） 可实现复位 。为了保证上电复位的可， 须保持足够长时间的高电平以使振荡器产生两个机器周期的脉冲 （ 通常为几个微秒 ）。 上电时 须同时上升以实现正确的启动 。 当复位电压大于时 ， I/O 口 1、 2和 3不同步复位当 低功耗模式 时钟停止模式 静态设计使时钟频率可以降至 0止 )。当振荡器停振时， 该模式允许逐步应用并可将时钟频率降至任意值以实现系统功耗的降低 。 如要实现最低功耗则建议使用掉电模式 。 空闲模式 空闲模式中， 但片内的外围电路仍然保持工作状态 。 正常操作模式的最后一条指令执行进入空闲模式 。 空闲模式下 ， 片内 有 任何被使能的中断 （ 此时 ， 程序从中断服务程序处恢复并继续执行 ） 或硬件复位 （ 与上电复位使用相同的方式启动处理器 ） 均可终止空闲模式 。 掉电模式 为了进一步降低功耗 ， 通过软件可实现掉电模式 (见表 2)。 该模式中 ， 振荡器停振并且在最后一条指令执行进入掉电模式 。 降到 时 ， 片内 持原值 ， 在退出掉电模式之前 须升至规定的最低操作电压 。 硬件复位或外部中断均可结束掉电模式 。 硬件复位使 但不改变片内 值 。 外部中断允许 片内 保持原值 。 要正确退出掉电模式 ， 在 复位或外部中断开始执行并且要保持足够长的时间 (通常小于 10使振荡器重新启动并稳定下来 。 使用外部中断， 将管脚电平拉低使振荡器重新启动 ，退出掉电模式后将管脚恢复为高电平 。 一旦中断被响应 ， 设计中的注意事项 当空闲模式被硬件复位所中止时 ， 器件在内部复位之前从停止处恢复程序正常运行 ， 时间为 2 个机器周期 。 这段时间内片内硬件禁止对内部 但对 I/O 口的访问未被禁止 。 当 为了消除可能产生的误写操作 ， 应用 式指令后的指令不应执行写I/O 口或写外部存储器操作 。 线仿真 )模式实现了对系统的测试和调试而不需要将器件从电路中移去 。 进入 1、 当器件复位且 高电平时将 低电平 ； 2、 在 除时 持低电平 。 当器件处于 处于悬浮状态 ， 其它 I/O 、 弱上拉 。 振荡电路保持工作状态 ， 器件处于该模式时 ， 可用仿真 器或测试 动电路 。 执行正常复位时恢复正常操作 。 可编程时钟输出 可从 程输出 50%占空比的时钟信号 。 ， 还有两个可选功能 。它可编程为 ： 1 用于定时 /计数器 2 的外部时钟输入 2 在 16作频率下输出频率从 122 8 50%占空比的时钟信号 12 时钟模式时为 61将定时 /计数器 2 配置为时钟发生器 ,C/须清零 的 必须置位启动定时器 2 必须将 位时钟输出 频率由振荡器频率和定时器 2 捕获寄存器的重新装入值确定 。 在时钟输出模式中定时器 2 的翻转将不会产生中断这和它作为波特率发生器时相似定时器 2 可同时作为波特率发生器和时钟发生器但需要注意的是波特率和时钟输出频率相同 。 定时器 2 的操作 定时器 2 定时器 2 是一个 16 位定时 /计数器通过设置特殊功能寄存器 的 C/可将其作为定时器或计数器定时器 2 有三种操作模式捕获自动重新装载递增或递减计数和波特率发生器 。捕获模式 在捕获模式中通过 的 置两个选项如果 定时器 2 作为一个 16 位定时器或计数器由 C/选择溢出时置位 时器 2 溢出标志位该位可用于产生中断通过使能 存器中的定时器 2 中断使能位如果 与以上描述相同但增加了一个特性即外部输入 1 变 0 时将定时器 2 中 当前值各自捕获到 2负跳变使 的 位 象 样能够产生中断其向量与定 时器 2溢出中断地址相同定时器 2 中断服务程序通过查询 确定引起中断的事件捕获模式如图 2 所示在该模式中 重新装载值甚至当生捕获事件时计数器仍以 负跳变或振荡频率的 1/12 计数 。 自动重装模式递增 /递减计数器 16 位自动重装模式中定时器 2 可通过 C/置为定时器 /计数器编程控制递增 /递减计数计数的方向是由 减计数使能位确定的 于 存器见图 3 中当 时定时器 2 默认为向上计数当 时定时器 2 可通过 定递增或递减计数图 4 显示了当 时定时器 2 自动递增计数在该模式中通过设置 进行选择如果 定时器 2 递增计数到 0在溢出后将 位然后将 的 16 位值作为重新装载值装入定时器 2 值是通过软件预设的如果 16 位重新装载可通过溢出或 1 0 的负跳变实现此负跳变同时将 中断被使能则当 1 时产生中断在图 5 中 时定时器 2 可递增或递减计数此模式允许 制计数的方向当 1 时定时器 2 递增计数计数到 0溢出并置位 将产生中断如果中断被使能定时器 2 的溢出将使 的16 位值作为重新装载值放入 零时将使定时器 2 递减计数当 数到等于 定时器产生溢出定时器 2 溢出置位 将 0新装入 定时器 2 递增 /递减产生溢出时外部标志位 转如果需要可将作为第 17 位在此模式中 志不会产生中断 。 增强型 作的一般模式前部分已有描述除了通过查询丢失的停止位进行帧错误检测和地址自动识别外 标准的 80步串行通信一样支持多机通讯通过查询丢失的停止位对帧错误进行检测丢失停止位时将会置位 与 用 地址通过对 进行设置来决定 的功能 1 时 0 时 只能被软件清除 。 自动地址识别 自动地址识别是串行通讯一个特性它使 以通过硬件比较从串行数据流中识别出特定的地址这样就不必花费大量软件资源去检查每一个从串口输入的串行地址通过置位 来激活该功能在 9 位 式中模式 2 和模式 3 当接收完特定地址或广播地址后接收中断标志位 自动置位第 9 位为 1 说明所接收为地址而非数据自动地址识别见图 9模式1 为 8 位 式当 能所接收的 8 位数据后有有效的停止位 时 置位所接收 的 8 位数据为特定地址或广播地址模式 0 为移位寄存器模式与 关使用地址自动识别特性时主机通过调用特定从机地址选择与一个或多个从机通信使用广播地址时所有从机都被联系在此使用了两个特殊功能寄存器 示从机地址 示地址屏蔽 于定义 哪几位需使用而哪几位不予考虑 以与 辑与得出给定的地址用于对每一从机进行寻址 。 可编程计数器阵列 (6位捕获 /比较模块组成的特殊定时器 。 每个 模块都可以经编程实现下列多种模式 ： 捕捉模式软件定时器模式 ， 高速输出模式和 宽调制模式 、。 每个模块都有一个 摘 要 煤矿井下 6 k V 电网防爆开关是矿井供电系统的关键设备，它负责向工作面和掘进面的工机械提供电能。长期以来现场所使用的这种开关载流能力小、保护简单、故障率高，直接影矿井供电的可靠性、安全性和连续性，因此研究高性能的 6 k V 防爆开关综合保护系统对提高供电质量、保障人身安全，完善电网保护不仅具有重要的现实意义而且具有较高的经济价值。 本文深入系统地研究了基于 B 单片机控制的 6 k V 爆开关综合保护系统，主要内容如下 : 针对大型及特大型矿井供电系统中性点普遍采用消弧 线圈接地方式的现状，回顾了国内外矿用高压防爆开关保护系统的发展历史，分析了目前国内高压馈电开关保护系统所存在的问题，提出了“ 基于零序电压基波启动，五次谐波功率方向比较”的选择性漏电保护原理，设计了相应的五次谐波提取电路和功率方向鉴别电路。实验结果表明 :该保护原理不仅适用于中性点绝缘的供电系统，而且适用于中性点经消弧线圈接地的供电系统，提高了选择性漏电的动作可靠性，保证了动作值的稳定性。 通过分析 6 k V 电缆绝缘监视保护的特点， 提出了在高压电缆监视线与接地线之间附加直流电源并利用 V / F 转换实现监视 保护的新方法，设计了相应的电路。实验证明 :该方法可有效地检测电缆的绝缘状祝，并实现了电缆短路故障时的超前切断功能。 以 8 O C 1 9 6 K B 单片机为中央控制单元，设计了一种新型智能化高压开关综合保护系统。该系统能自动判断短路、过载、过压、欠压 漏电等故障，并对高压电缆的绝缘水平进行实时监测，大屏幕液晶显示器实现了电网参数的轮流显示， 通过拨码盘输入系统各项整定参数，真正实现了保护系统数字化。 综合保护系统直接对传感器二次交流信号高速采样，利用傅立叶算法获取所需电压、电流等参数， 然后对需控量进行监视 、分析、统计和判断，从而使可信度、可靠性得到保障。 本文分析了工业生产环境存在的千扰源及所产生干扰信号的特征，针对不同特征的干扰信号，制定了相应的硬件、软件防治措施 作可靠，且易于操作，具有传统保护系统无法比拟的实用性和可靠性。 关键词 : 综合保护 微机控制 高压防爆开关 高压电网 选择性漏电保护 is a in is V or V in V in as of is to a of in of V to is in of V on of an in on of It by A 绪论 K e y Wa r d s : s y n t h e t i c p r o t e c t i o n m i c r o c o m p u t e r c o n t r o l H V f l a m e p r o o f s w i t c h g e a r H V d i s t r i b u t i o n n e t w o r k s s e l e c t i v e l e a k a g e p r o t e c t i o n 究高压防爆开关综合保护的意义 随着煤矿现代化程度的不断提高和井下高压供电距离的增加，对煤矿井下供电系统可靠性、安全性和连续性的要求越来越高 ;同时，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、输电线路的导线断裂等原因，经常会出现漏电及单相接地故障。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，甚至发生三相或两相短路事故。单 相接地、相间短路故障发生时产生的电弧能量会引起瓦斯、煤尘爆炸，直接危及人身安全和矿井生产。为了避免事故的发生，保障人身安全，有效减小事故范围，研究高性能的高压防爆开关综合保护系统具有重要的现实意义和重大的经济价值。 高压开关综合保护是煤矿井下高压供电系统终端线路的主保护，它起到了保护高压电缆和变压器的作用。对于电缆和变压器发生短路、过流、漏电和电缆损坏等故障都能起到保护作用，从而能够保证其控制的整个高压线路的供电安全。因此高压防爆开关综合保护系统的好坏将直接影响到煤矿井下供电的安全性和可靠性。 压 开关综合保护系统的基本要求 根据矿井供电系统在矿井生产中的核心作用，参考 煤矿安全规程，安装于高压防爆馈电开关中的综合保护系统应满足以下四项基本要求： (1) 选择性 保护的动作应具有选择性。即它是有选择地切除电网中发生故障的支路，而保证非故障支路供电的连续性，尽量缩小中断供电的范围。 (2) 可靠性 保护系统能准确判断故障，可靠执行命令 ;但当其它支路发生故障时，本支路保护不应发出跳闸命令，即不产生误动的现象。 (3) 快速性 本支路发生故障后，保护系统应快速动作，防止故障范围扩大，降低电气设备的损坏程度。 (4) 灵敏度 保护系统应 具有较强反应故障的能力。即不论在保护范围的始端端发生故障，保护系统均应准确反应还是在保护范围的末，甚至在后备保护范围发生故障时，也应具有一定的反应能力。 鉴于保护系统在矿井供电系统中的重要作用，多年来，广大科技工作人员都非常重视这一领域的研究，高压综合保护是矿井供电系统保护中的一种，多年来经过了数次更新换代，但从现场运行的情况看，这些保护系统误动和拒动的现象时有发生，不能完全满足供电系统保护的四项基本要求，所以其保护性能仍然有待进一步完善和提高。 压开关综合保护系统的研究现状和发展趋势 压开关综合保护系统发展过程 早期的高压开关是油开关，仅有电流互感器和电压互感器，保护功能简单，主要元件为过流继电器和高压熔断器。自从五十年代引进国外高压防爆开关以来，其综合保护系统的发展大致经历了两个阶段 :模拟电路阶段和以模拟电路为主、数字电路为辅的阶段，以国营汾西机器厂生产的 高压真空配电装置和德国 8高压开关箱为典型代表。两个阶段的高压开关综合保护对煤矿井下的供电安全都起到了一定的积极作用。但是由于它们主要采用模拟电路，电路参数的分散性大，易受环境的干扰，影响了综合保护系统可靠性的 提高。 目前现场使用最多的是集成电路型，如沈阳市天行电子有限公司生产的 性好、 J 性能稳定、体积小、使用方便等特点，对高压综合保护系统的更新换代起到了一定的推动作用。近年来，随着计算机检测技术的飞速发展，集成电路型保护所存在的问题和不足暴露的越来越明显 :电路复杂、硬件成本高 、操作复杂、自动化程度低等，这些缺点限制了它的进一步发展。而单片机控制以其优良的性能，在现代控制领域掀起一场新的革命。自从 1984 年 5 月12 日由杨奇逊教授主持研制的第一套微机保护系 统在河北马头电厂投入运行以来，微机型继电保护的发展已经历了十几年的历史，而且在电力系统中显示出不可替代的重要作用。实践证明，微机保护依赖其强大的计算能力和逻辑判断能力，能够实现许多传统保护不能实现的功能，并 且它具有非常高的可靠性和准确性。同别的控制领域一样，矿用高压开关的保护也进入了微机保护时代。但在煤矿井下，微机保护尚没有成功地推广。从技术和经济角度考虑，现在煤矿己经具备用微机构成保护系统的条件，因此矿用高压开关的继电保护、显示、控制必然走向智能化。本课题正是适应这一发展趋势而提出的。 内外 高压开关综合保护系统的发展现状 1)国内高压开关综合保护系统的发展现状 目前国内现场所使用的高压开关综合保护系统大部分仍采用集成电路 型，工程技术人员就保护单元的设计，不断提出新的优化方案。沈阳市天行电子有限公司生产的 高压综合保护系统，用于 3中性点不接地供电系统中，它采用小规模集成电路组成故障判断单元，磁保持故障记忆元件记忆最近发生的故障类别。该保护系统由电源模块、短路模块、漏电模块、绝缘监视模块组成，有利于故障鉴别和维护，但其过载延时采用 时不准确。漏电保护采用零序电 流功率方向保护原理，仅适用于电网中性点绝缘的供电系统中。 北京安华顺诚电子工程有限公司生产的 列多功能高压馈电综合保护器 41，采用先进的计算机数字技术，变压器中性点不接地供、变电系统及中性点接地欠补偿系统中电力开关专用多功能综合保护器，具有短路、过流、绝缘监视和功率方向型漏电保护功能，目前己占有相当的市场份额。但其整定值分档可调，没有实现连续整定，采用数码管显示，显示内容只有电压和电流，缺乏良好的人机界面，另外还存在缺乏自诊断的功能。 我国现有高压综合保护产品的测试 与实际使用结果表明： 各厂家高压综合保护系统漏电保护均存在不同程度的拒动和误动现象，保护中所采用的选择性漏电保护原理仅适用于中性点绝缘的供电系统，对中性点经消弧线圈接地的供电系统不能实现选择性漏电保护功能。 过载保护动作时间不准确，反时限特性不理想。 短路或漏电保护固有动作时间长，实时性差。 零序电流互感器 ( Z S C T ) 灵敏度差， 只有少数型号的高压综合保护系统其零序电流互感器二次输出波形不发生畸变。 其它如保护不能自检，保护传感器选择不合适，缺乏必要的抗干扰措施等均有存在。 2)国外商压开关综合保护系统的发展现状 本世纪二三十年代，采煤技术发达的德国、前苏联和英国等国家先后开展井电气安全的研究工作。八十多年来，这个领域的研究不断取得新的进步，隔爆型、本质安全型电气设备在煤矿井下逐步得到了广泛的应用。 西门子公司的 8高压防爆开关中的保护单元，采用分立元件、 模拟电路，具有短路保护、漏电保护和绝缘监视保护功能，是一种比较完善的保护系统，并可实现就地或远方控制。 近几年，英国、德国等西方主要产煤国在高压继电保护方面均趋于利用计算机功能多、可靠性高的优点，大量采用计算机控制，使 继电保护具有多功能、智能化的优点。国外许多公司都相继推出了性能优越的微机保护系统，如英国华莱公司的双速开关保护系统，由 8085现微机式保护，保护系统采用了模块插件式结构，由输入板，主控板，输出板，显示板和电源板组成。德国 司生产的 列多功能保护继电器，不仅具有完善的保护功能，而且具有良好的人机界面。既能用于地面的供电系统，又能运用于矿井供电系统 压开关综合保护系统的展望 近年来，随着电力系统的发展和对安全运行要求的提高，有时常规的继电保护和故障诊断技术不 能完全适应不断发展变化的电网运行工况，于是研究人员提出了自适应继电保护和智能故障诊断技术。人工神经网络 (简写为 术已得到电力系统研究人员的高度重视和广泛研究。 由众多的神经元 (泛互连而成的网络。在信号处理上与传统的数字计算机有着根本的不同，它具有大规模并行分布处理、连续时间动力学和网络全局作用等特点，利用 高度并行处理和近似推理，实现对电力系统运行方式和故障类型的诊断和识别，可以实时实现难以用常规保护实现的最优算法 ;利 用 高度容错能力，可使保护具有更高的可靠性。更重要的是， 有自适应和自学习能力，能使保护和故障诊断具有更强的自适应能力。 模糊控制器以模糊集合理论为基础，模拟人的知识表达、知识推理方法，其基本组成部分包括 :模糊化、模糊控制规则、模糊推理和精确化。模糊控制是一种类人智能控制，可以实现非线性控制，可以得到比常规控制更优良的控制效果，能实现对复杂过程的控制。 综合利用模糊理论及人工神经网络各自的特点形成的模糊神经网络已成为研究提高电力系统继电保护可靠性、快速性、灵敏性及选择性的一个重要发展方向。由于模 糊神经网络中已经融入了模糊控制系统的所有信息，包括影响模糊控制器控制性能的所有参数，因此可通过对其权值和阀值的调整来实现对模糊控制系统参数的综合优化调整，提高控制器的控制精度， 保证系统的可靠运行。 型徽机综合保护系统研究的必要性 我国矿井高压供电系统属于小电流接地运行方式，一般由三级变电所组成 :地面变电所、井下中央变电所和采区变电所。矿井地面变电所是矿山供电的枢纽，它担负着向井上、下变配电的任务，它将 35压降为 6额定电压为 10以下的用电设备供电。井下中央变电所一般设在靠 副井的井底车场范围内，负责向下一级变电所分配电能。采区变电所是采区的供电枢纽，它接受井下中央 (配 )电所送来的高压电能，变成低压后，分配或直接配给采掘工作面配电点或用电设备。一般情况下，采区变电所将 6压送到靠近用电负荷的移动变电站后变成低压，再送至配电点或用电设备，即供电方式为采区变电所一移动变电站一工作面配电点 据 煤矿安全规程的要求，三级变电所均须装设有选择性漏电保护系统。早在 60 年代，我国就开始对矿井高压电网漏电保护原理和系统进行研究。迄今为止，保护原理有附加直流检测法、零序电流法、零序电压 法、功率方向法等多种，相应也先后开发研制出几代产品。这些系统都不同程度地在矿井高压电网的安全供电中发挥过积极作用。但是，由于受电力电子技术，微电子技术等相关领域科技水平的限制，以及对井下高压电网运行规律认识不足，使得过去这些漏电保护系统动作可靠性较差、误判率较高。另外，随着煤矿生产用电量的不断增加，井下供电系统的供电方式及对供电系统的技术要求也在发生变化。根据 60 年代对数十对矿井电网单相接地电流实测，仅有极个别矿井电网的单相接地电流超过 20A 的限值 ; 1988 年由煤炭部组成的专家组又对各国统煤矿的供电系统进 行了抽样调查，调查结果表明 :单相接地电流超过 20A 的矿井己占总数的 1992 年又上升为 目前，单相接地电流超限的矿井已高达 70%以上，其中半数以上大于30A，最高可达 70A，如此大的接地电流使得间歇性电弧不能自动熄灭，产生危险的电弧接地过电压，使单相接地故障扩大为两相接地短路故障。同时，电弧的存在还增加了瓦斯、煤层爆炸的危险性。因此，必须采取措施对单相接地电流加以限制。煤矿安全规程没有明确指定采取何种措施，但要求一定要将单相接地电流降低到 20A 以下。电力规程建议使用消弧线圈进行补偿 以降低接地电容电流，事实上这也正是目前多数矿井所采用的方法。尽管采用在电网中性点串接消弧线圈可以降低单相接地电流，但导致了电网中性点接地方式的改变，它对原检漏系统的检测原理产生了重大冲击，甚至破坏了原选择性漏电的保护原理，使之失效。 目前己定型生产的综合保护系统大多只适用于中性点绝缘系统。在电网中 性点加装消弧线圈后，其单相接地故障电流可能比非故障线路的还小，且相位在过补偿时与非故障支路相同，如此便导致这些零序电流型和零序功率方向型的保护系统不能满足选择性的要求。因此，适用于不同接地方式，特别是适用于井下高压供电系统使用的选择性漏电保护系统急待开发研制，它对提高煤矿井下供电安全性、可靠性和连续性具有非常重要的意义。 过去绝大多数保护都是靠低压侧执行跳闸等动作，低压侧保护的优点是电压低，继电保护方便、容易。但存在以下缺点： 随着移动变电站容量的增大，低压侧电流增大。这是因为低压馈电开关的电压不超过 1140V，变电站容量增大时的低压侧电流增大。例如容量增大到 1600压电流达到 800A，正常情况下操作已经比较困难。如果发生短路，短路电流成倍增大，实现保护难度更大。 变压器内部发生短路时，由于分断电流小，低 压侧无法检测，如果高压侧没有设置保护系统，影响中间电路正常运行。 采用高压开关保护把变压器及被保护线路看作一个整体，高压侧电压高，但电流小，从现代变电站实际情况考虑，在高压侧保护具有重要的经济意义。另外，微机保护在开发过程中，充分发挥了计算机的灵活、快速、准确的特点，使继电保护技术得以不断完善和进步，在功能和性能上都显著优于传统的模拟式保护。其主要原因在于 : 继电保护功能由硬件和软件联合确定 ; 微机具有较强的逻辑判断和计算功能 : 具有较强的记忆功能和快速反 应能力 ; 具有强大的通讯功能，可实现网络化管理。 这些优点都是传统继电保护无法比拟的。 针对以上情况，研制矿用隔爆型高压开关综合保护系统，将微机保护推广应用于我国煤矿井下，进一步提高保护性能，满足煤矿生产需要，是本课题的研究目标。 文研究的主要内容： 通过实验研究矿井高压电网各种运行方式下漏电的故障特征，在此基础上采用 “零序电压启动、提取电网零序电压五次谐波与零序电流五次谐波进行比相”来完成选择性漏电保护，以适应煤矿井下不同中性点接地方式下不同漏电故障特征值的情况 。研究能满足这一功能要求的硬件电路 ; 研究矿井高压电网供电系统的各种保护原理，在此基础上，对供电系统中的故障状态进行仿真实验 ; 研究测控系统各种特征参量的检测方法和检测技术，提出综合保护系统的总体方案，确定系统的采样方式及相应的算法。 开发以单片机 80核心的测控系统，建立大屏幕液晶显示系统和通讯系统。 对煤矿井下恶劣环境下的各种干扰源进行仿真实验，提出针对性的抗干扰措施，以提高测控综合保护系统的工作可靠性。 2. 6电系统的保护原理 述 煤矿安全规程规定 :井下高压变电站应装设短路、过载、欠压保护，为保证有选择性地切除漏电故障，应设有选择性漏电保护，在使用屏蔽电缆的场合，还应设置绝缘监视保护 本章首先分析了现有高压综合保护系统各种保护的工作原理及其所存在的问题，针对这些问题，针对性地提出了解决方案，特别是对于中性点经消弧线圈接地供电系统的选择性漏电保护，提出了采用零序基波电压启动，五次谐波功率方向比较的保护方案，有效地解决了这种供电系统中原选择性漏电保护的误动和拒动问题。 路保护 压电网的短路故障特征 短路是指供电系统中不等电位的导体在电气上被短接，各种类型的短路故障是煤矿井下最常见的故障之一。短路故障包括 :三相短路、两相短路、两相接地短路，以及变压器绕组匝间短路。 在高压综合保护中，对各种短路故障都应采取电流速断保护。电网正常运行时，输电线路上通过负荷电流，发生相间短路时通过短路电流，短路电流往往比负荷电流大得多。所以短路保护一般都采用电流检测原则，以电流的幅值作为判据，根据短路时通过保护系统的电流大小来选择动作电流的大小，以动作电流的大小来控制保护系统的保护范围。但这一种判据有 时不够可靠，会形成保护 “盲区”。 6电系统短路保护示意图如图 2示，图中 :T 为电源变压器，1M,2压器到2离长 ;到1离近。2能会小于1 2b 这时变压器出口处短路时的功率因数 很小，敏保护也存在一定的“死区”。为了消除这一弊端，这种情况下需采取另外一种附加措施 :即当线路电流特别大时，不管相位角如何，短路保护都应该动作。 高压开关所控制和保护的线路是煤矿井下电网的高压终端线路，具有线路一变压器组的接线特点，线路和变压器可以看成是一个元件，因此，短路保护可以整定为保护整个线路 (包括变压器 )。短路保护的整定值必须 大于变压器的尖峰负荷，而对于变压器低压侧出线端在最小运行方式下发生两相短路故障时短路电流能够满足灵敏度的要求，从而确保短路保护能保护整个线路。同时，短路保护的整定值应该考虑到变压器的励磁涌流和电机的起动电流。变压器在正常工作状态和外部故障时的励磁涌流很小，但是，变压器空载投入或外部故障切除后电压恢复的暂态过程中，励磁电流大大增加，其数值可达变压器额定电流的 6，因此在整定时励磁涌流是一个必须考虑的因素。 通过上面的分析可知，相敏保护以两个电气参量为取样量，提高了动作的可靠性。尤其是当短路电流较小而功率因 数较大的情况下，动作更准确。再配合辅助判据，使得短路故障的判别比较准确和可靠。 负荷 (过载 )保护 载特性 过载是一种非正常运行状态，一定范围或一定时间内的过载是允许的，但长时间过载是不允许的。长时间过负荷会导致电缆的热量积聚，其电气绝缘水平会逐渐下降，最终导致绝缘击穿，设备损坏。热量的集聚与电流及时间两个因素有关。 过载的判别方法采取电流取样原则，过载电流一般比短路电流小。 过载保护的实现采用反时限动作特性，过载倍数 (实际电流/额定工作电流， e)越高，允许过载的时间越短。 过载整定范围经查证得知整定范围定为 额定电流间整定，整定误差不超过 10%。按 规定 “标准电子式过流反时限继电保护系统延时在 间连续可调”，因此，综合保护系统的过载延时定为 载反时限特性与设备、线路的实际过载特性有关，过载反时限特性 曲线如图 2示。 积累 由于电网的负荷波动大，使线路中电流发生变化。在过载过程中，有时本次延时保护还没有动作时，过载特性即发生变化 ，使保护返回，重新计时，造成热量的积累，这样连续过载使得热量不能立刻完全散走，还有可能出现断续过载，在热量没有完全散走的情况下，保护重新计时，造成设备 (如电缆 )和开关出现热积累，所以热量积累的问题必须加以考虑。为了描述高压综合保护的热积累效应问题，定义热积累系数 C，按下式计算 : 3 3 3( ) / 1 0 0 %C t t t 式中 : 3 倍过载动作时间， s; 3断续过载最后动作时间， s。 我们先看一下各种过负荷情况，然后讨论解决的方法。 对于图 2的情况，过负荷始终保持一个过负荷倍数 值，根据实际情况确定相应的时间整定值按此反时限规律决定跳闸的时间。 对于图 2的情况，过负荷一段时间，未达到动作时限前返回正常状态，依据经验，恢复正常后经过 3 倍过负荷的时间，开关才可能恢复到原来的额定温升状态。在程序中，过负荷的时间可计时为1t，在达到正常合闸以前，按一定的倍数关系对1如 :过负荷时，每次循环1，回到正常后每次循环1。当1 时，表示又回到原来的温升。 对图 2的情况，过负荷情况比较复杂。在过负荷倍数为八的情况下，过负荷一段时间，还有可能又回到正常的 状态。对于这种情况，我们采用了将第一次过负荷的时间折合到第二次过负荷的时间2第一次过负荷的时间1间的热积累。在折合过程中，必须考虑热积累系数 C, 总之，过载保护既要考虑热积累，又要保证正常工作而不频繁断电。 总之，过载保护既要考虑热积累，又要保证正常工作而不频繁断电。 压、过压保护 在正常情况下，配电线 路和开关设备等对地绝缘，只承受相电压。由于某些原因，电网的电磁能量发生突变，造成电压异常升高，出现危及设备绝缘的电压称为过电压。而电压过低则称为欠电压。 当实际电压等于或大于 118%额定电压时，判定为过电压。实际电压等于或低于 65%额定电压时，判定为欠电压。二者均属不正常工作状态。 欠压保护还可以作为短路保护的后备保护，当发生非金属性短路故障时，母线上的电压有可能不为 0，这时通过欠压保护实现短路保护后备保护。 系统通过直接交流采样，判断操作过电压的范围，进而确定是否发生欠压或过压不正常状态。高压开关中还采用 压敏电阻吸收瞬时操作过电压，保证过电压不超过额定相电压 (峰值 )的 敏电阻是一种以氧化锌为主要成分的非线性电阻。当过电压超过预先选定的压敏电阻动作电压时，压敏电阻就显示出低阻特性，使存在于负载回路中的能量通过压敏电阻释放掉。待过电压波过去后，压敏电阻又自动恢复原来的高阻特性。实验证明，氧化锌压敏电阻的动作可靠，保护效果较好，并且体积较小，费用低。 10氧化锌压敏电阻使用在 6线路中，过电压可限制在 相电压以下。 2 . 5 选择性漏电保护 2 . 5 . 1 矿井高 压电网漏电故障特征 煤 矿安全规程规定煤矿井下高压电网必须采用中性点绝缘方式供电，但是正如绪言中指出的那样，为限制超标的单相接地电容电流，有些矿井电网特别是大型矿井电网中性点采用了消弧线圈接地方式，这将影响原有选择性漏电保护系统的正常工作。本节对电网两种中性点接地方式下的漏电故障特性进行分析、比较，并对目前使用的高压选择性漏电保护系统的原理进行归纳总结，然后就消弧线圈补偿对目前通用的选择性漏电系统产生的影响进行分析，提出一种合理、有效的保护方案。 电故障暂态特性 根据己有的研究结果，矿井高压电网漏电故障的 暂态过程有如下特征 : (1) 电流瞬态有效值 L 匕稳态有效值大，瞬时值更大 : (2) 消弧线圈补偿时，在脱谐度 避免中断服务的时间大于采样时间成采样点偏离预定点，使计算结果出现错误。 图 5软件定时中断 2 服务程序框图。数据采集指依次接通 A/D 转换器的通道 0动 A/D 转 换。将转换的数据存放到数据缓冲区中，程序对每个通道依次采集 12 个点 (一个周期 )，运用傅氏算法计算出幅值，并根据幅值的大小等判断故障类型，再根据故障类型进行相应的处理，如 跳闸、显 示 故 障 类 型 等 。 始化及自检 初始化中执行的程序内容如图 5示。 系统的初始化程序包括单片机 80殊功能寄存 器的初始化、各个状态变量的初始化以及可编程接口芯片 8255 的初始化。 单片机 80殊功能寄存器包括 : 速输入形式寄存器， ， 断悬挂寄存器，其设置如下 : 00000011B ;允许 I 中断 01110001B 20H 8255 初始化程序如下 : X,# ： 8255(1)初始化 A 口、 B 口、 C 口输出 L,#10000000B L, ： 8255(2)初始化 A 口、 B 口输入， C 口输出 L,#10010010B L, 程序的自检包括 检、 检及 /自检不通过时，程序通过显示单元显示哪一项自检出现错误，且一直自检，直到自检项目全部通过为止。 对于随机存储器的自检，可在存储区 8000次先写入 后读出该数据校验 :随后写入 读出校验。这样，就可将整个 / 流电压，系统开机自检时先接通这一路进行 换，如多次采样后的平均值在 近时，则证明 A/D 转换器没有错误 ;否则，应检查多路转换开关 A/D 转换器 否损坏 . 自检采用 “校验和”的方法，即将 的内容从2000H 一直累加到 7出不计，结果与放于 7字相比较，若相等，则该系统中 确 ;若不等，应检查系统中的 样数据的预处理 采样数据的预 处理是指 取 /该数据加工成直接反映被转换信号大小的数据处理过程。由于 12 位双极性输入，当输入电压 一 5V 变化到 +5V 时，输出的 12 位二进制数据从 换到 输入特性如图 5示。 由图 5知，当输入V 时，输出为 入V 时，输出为 7入“出时 800H;输入V 时，输出为 因此，输出最高位 符号位， 表示 11 位是数值位。当 时，数值位不变而 反就得到数字量的补码形式 (数字量位 例外 );当 时，数值位即反映被转换电压的大小。这种形式的数字量输 出也称为偏移二进制输出。 U,I 计算子程序 利用傅氏算法，通过对最近采集的一个周期 12 个点进行计算，求出电量的实部和虚部，其平方和开方就是电量的幅值。框图见图 5中子程序 算一个数值的平方根，子程序 算两个数值的平方和。别为电压互感器和电流互感器的变比。 种故障分析处理 故障的判断包括短路、过 压、欠压、过载、漏电、绝缘监视。根据不同的故障类型，采取不同的措施。 具体处理软件流程如图 5示。 对于漏电、过载等故障，要求延时跳闸，延时定时在 10件中断程序中累积或清除，定时的多少，从拨码盘输入相应的值， 据这个值从固定的存储器单元中读出定值。对于短路、绝缘监视等故障，要求瞬时跳闸。 章小结 本章详细介绍了系统总体软件设计方法以及软件结构，并对各功能模块分别予以说明，包括主程序模块、初始化模块、额定参数检测模块 中断处理模块、傅立叶算法模块及故障处理模块。系统过载发生后采用软件定时器延时，不但准确，而且使用起来方便。软件设计采用模块化结构程序设计方法，不但便于编写、查错、测试和修改，而且能提高编程效率和运行的可靠性。 6 保护系统抗干扰措施 述 可靠性是对继电保护的基本要求之一，它包括两个方面 :不误动和不拒动。除了保护的基本原理应满足可靠性要求之外，还有两个因素影响保护的可靠性，这就是干扰和元件损坏，这些都不应该引起误动和拒动。保护系统微机化后，其元件数量大大减少，而且大规模集成电路 损坏率很低，特别是微机可以实现高级在线自动检测，绝大多数元件损坏都能被检测出 来并且自动报警，不会引起保护的误动。 单片机控制高压开关工作的电磁环境是比较恶劣的，综合保护系统在工作时不仅要受到从电网上传来的 “噪声”干扰，其本身也是一个很强的干扰源，像变压器绕组电流、电压的变化以及负载线上的电流频繁变化和真空断路器本身的操作过程都会产生高频噪声。尤其是，该高频信号会通过导线和空间馈入单片机系统内，造成既定程序脱离原有轨道，跳飞到其他的程序段上，造成系统的不正常工作，甚至损坏系统。所以对综合保护各 单元的抗干扰性能提出了较高的要求，尤其是单片机系统的抗干扰问题则更加重要。因此，在整个单片机系统的研制工作中，始终将抗干扰性能作为综合保护系统设计和制作时首先考虑的问题之一，并从硬件和软件两个方面采取了一系列抗干扰措施，有效地保证了系统稳定可靠地工作。 磁干扰与抑制电磁干扰的原则 在电路中，所谓噪声就是对有用信号进行干扰，对信息传输进行阻碍的扰乱。由于噪声在一定条件下干扰电子设备的工作，所以也把这种噪声称为电磁干扰 (称 简称干扰。 一般来说形成电磁干扰的条件有三 :向外发送电磁干扰的源一噪声源 :传递电磁干扰的途径一噪声祸合和辐射 :承受电磁千扰的客体一受扰设备。因此为保证系统在特定的电磁环境中免受电磁干扰，必须从设计阶段起便采取三方面的抑制措施 :抑制噪声源 ;消除噪声源和受扰设备之间的噪声祸合和辐射，切断电磁干扰的传递途径，或提高传递途径 对电磁干扰的衰减作用 ;加强受扰设备抵抗电磁干扰的能力。 件的抗干扰设计 抗干扰的硬件设计方法是基于上述抑制电磁干扰的原则，针对现场 实际情况，采用不同的措施，破坏干扰三要素中的某一因素的存在，从而达到抗干扰的目的。 实际应用系统中千扰的来源一般可分为以下三类 : 电源的干扰 : /过与主机相连的输入通道、输出通道及与其他主机相连的相互通道进入 ; 空间干扰，通过电磁波辐射窜入系统。 电源干扰对单片机系统来说是一个较为严重的千扰源，单片机系统的电源一般都和其它设备、照明线路共用一个供电系统，它们在线路上一般都有公共地，因此其它电气设备引起的 电源噪声很容易通过电源进入单片机系统。干扰信号会通过主回路到主变压器副边，经过初、次级之问的寄生电容对变压器原边影响，最终通过电源线和地线窜入到单片机控制系统中。另外在数字电路中，当电路从一个状态转换成另一个状态时，就会在电源线上产生一个很大的尖峰电流，形成瞬变的噪声电压。 当电路接通与断开电感负载时，产生的瞬变噪声干扰往往严重妨害系统的正常工作。实践证明，包括高频在内的多数干扰来自单片机系统所用的5V 电源，所以，对电源的净化就显得十分重要，可以 说，单片机供电电源品质的好坏是计算机免受干扰的关键因素。 利用静电屏蔽的一般原理和变压器的特殊性，可在变压器的初级绕组和次级绕组之间加屏蔽层。这相当于在变压器的初级和静电屏蔽层间接入一个旁路电容。这样，从电网进入电源变压器初级的高频干扰信号，相当一部分将不经过变压器初级与次级间的分布电容的祸合而传到次级去，而是通过静电屏蔽层直接旁路到地，从而减少了由交流电网引进的高频干扰。 输入输出通道干扰是通过前向 后向接口而引入的干扰，在通道中长线 传输的干扰是主要因素。抑制此种干扰本文采用的是双绞线传输、隔离等措施。 隔离 在单片机控制的综合保护系统中，单片机系统属于弱电部分，而互感器、断路器属于强电部分，它们之间的接口直接控制着被控设备的起停，经它引入的干扰更直接、更强烈，因而被控设备成为单片机控制系统的主要干扰源。在设计中，我们通过隔离来从电路上把干扰源和易受干扰部分隔离开来，使控制系统与被控系统仅保持信号联系，但不直接发生电的联系，这样就切断了干扰通道。常用的隔离方式有光电隔离、继电器隔离等， 另外在布线上也应该注意隔离。 光电隔离 单片机系统其它部分与外部信息交换通道均采取光电隔离。光电祸合器的输入阻抗低，而干扰内阻一般很大，按分压比原理传送到光电祸合器输入端的干扰电压就变得很小了，即使电压幅值很高的干扰，由于没有足够的能量，也不能使二极管发光，即抑制了干扰。 布线隔离 将微弱信号电路与易产生噪声污染的电路分开布线，最 基本的做法是强电信号线和弱电信号线分开 ;高频信号线和低频信号线分 开 :交流和直流分开 ;电源线和信号线分开 ;数字信号线和模拟信号线分开。实践证明，布线间 隔越大，离地越近，线越短，噪声越小。 刷电路板抗干扰措施 印刷电路板是器件、信号线、电源线的高密度集合体，所以印刷电路板设计得好坏对抗干扰能力影响很大，具体的抗干扰措施有 : 加粗地线来降低导线电阻，使它能通过三倍于印刷板上的允许电流，此处根据电路板的大小和器件的多少取地线宽度为 布电源线时，根据电流的大小，加粗导线宽度，并使电源线、地线的走向与数据传递的方向一致，能增强系统抗噪声能力。 在选择接地方式时，首先考虑电路的工作频 率。本系统中电路的工作频带相当宽，单片机及其外围系统工作于 12高频，交流电源信号工作于 50工频，另外还有工作于直流和低频的给定、反馈等模拟信号。不同频率的电路对接地方式有不同的要求。在设计低频部分的接地时，主要考虑尽可能减小地线上的电位差，为此采取并联一点接地的方式。 电路中尖峰电流的存在给数字系统带来不良影响，它将在电源内阻上产生压降，在公共传输导线阻抗上产生压降，使供电电压跳动，从而形成一个干扰源。去耦电容，在印制板入口处的电源线与地线之间并接一个 100电容和一个 非电解电容。去耦电容一方面提供和吸收该集成电路开关门瞬间的充放电能量，另一方面旁路掉该器件的高频噪声。 件抗干扰分析 为了提高智能测控系统的可靠性和安全性，除了采取有效的硬件抗干扰措施以外，还要采用软件抗干扰措施。由于软件设计具有灵活性与稳定性，并能节省硬件资源和成本，因此，软件抗干扰设计技术受到了人们的普遍重视。 据抗千扰方法 对于单片机应用系统，其数据输入、输出、存储等部分通常属于弱电系统，如果工作环境中存在千扰，就有可能使数据受干扰而被破坏，从而造成数据误
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