（電力電子與電力傳動專業(yè)論文）礦井低壓供電系統(tǒng)選擇性漏電保護理論及其應用研究.pdf

遼寧工程技術大學碩士學位論文 a b s tr a c t t h es e l e c t i v i t y1 e a k a g ep r o t e c t i v es y s t e mc a ng i v eo u ta l a r m i n gs i g n a l o rc u to f ft h ef a u l tb r a n c h e ss e l e c t i v e l yw h e nt h el e a k a g ef a u l th a p p e n s ， a n dt h en o n f a u l tb r a n c h e sa r ew o r k i n gn o r m a l l y i tc a nr e d u c et h ep o w e r o f f r a n g ea n db ef a c i l i t a t et ol o o kf a rt h ef a u l t ，s h o r t e nt h ed o w e r o f ft i m e ， a n dr a i s et h er e l i a b i l i t yo fp o w e rd i s t r i b u t i o n b a s e do nt h ea c t u a ll e a k a g e p r o t e c t i o ns y s t e mf o ru n d e r g r o u n dl o wv o l r a g e d i s t r i b u t i o nn e t w o r k s ，t h isp a p e ra d v a n c ean e ws c h e m ew h i c h b a s e do n a d d i t i o n a ld cp o w e rs u p p l ya n dd i r e c t i o no fz e r o s e q u e n c ep o w e r ，a n d p i c l 6 f 8 7 7 ai st h ec o r e a n di n t r o d u c et h er e a l i z a t i o no fp r o t e c t i o nd e v i c e b a s e do nt h i sn e ws c h e m e t h i sd e v i c eu s et h ep r i n c i p l eo fa d d i t i o n a ld cp o w e r s u p p l yi nm a i nf e e d i n gs w i t c h ，a n du s et h ep r i n c i p l eo fd i r e c t i o no fz e r o s e q u e n c ep o w e ri nb r a n c hf e e d i n gs w i t c h i tc a ni m p r o v ea c t i o nc a p a b i l i t y o fl e a k a g e p r o t e c t i o nf o rl o wv o l t a g ed i s t r i b u t i o nn e t w o r k s ，c o n s e q u e n t l y i m p r o v es e c u r i t yo fu n d e r g r o u n dw o r k k e yw o r d s ：p i c l 6 f 8 7 7 a ，s e l e c t i v i t y ，l e a k a g e p r o t e c t i o n ，u n d e r g r o u n dl o w v o l t a g ed i s t r i b u t i o nn e t w o r k s ，z e r os e q u e n c ep o w e r ( t h es c i e n c ep r o j e e to fk a i l u a nq i a n j i a y i n gm i n e ) 遼寧工程技術大學碩士學位論文 創(chuàng)新點聲明 本人聲明所呈交的學位論文是我個人在導師指導下進行的研究工 作及取得的研究成果：叢贏健能皇丘扭p - i l 魚曼曼王z _ a 為主塞撞劁望曩 爨訪= f = = 矜蕕型造舞熊通史保萎裝萋 簡熊z 焦巰擐按裝置艘馀熊，一曩 叢煎盞蓑王低匡電網(wǎng)撮魚儡按鮑魚往蛙熊 盡我所知，到目前國內外文獻未見報道。 作者：絲逾逾日期：2 q q 生! 旦g 旦 遼寧工程技術大學碩士學位論文 1 1 緒論 1 1 選題背景 漏電保護是保證煤礦井下安全供電的三大保護1 】( 過流保護、漏電 保護和保護接地) 之一，是防止人身觸電的重要措施。本文是針對開灤 集團錢家營礦業(yè)分公司低壓供電系統(tǒng)的漏電保護而設計的。 我國礦井下的工作環(huán)境比較潮濕，相對濕度往往高達9 5 以上，為 此，對其使用的電氣設備和電纜的絕緣提出較高的要求。盡管如此，運 行中的電氣設備及其供電電纜，由于工作環(huán)境惡劣，漏電現(xiàn)象時有發(fā)生。 因此，裝設漏電保護裝置對礦井安全生產(chǎn)尤為重要【2j 【3 1 。主要體現(xiàn)在： ( 1 ) 防止漏電流引燃瓦斯和煤塵 當空氣中的瓦斯?jié)舛仍? 15 ，氧氣濃度適當，并遇上點火源 時，便會引起爆炸。電纜與其他井下電氣設備相比更易受損。當電纜受 損后，由于絕緣被破壞，便有漏電流。漏電流就有可能成為點火源。由 于瓦斯的可能點燃能量很低，僅為0 2 8 m j 。因此，及時有效的漏電保 護裝置可降低漏電流引燃瓦斯、煤塵的可能性。 ( 2 ) 防止漏電流引爆電氣雷管 漏電流可能會造成電氣雷管的引爆，并造成重大事故。由于一般引 爆電氣雷管的電流( 大于3 0 0 m a ) 大于人身觸電安全電流，因此，滿足人 身觸電無傷亡要求的漏電保護必然能防止漏電流引爆電氣雷管。 ( 3 ) 防止漏電流燒損電氣設備 對于高壓電路，由于電網(wǎng)分布電容大、電壓高、漏電流大。因此， 漏電流的長期存在可燒毀電氣設備。尤其是橡膠電纜，如果單相漏電 故障不及時處理，則其漏電流可能會使電纜的絕緣受損而發(fā)展 成兩相短路，使故障事態(tài)擴大。對低壓電路，由于漏電流小，一般漏電 流不能直接燒毀電氣設備。但是由于漏電流長期存在，電氣設備局部發(fā) 熱使其絕緣局部老化加劇，必將大大縮短電氣設備的壽命，而漏電保護 則使電網(wǎng)不可能長時間地存在漏電流。因此，可有效地防止漏電流燒損 電氣設備。 遼寧工程技術大學碩士學位論文2 1 2 選擇性漏電保護的發(fā)展現(xiàn)狀 漏電保護的主要目的是通過切斷電源的操作來防止人身觸電傷亡 和漏電電流引爆瓦斯煤塵。我國對漏電保護的研究是從煤礦井下低壓電 網(wǎng)的漏電保護開始的，至今已有四十余年的歷史。四十年的實踐證明， 它對我國礦井安全供電發(fā)揮了巨大的作用。它已成為我國礦井安全供電 的不可缺少的組成部分。正因為它在安全供電方面作用重大，因此，漏 電保護已陸續(xù)在各行各業(yè)的供電網(wǎng)中安家落戶。 早在2 0 世紀3 0 年代，英國就在磁力啟動器中裝設了漏電保護裝置， 但這種漏電保護裝置只適用于變壓器中性點直接接地的供電系統(tǒng) 4 】。 由于變壓器中性點直接接地供電系統(tǒng)在供電安全方面顯示出它的一些 弱點，這種供電系統(tǒng)后來在礦井電網(wǎng)中被逐漸淘汰。1 9 4 9 年，前蘇聯(lián) 開始研制中性點不接地供電系統(tǒng)使用的漏電保護裝置( p y b 型防爆漏電 繼電器) ，采用的是附加直流源的原理。同時，西德、波蘭、日本等國 也先后開發(fā)出適合于本國礦井供電系統(tǒng)的漏電保護裝置。 我國在2 0 世紀5 0 年代初，引進了蘇聯(lián)的漏電保護裝置，并在礦井 中推廣應用。同時進行了仿制，形成j y 8 2 型隔爆檢漏繼電器產(chǎn)品，一 直延用到8 0 年代末，甚至有的礦井現(xiàn)在還在使用。隨著煤炭生產(chǎn)機械 化程度的提高，這種產(chǎn)品就逐漸不能適應生產(chǎn)的要求。因此，6 0 年代 我國自行設計和生產(chǎn)了j l 8 0 ，j l 8 2 型隔爆檢漏繼電器。7 0 年代又研制 生產(chǎn)了j j k b 3 0 型隔爆檢漏繼電器，隨著科學技術的發(fā)展和礦井電網(wǎng)電 壓等級的升高，我國自行研制了多種類型的漏電保護裝置。 選擇性的漏電保護是指當電網(wǎng)發(fā)生漏電故障時，能夠有選擇地發(fā)出 故障信號或切斷故障支路電源。選擇性漏電保護系統(tǒng)是漏電保護技術的 發(fā)展趨勢，是防止人身觸電的重要保護措旋。它可以保證只切除漏電故 障線路和設備，非故障部分繼續(xù)工作，減小故障停電范圍，而且便于尋 找漏電故障，縮短漏電停電時間，提高供電的可靠性。選擇性漏電保護 作為一門綜合性學科隨著科學技術的進步在不斷地發(fā)展。 1 3 課題研究意義 我國煤礦井下低壓電網(wǎng)的中性點全部為不接地方式，漏電是井下低 遼寧2 2 程技術太學碩士學位論文 3 壓電網(wǎng)的主要故障形式之一：約占其總故障的7 0 左右，它不但會導致 人身觸電事故，還會形成單相接地，進而發(fā)展成為相問短路，由此引發(fā) 的電弧會造成瓦斯和煤塵爆炸。 漏電保護的原理和裝置的種類較多，但從適用于井下低壓電網(wǎng)的漏 電保護原理來看，目前主要有以下幾種：旁路接地式保護原理、附加直 流源檢測保護原理、零序電壓保護原理、零序電流大小及零序電流方向 保護原理”j 。前三種保護原理為非選擇性漏電保護，供電電網(wǎng)的任何地 方出現(xiàn)漏電故障，保護裝置即動作并切除整個工作面電網(wǎng)，且無法確定 故障支路。后兩種保護原理為選擇性漏電保護，可以判斷出故障支路， 有選擇地將故障支路切除【6 】。但是，隨著礦井規(guī)模的擴大，供電系統(tǒng) 復雜性的提高，對漏電保護提出了更高的要求。 開灤集團錢家營礦業(yè)分公司煤礦井下低壓供電系統(tǒng)中所使用的漏 電保護裝置，多數(shù)采用附加直流電源原理，每個采區(qū)變電所或移動變電 站設一個檢漏裝置，無論電網(wǎng)中何處發(fā)生漏電故障，都能使檢漏裝置動 作，導致整個工作面停電，無選擇性，且不易尋找故障點，嚴重影響礦 井的安全生產(chǎn)。 因此，研究選擇性漏電保護理論與技術出用對礦井安全生產(chǎn)具有重 要意義。 1 4 本文的主要研究內容及工作任務 本論文的研究對象是井下中性點不接地的低壓電網(wǎng)系統(tǒng)，研究重點 主要放在發(fā)生單相漏電故障時。通過對中性點不接地低壓電網(wǎng)的漏電分 析，提出了基于附加直流電源檢測和零序功率方向的漏電保護新判據(jù)。 將選擇性漏電保護理論應用于漏電保護裝置之中。根據(jù)實驗室條件進行 了漏電保護原理的實驗。 本文設計了選擇性漏電保護裝置的硬件電路。采用模塊化設計思 想。分為模擬量輸入輸出模塊、中央處理模塊、開關量輸入輸出模塊、 人機接口模塊、通訊模塊、絕緣監(jiān)視模塊及外部漏電保護模塊。 本裝置軟件部分采用層次化設計方法，是實時多任務管理系統(tǒng)。軟 件的總體結構分為應用層、基礎功能層、管理調度層和硬件驅動層等四 件的總體結構分為應用層、基礎功能層、管理調度層和硬件驅動層等四 遼寧工程技術大學碩士學位論文 1 級。各個功能層之間功能彼此獨立，由統(tǒng)一的調度程序來完成對各個功 能模塊的調度任務，并且當要求改變程序優(yōu)先級時，只需對調度程序進 行部分改動就可以，大大的增強了程序的靈活性。 遼寧工程技術大學碩士學位論文5 2 井下低壓電網(wǎng)的漏“電分析 在電力系統(tǒng)中，當帶電導體對大地的絕緣阻抗降低到一定程度，使 經(jīng)該阻抗流入大地的電流增大到一定程度，我們就說該帶電導體發(fā)生了 漏電故障，或者說該供電系統(tǒng)發(fā)生了漏電故障。 2 1井下低壓供電系統(tǒng)的基本特點 當電網(wǎng)發(fā)生漏電故障時，原來三相對稱的運行狀態(tài)就要發(fā)生變化， 絕大部分情況下其對地的對稱性遭到破壞，因而各相對地電壓不再對 稱，并產(chǎn)生零序電壓和零序電流17 】。運用對稱分量法、節(jié)點電壓法及戴 維南定理等理論，可以對井下低壓6 6 0 v 供電系統(tǒng)發(fā)生漏電時的狀態(tài)進 行深入的定量分析，分析的結果將為設計完善可靠的漏電保護系統(tǒng)提供 理論根據(jù)。同樣的分析方法，也適用于中性點絕緣的低壓3 8 0 v 、1 1 4 0 v 和6 1 0 k v 高壓電網(wǎng)。目前我國煤礦井下廣泛使用的低壓供電系統(tǒng)有 以下特點： 2 1 1 變壓器的運行方式 目前應用較廣泛的煤礦井下低壓電網(wǎng)中性點的接地方式有兩種。中 國、美國、德國等國家采用變壓器中性點絕緣的運行方式，其最大特點 是比較安全，漏電電流小，但對保護裝置的靈敏度要求較高；英國和印 度、澳大利亞等英聯(lián)邦成員國，大都采用變壓器中性點經(jīng)高電阻接地的 運行方式，其特點是漏電電流稍大，不利于安全，但對保護裝置的靈敏 度要求不高，因而保護裝置的可靠性較高。這種接地方式發(fā)生漏電時的 理論分析與結果都與中性點絕緣系統(tǒng)類似。一般工礦企業(yè)的地面電壓， 由于環(huán)境條件較好和要兼顧照明等原因，都采用中性點直接接地的運行 方式。 在中性點直接接地的低壓電網(wǎng)中，人若觸及一相帶電導體，人體將 承受相電壓，此時通過人體的電流由公式i 。= 巧。3r 。決定。取人體電 阻為1 0 0 0q ，對于線電壓為66 0 v 的電網(wǎng)，通過人體的電流為3 8 0 m a ， 遠遠超過安全電流的規(guī)定，所以是非常危險的。 在中性點直接接地的電網(wǎng)中，若發(fā)生單相接地，便形成單相接地短 路，短路電流很大，短路點將產(chǎn)生一個大電弧，如果在井下，就足以引 遼寧工程技術大學碩士學位論文 起瓦斯、煤塵爆炸。 鑒于以上原因，我國煤礦安全規(guī)程第4 0 9 條規(guī)定：井下配電變 壓器不得中性點直接接地，但專供架線電機車交流設備用的專用變壓 器，不受此限；由地面中性點直接接地的變壓器或發(fā)電機不得直接向井 下供電。 2 1 2 井下低壓供電單元 井下低壓電網(wǎng)雖然要使用多臺動力變壓器，而且它們的高壓側必然 是數(shù)臺聯(lián)在一起的，即由一回6 1o k v 電纜給數(shù)臺動力變壓器供電， 但各變壓器的低壓側卻彼此無直接的電聯(lián)系，即采用分裂運行方式。過 去在特定的情況下，有采用兩臺變壓器并聯(lián)運行的，但由于這種運行方 式有短路電流大、保護設置整定困難、電網(wǎng)對地阻抗低以及故障停電范 圍大等缺點，故至今已基本上被淘汰。 整個井下低壓電網(wǎng)由多個相對獨立的供電單元所組成，它們各自是 一個獨立的小供電系統(tǒng)，由一臺動力變壓器和若干低壓饋電開關、起動 器、礦用電纜、電動機等用電設備所組成。在低壓的范圍內，各供電單 元間無任何電聯(lián)系。就漏電保護而言，只要對個供電單元能設置一完 善的漏電保護系統(tǒng)，則整個井下低壓電網(wǎng)的漏電保護都可類此解決。 2 1 3 礦井低壓電網(wǎng)電壓等級 其中6 6 0 v 是現(xiàn)今應用最廣泛最普遍的電壓，無論是炮采、普采、 高檔普采及綜采都在大量使用6 6 0 v 電網(wǎng)供電 8 1 。38 0 v 在6 0 年代以前 是我國井下唯一的動力電壓( 低壓) 級，但隨著7 0 年代以來機械化采 煤的發(fā)展和用電設備單機容量的增大，38 0 v 電網(wǎng)己逐步被6 6 0 v 和 1 1 4 0 v 電網(wǎng)所替換，目前僅在一些地方煤礦和少數(shù)采用炮采工藝的國營 煤礦使用。114 0 v 電網(wǎng)僅用于綜合機械化采煤機組，但全礦井下要實現(xiàn) 統(tǒng)一的低壓1 1 4 0 v 供電還有一定的困難，而且其必要性也尚有爭議。 2 1 4井下低壓供電系統(tǒng)的電氣模型 在組成低壓電網(wǎng)的電纜中，大部分是橡套電纜，僅對長期固定不動 的用電設備，才使用鎧裝電纜。由于電纜對地電容較大，所以在對井下 低壓供電單元的漏電分析中，就不能忽略對地電容這一參數(shù)。電網(wǎng)對地 遼寧工程技術大學碩士學位論文7 電容越大，人身觸電電流也越大。實際上電網(wǎng)的各相對地電容是分布電 容，沿線路全長都存在但在理論分析中為了簡便起見，都是將它們集中 起來，作為集中性電容處理，相當于線路各相對地分別連接了一個相等 的電容。線路各相對地的絕緣電阻也是同樣的方法處理為集中性電阻。 這種處理方法的根據(jù)是：當進入大地后，所有的分布參數(shù)便按相并聯(lián)起 來了，在忽略很小的大地和線路本身的阻抗后，便成為各相的集中性參 數(shù)。一般用c 和，來表示電網(wǎng)每相對地的電容和絕緣電阻，對于6 6 0 v 電網(wǎng)，c 的數(shù)值范圍為0 1pf ，的數(shù)值范圍為6 0 3 0 0 kq 。如圖所 示為錢家營礦井下低壓供電單元電氣模型。 o q a 一低壓開關q c 一磁力起動器 圖2 1 錢家營礦井下低壓供電單元的電氣模型 圖中動力變壓器t 的變比為6 10 k v 0 6 9 k v ，容量約為5 0 5 0 0 k v a ；由低壓總開關1 q a 控制了三個分組開關，其中5 q a 所轄為一 單純放射式，2 q a 、4 q a 所轄為一經(jīng)干線w 11 后的放射式，3 q a 所轄 為一單純干線式。整個供電單元由變壓器t 、低壓饋電開關1 5 q a 、 磁力起動器1 l0 q c 、各段電纜線路以及供電末端的各電動機( 未畫出) 所構成。 2 2井下低壓電網(wǎng)的漏電分析 由于三相電源的中性點不接地，所以不論電網(wǎng)發(fā)生什么類型的漏電 故障，電網(wǎng)的線電壓將不發(fā)生變化，仍是三相對稱的。單相漏電和兩相 遼寧工程技術大學碩士學位論文 漏電均屬于不對稱故障，敵障發(fā)生后，電網(wǎng)各相對地電源就不再對稱， 并且變壓器中性點也要發(fā)生位移，產(chǎn)生對地電壓( 零序電壓) ，如果系 統(tǒng)中有零序回路，則在回路中有零序電流流通【引。 考慮到井下低壓電網(wǎng)與其各項對地的絕緣阻抗可以構成一具有一 個節(jié)點的網(wǎng)絡，放應用節(jié)點電壓法來進行漏電分析較為方便，但這種分 析方法要用到的零序電壓、零序電流及零序阻抗的概念，仍出自對稱分 量法的理論。 針對一個節(jié)點的網(wǎng)絡，節(jié)點電壓法的定義為：聯(lián)到節(jié)點的各支路電 動勢和該支路阻抗之商的相量和，等于該節(jié)點電壓與聯(lián)到該節(jié)點各支路 阻抗并聯(lián)值之商。即 皖。神=舊z。1-(2z 2 一1 ) 以。= 舊z 。卜( 一1 ) 式中一節(jié)點電壓： z 。o 一聯(lián)到節(jié)點的所有支路阻抗并聯(lián)值( 理解為節(jié)點內所有支路) 毒一節(jié)點內各支路的電動勢 z ，一與各e ，同支路的阻抗。 2 2 1 單相漏電分析 井下低壓供電單元發(fā)生單相漏電的情況如圖2 - 2 。 r n 忑i 末v ，2 一 凸 一一 鬲尋聿：v n一 厶 1r 中1 r 1 9 3，9 2 g l礦g iy t ，扯 = 脅u 礦船 nr l l 曲r 3 1 凸 。，l，f 1 y 圖2 - 2 利用節(jié)點電壓法分析單相漏電的電路圖 圖中，動力變壓器t 二次側中性點不接地，胄。，為l 相漏電的過渡 電阻，其變化范圍約為0 1 1kq ，r = r 。= ，。= ，為各相對地絕緣電阻， 遼寧工程技術大學碩士學位論文 9 c ，= 如= 島= c 為各相對地電容。對于漏電回路，變壓器、線路及大地 的阻抗均為歐姆數(shù)量級及以下，遠小于，和容抗j c ，可以忽略。正常 時井下低壓電網(wǎng)的電源中性點與大地7 之間只有三條支路并聯(lián)，并 分別由各相電動勢與各相對地的零序阻抗五，組成，故構成一具有一個 節(jié)點的網(wǎng)絡。發(fā)生單相漏電或兩相漏電時，相當于在漏電相的零序阻抗 上并聯(lián)了過渡電阻斤因而可以直接應用節(jié)點電壓法求出中性點與大 地的電位差，進而根據(jù)邊界條件和回路電壓定律求得其它故障參數(shù) 的表達式。此時的等效電路如圖2 3 所示。 圖2 3 單相漏電的等效電路圖 點為變壓器二次側中性點，n 為大地，設在l l 相發(fā)生單相漏電， 過渡電阻為斤顯然當未發(fā)生單相接地時，電路相當于三相對地接有 阻抗為易，的三相星形對稱負載，根據(jù)公式( 2 - 1 ) 可得y = 0 ，也就 是不產(chǎn)生零序電壓，因此也不會有零序電流，三相對地只有較小的各相 泄漏電流，并在地中達到平衡【1 0 】。 需要說明的是電網(wǎng)每相對地零序阻抗易，的含義。由于井下低壓電 網(wǎng)為中性點絕緣系統(tǒng)，入地的漏電電流0 必須經(jīng)過非故障相的絕緣電 阻n 、，。和對地電容島、g 構成回路，故己。是電網(wǎng)每相對地絕緣電阻 r 和電容容抗x c 并聯(lián)以后的阻抗值( 電纜線路對地感抗很小忽略) 。 即 弘甕器= 麗r - ：， 遼寧工程技術大學碩士學- i i - ? b 文 1 0 式中盈= 1 o , c ，c o = 2 礦= 3 1 4 。 當發(fā)生單相漏電時，相當于在三。相的零序阻抗易，上又并聯(lián)了一個 過渡電阻月因而破壞了原由歷，組成的三相星形負載的對稱性【】。根 據(jù)公式( 2 1 ) ，并令斤。，與歷，的并聯(lián)值為z 。， 故得零序電壓礦“2 礦一礦m 各相零序電流 ：一堡絲：一型五型芻i ! 壘竺 1 f z j v z l 。+ l z 。+ 、 z 。 z 镕v t l + z j a 。v a + z 、= s a v 1 z 。+ 2 z z 鼎+ 裝 孫器 ( 1 + a + 4 2 ) z 矗r p v l i + z 三礦i l z ：+ 3 zz s r ， ：一當蘭! ! z ，。+ 3 r ， j 。：堡 z z s 口2 刊z = ，孚 v t l z 。+ 3 r t r 根據(jù)回路電壓定律得故障相的對地電壓 v i i = v 9 1 + v n w 多s t = 痧n 一聲”w = 多，+ 多”= j 3 ：r 酉, , v t l 同理，非故障相的對地電壓 痧；z = 多n + 聲n = 量! 二三警多z t ( 2 3 ) ( 2 4 ) ( 2 5 ) ( 2 6 ) 、1 礦以+礦 2 口 wl 子算 幢笪： ：一 2 盯 一 、 = 日 加 舯 一 遼寧工程技術大學碩士學住論文 味肼m = 鼉驀竽乩， 電網(wǎng)經(jīng)r 。，入地的漏電電流 o j r 2 萬v g l2 西3 v 酉t l = 一3 i - ( 2 _ 8 ) v 。與各相對地電壓的相量關系如圖2 - 4 所示。 礦舊礦，2 圖2 4 單相漏電時礦。與各相對地電壓的相量關系 2 2 2 兩相漏電分析 等效電路如圖2 5 所示，分別在三、三? 兩相發(fā)生了經(jīng)過渡電阻r 。 同樣破壞了原由三個z ：。上各并聯(lián)了一個電阻尺。同樣破壞了原由三個 互。所組成的三相星形負載的對稱性。 p ， 圖2 5 兩相漏電的等效電路圖 利用節(jié)點電壓法，可以求得兩相漏電各故障參數(shù)的相量表達式如下： 玨一嘴。， 遼寧工程技術大學碩士學位論文 j 。：墜： z 囂 ( 1 十a(chǎn) 2 ) v 1 1 2 z 。+ 3 b 吒= 筆墨以 ( 2 1 0 ) 鯊二! 墮塹墨! “( 2 - 1 2 ) 一r力 2 z 。+ 3 r 。 站= 墜篡籌墊以一( z 朋) 電網(wǎng)經(jīng)r ，入地的各相漏電電流，可據(jù)邊界條件求得 j 艫望：墜塵! i 孥痧( 2 _ 1 4 ) “”百2 1 西丙1 ?！敖锈A j 艫墮：鯊二! 墾鏨堡“( 2 - 15 )“22 百2 瓦萬礦“。 電網(wǎng)的總入地漏電電流 j r = j s - + j s ：= 裟= 主蘭丟= 一s j 。c z - s ， 比較兩種漏電故障的分析結果可知： ( 1 ) 兩種故障下零序電壓與各相對地電壓的相量關系是完全相似的， 如圖2 4 所示。 ( 2 ) 在相同的電網(wǎng)參數(shù)和故障條件( r ，) 下，單相漏電的y 。、，。有 效值大于兩相漏電。 ( 3 ) 在中性點絕緣的電網(wǎng)中發(fā)生單相漏電、兩相漏電等不對稱漏電故 障時，必產(chǎn)生具有一定大小和相位的礦。和，。，而故障處的各相對 地電壓則分別等于各相正常時的相電壓與零序電壓礦。的相量和， 電網(wǎng)線電壓仍保持其對稱性。 ( 4 ) 當兩相漏電過渡電阻r ，一0 時，電網(wǎng)就發(fā)生兩相接地短路，成為 短路加漏電的復合型故障，所以分析過程稍復雜些；當單相漏電 過渡電阻r ，一0 時，由于系統(tǒng)中性點絕緣，雖被稱之為單相接地 短路，卻完全不屬于短路的范圍，這是一種最嚴重的漏電故障。 遼寧工程技術大學項士學位論文 1 3 在實際的井下6 6 0 v 。電網(wǎng)中，即使故障時r ，= 0 ，i g ，也不大于1 a ，故常稱為單相接地在前面分析中得出的公式中，令r ，= o 即可得到單相接地時各參數(shù)的計算公式。 在工程實際中，井下低壓電網(wǎng)發(fā)生兩相漏電的幾率遠不如單相漏電 高，其故障程度( 僅就漏電而言) 也比單相漏電輕。單相漏電故障約占 漏電故障總數(shù)的85 左右，而且有相當一部分( 約3 0 以上) 單相漏電 若不及時切除，將發(fā)展成更嚴重的短路故障，所以單相漏電是井下低壓 電網(wǎng)漏電故障的主流。在下面更進一步的故障參數(shù)變化規(guī)律的分析計算 中，將以單相漏電為研究對象。 2 3單相漏電各故障參數(shù)的變化規(guī)律 主要分析在電網(wǎng)單相漏電的情況下，零序電壓、零序電流、漏電電 流的變化規(guī)律和它們之間的相位關系，兩相漏電的情況可用同樣的方法 研究。 2 3 1單相漏電時零序電壓的變化規(guī)律 在圖，2 - 6 所示的放射式供電系統(tǒng)中，有n 條供電線路，設第i 條支 路的對地電容為c 。；對地絕緣電阻為，正常工作時 12 】，系統(tǒng)處于三相 平衡狀態(tài)，此時系統(tǒng)每相對地阻抗參數(shù)為： 1 ，2 ”。( i ) 。1 c = c t 1 x e = 咖 z o = 1 譬 r j x 。 當線路1 的a 相發(fā)生漏電故障時，將導致系統(tǒng)中性點位移，產(chǎn)生 零序電壓u 。，設漏電電阻為r ，則零序電壓為： 遼寧工程技術大學碩士學位論文 1 4 1 0 n i 。i ，。 i 一+ i c o n t i r o n 一c 止r 。 c 上r 書c 世忍 丁_ tvtv； 一rn 一1 1 j i o n i 。2 。i 、。、 - 三pp 恤引i 。2 n 。 f c 4 n 6e 2 上n 6c 拳占“ i o l = ；，e ，e c y l ， 3 1 0 2 l 乏l o i 一一 一一 ；i + i i r o l n 1 _ 已撼期望吐正孰i 將z 0 代入( 1 ) 式得： 圖2 6 放射式電網(wǎng)參數(shù)分布圖 u o j 矗z + 。z 。u , 4 ( 2 - 1 7 ) 占。：等等蜉“( 2 - 1 8 ) ” ( 3 脅) 2 + ( 3 血。+ r x 。) 2 4 u o 超前u 1 8 0 。一口角度，其中伊值為： 肚刪留高 則 c o s 口= s m 0 = ( 2 1 9 ) ( 2 2 0 ) ( 2 2 1 ) 甲露 遼寧工程技術大學碩士學位論文 砜的模為 釃 則隨參數(shù)r 、k 和r 變化的規(guī)律為： ( 1 ) 當系統(tǒng)對地絕緣電阻不變，即r 和r 為定值時 璣：1 ” 3 月+ ， ( 2 2 2 ) ：1 c o s 0 ( 2 - 2 3 ) 3 月+ r 這是一個直徑為r 吵( 3 r + r ) ，且直徑通過相量u o 的圓的極坐標方 程，對應不同的r 和r 值，圓具有不同的直徑。但所有圓的直徑都通過 相量吭，直徑變化時產(chǎn)生的圓族內切于圓點?？诮请Sk 變化范圍為： 當c = o 時，x c = o o ，0 = 0 。 。 當c = o 。時，x c = 0 ，口= 9 0 。 5 即當c 由0 至0 0 變化時，0 角在0 。至9 0 。之間變化，這說明該圓 為一半圓，如圖2 7 所示。 ( 2 ) 當系統(tǒng)對地電容不變，即c 和r 為定值時 u ：坐 。 3 r 坐s i i l 曰( 2 2 4 ) 3 只 這是一個直徑為x 。璣( 3 r ) ，與相量u 。相切于坐標原點的極坐標方 程，系統(tǒng)具有不同的c 和r 值，圓就具有不同的直徑。該圓族也內切 于坐標原點，0 角隨系統(tǒng)對地絕緣電阻r 變化的范圍為： 當r = 0 時，0 = 0 。 遼寧工程技術大學碩士學位論文1 6 當r ：o 。時，目= a l c t g 三墨 即當c 和r 為定值時，r 在0 。至。區(qū)間變化時，占角在0 。至伽轡呈墨 x 。 區(qū)間變化。這說明u o變化軌跡為部分圓弧，最大角度為口：甜喲塑。 膏。 同時滿足r 和c 變化條件的砜相量的模為兩圓交點至坐標原點的 距離，方向指向坐標原點，見圖2 7 。 圖2 7 砜及各相對地電壓變化相量圖 ub ( 3 ) 系統(tǒng)對地絕緣電阻和對地電容不變，即r 和c 為定值時，兩圓的 直徑d 都隨r 值變化，由式( 7 ) 、( 8 ) 可知，d 隨r 變化的規(guī)律為雙 曲線，如圖2 8 所示。直徑d 和口角隨r 變化規(guī)律為： 當r = 0 時，d 1 = 。，d2 = u a ，0 = 0 。此時兩圓交于縱坐標u a 點， 即uo = u a ，口= 0 。 當r 由零逐漸增大時，d l 和d2 都按雙曲線規(guī)律減小，口角逐漸增 大，uo 0 ，而對非故障支路則總有只 0 ，且故障 支路的尸r 值較非故障支路大得多。從而可以利用式( 2 3 9 ) 準確、可 靠地判斷出故障支路。 遼寧工程技術大學碩士學位論文2 8 3 選擇性漏電保護裝置硬件電路設計 本章首先介紹了選擇性漏電保護的設計方案，根據(jù)設計方案提出了 保護系統(tǒng)的硬件電路原理圖。并詳細介紹了系統(tǒng)硬件的各部分功能的實 現(xiàn)。 3 1 選擇性漏電保護方案設計 本文設計了基于附加直流電源檢測和零序電流方向的礦井低壓電 網(wǎng)選擇性漏電保護裝置，系統(tǒng)由總饋電開關和分支饋電開關聯(lián)合構成， 總開關采用附加直流電源檢測原理，分開關采用零序電流方向檢測原 理。系統(tǒng)既可完成井下低壓電網(wǎng)單相漏電時的橫向選擇性和縱向選擇性 保護功能，又能保證電網(wǎng)對稱漏電時保護動作電阻值的穩(wěn)定性【2 1 1 。 根據(jù)礦井低壓電網(wǎng)情況，選擇性漏電保護系統(tǒng)的組成結構如圖3 1 所示。 礦井安全監(jiān)測系統(tǒng) f fr s 4 8 5 n 飄相菲門 f 關漏電保i | 護裝置l - 。1 。一 f r s 4 8 5 總線 圈3 1 漏電保護系統(tǒng)結構圖 該，系統(tǒng)采用兩級分布式結構，總自動饋電開關處的漏電保護裝置為 主站，其設有兩個r s 4 8 5 通信接口，除與分支饋電開關處的下級漏電 保護裝置通信外，還可通過另一個接口與礦井安全監(jiān)測系統(tǒng)相聯(lián)，便于 地面調度系統(tǒng)實時地了解井下低壓電網(wǎng)的絕緣變化和漏電情況。分支饋 電開關漏電保護裝置通過r s 4 8 5 構成現(xiàn)場總線?？梢話旖? 2 7 個保護 裝置( 實際電網(wǎng)的分支出線數(shù)遠小于這個數(shù)量，一般不大于1 0 ) ；另外， 總自動饋電開關與分支饋電開關間的距離一般不超過1 0 0 m ，故r s 4 8 5 的通信距離完全能滿足要求。 3 2保護系統(tǒng)硬件電路 漏電保護系統(tǒng)的硬件電路主要完成電網(wǎng)絕緣監(jiān)測、零序電流方向判 遼寧工程技術大學碩士學位論文 斷、漏電閉鎖、漏電跳”閘等功能。當電網(wǎng)絕緣電阻低于保護動作值時， 總漏電保護單元向各分支漏電保護單元發(fā)出中斷信號，分支漏電保護單 元接到中斷信號后，立即對本支路的零序電流方向作出判斷。判斷方法 是以移相后的u o 為基準，若i o 與u o 同相位，則判定本支路發(fā)生漏電， 斷路器跳閘，否則，本支路正常運行?？偮╇姳Ｗo單元在發(fā)出中斷信號 l50 m s 后，若漏電現(xiàn)象仍還存在，則判定是分開關拒動或漏電點在總開 關和分開關之間，發(fā)出跳閘信號，實現(xiàn)縱向選擇性漏電保護。 芙】壓 a 顯 電l電r 一 _ 一 l 報 d l 警 路i路j 轉 苫 換 c - a ； 輸l 蓑f 開 盈 關 入l 電電 路路 跳閘 一 圖3 2 總饋電開關漏電保護裝置原理圖 a f d 轉 換 開 關 圖3 3 分支饋電開關漏電保護裝置原理圖 圖3 2 ，圖3 3 分別是總饋電開關和分支饋電開關保護裝置的原理 框圖。本系統(tǒng)c p u 選擇微芯公司生產(chǎn)的p i c l6 f 8 7 7 a 芯片，這款單片機 內含1 0 位的a d 轉換器，外圍電路簡單，轉換精度高22 1 。并且其存儲 器組織體系結構為“哈佛”結構，其程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲區(qū)在物理空 間上完全獨立，讀取指令的總線和存取數(shù)據(jù)的總線也完全分開。由于總 線獨立，讀取指令和存取操作就可以同時進行，可以提高單片機內的數(shù) 據(jù)流量，提高代碼的運行效率。 遼寧工程技術大學碩士學位論文 3 0 總饋電開關保護裝置完成對直流取樣信號u s 、零序電壓u o 的實時 采集，電網(wǎng)正常時，根據(jù)上一章中的公式，：2 蓋血一r 實時顯示電網(wǎng)的 絕緣情況；而分支饋電開關保護裝置則完成所在支路零序電流信號的采 集。 根據(jù)煤礦安全規(guī)程要求，漏電保護動作電阻值有固定要求，如對 6 6 0 v 系統(tǒng)，規(guī)程要求動作電阻值為11 kq ，對11 4 0 v 系統(tǒng)則為2 2 kq 。 因此當電網(wǎng)絕緣電阻降到動作值后，總饋電開關保護裝置立即將u o 的 u o i 和u o r 值發(fā)送給各個分支饋電開關保護裝置，各分支饋電開關保護 裝置則根據(jù)式e = i o ，u o 。- i o 。u 。，判斷出故障支路，并據(jù)此發(fā)出起動或閉鎖 出口繼電器的動作信號。 當然，若參照變電站自動化系統(tǒng)中常用的集中選線方法，即當電網(wǎng) 發(fā)生漏電故障時，各分支饋電開關保護裝置立即將零序電流值上傳給總 饋電開關保護裝置，再由分支饋電開關保護裝置進行集中選線，并可采 用群體比幅、比相的方法判斷出故障支路。但這將增加總饋電開關漏電 保護裝置的計算負擔，不利于快速保護的實現(xiàn)。另外，根據(jù)算法模型式 ( 2 3 9 ) 己完全能滿足選擇性的要求 2 3 】。 該漏電保護系統(tǒng)的動作過程如下：對于圖2 1 0 所示的電網(wǎng)，當k 1 點發(fā)生漏電故障時，總饋電開關保護裝置接收到各分支饋電開關保護裝 置的閉鎖信號后，總饋電開關保護裝置無延時地動作于跳閘；當分支出 線的任一處發(fā)生漏電故障時( 如k 2 或k 3 點) ，則各分支饋電開關保護裝 置根據(jù)式e = i o ，u o 。一l o r u 。，確定出故障支路后，無延時地動作于跳閘，同 時向總饋電開關保護裝置發(fā)出故障信息；總饋電開關保護裝置收到故障 信息后閉鎖其出口信號，若經(jīng)過預定的延時后( 2 0 0 m s ) ，尚未收到分支 饋電開關保護裝置的動作信號，則其無選擇地動作于跳閘，從而起后備 保護作用。 由此可見，該選擇性漏電保護系統(tǒng)中的各級保護裝置皆為瞬動型， 可以實現(xiàn)無級差的漏電保護，使漏電保護系統(tǒng)的縱向選擇性更合理、更 完善。 遼寧工程技術大學碩士學位論文3 l 另外，傳統(tǒng)分支一饋電開關處的選擇性漏電保護裝置如要加設零序電 壓取樣電路，既復雜又影響開關安全性能；為了保證動作電阻值，還需 采用復雜的附加直流信號取樣環(huán)節(jié) 2 4 l 。本文設計的選擇性漏電保護系 統(tǒng)，零序電壓的取樣和動作電阻值的保證皆由總饋電開關保護裝置通過 通信線路來完成，大大簡化了保護系統(tǒng)，提高了可靠性。 3 3 保護系統(tǒng)總體設計 選擇性漏電保護系統(tǒng)的硬件結構是根據(jù)以上對保護的要求而設計 的，其原理框圖如圖3 4 所示。整個系統(tǒng)由以下幾部分構成： f 簍! 卜 單元j 7 i 觜卜 p 工c 1 6 f 8 7 7 a f 入輸出j 7 慝垂一 電路i r 圖3 4 保護系統(tǒng)硬件框圖 ( t ) c p u 控制單元：用于實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、計算、邏輯判斷、定時等功能。 ( 2 ) 模擬量輸入、輸出單元：用于采集計算電網(wǎng)a 、b 、c 三相電壓，a 、 c 兩相電流及零序電壓。 ( 3 ) 人機接1 ：3 單元：用于定值的輸入，操作方式的確定，電網(wǎng)工作參數(shù)、 工作狀態(tài)、故障類型的顯示。 ( 4 ) 開關量輸入、輸出單元：開關量輸入單元取自相應設備的輔助常開 接點，用于識別現(xiàn)場開關的狀態(tài)。需要輸入的開關量有：真空斷路器 的合閘、分閘情況，開關量輸出單元包括用于控制真空斷路器的開關 量和保護發(fā)生故障時的報警信號。 f 5 ) 絕緣監(jiān)視保護單元：采用附加直流電源檢測原理，被測信號經(jīng)壓頻 轉換完成對雙屏蔽電纜屏蔽線及接地線之間斷路或短路故障保護。 ( 6 ) 通訊單元。實現(xiàn)遠方信號傳輸或信息參數(shù)的共享。 ( 7 ) 電源部分：將2 2 0 va c 電源變?yōu)橄到y(tǒng)所需的5v ，士1 2 v ，2 4 v 直 遼寧工程技術大學碩士學位論文3 2 流電源。 3 3 1中央處理單元 微機控制單元是測控系統(tǒng)的核心部分，它承擔著數(shù)據(jù)采集、計算、 邏輯判斷、定時、存儲等工作。它主要包括：中央處理單元( c p u ) 、晶 振電路、復位電路等。 3 3 1 1 微處理器的選擇 在單片機應用系統(tǒng)的設計中，首先要考慮的就是c p u 的選擇。目 前市場上的單片機機型多種多樣，各有特點，由于保護系統(tǒng)必須在系統(tǒng) 出現(xiàn)故障時及時判斷出故障點并能及時切斷故障電流【2 5 】；系統(tǒng)正常工 作時，必須有能力處理大量的實時動態(tài)數(shù)據(jù)，因此單元對硬件的實時性、 快速性、準確性和多功能性要求很高，硬件設計時選用了實時性和快速 性都比較好的p i c l6 f 8 7 7 a 作為中央微處理器。 “p i c ”是美國微芯公司所生產(chǎn)的單片機，它的硬件系統(tǒng)設計簡潔， 指令系統(tǒng)設計精煉，它具有以下一些優(yōu)越之處： ( 1 ) 數(shù)據(jù)總線和指令總線分離的哈佛總線結構。 ( 2 ) 只有35 條指令的精簡指令集，而m c s 5l 單片機的指令系統(tǒng)共有 1 11 條指令。 ( 3 ) p i c 系列單片機只有4 種尋址方式，而m c s - 51 單片機則為7 種 尋址方6 8 h c 0 5 單片機為6 種。 ( 4 ) 代碼壓縮率高1 k 字節(jié)的存儲器空間，對于像m c s 5 1 這樣的單 片機，大約只能存放6 0 0 條指令，而對于p i c 系列的單片機能夠存放的 指令數(shù)可達1 0 2 4 條。 ( 5 ) 驅動能力強。i t o 端口驅動負載能力較強，能夠直接驅動發(fā)光二極 管l e d 、光電耦合器或者微型繼電器等。 ( 6 ) p i c 系列單片機的程序、堆棧、數(shù)據(jù)三者各自采用互相獨立的尋 址( 或地址編碼) 空間，尋址空間設計簡潔。 ( 7 ) p i c 系列單片機內集成了上電復位電路、i o 引角上拉電路、看門 狗定時器等，可以最大程度地減少或免用外接器件。 ( 8 ) 開發(fā)方便。對于p i c 系列中的任一款單片機的開發(fā)，都可以借助 遼寧工程技術大學碩士學位論文 3 3 于一套免費軟件綜合開發(fā)環(huán)境，實現(xiàn)程序編寫和模擬仿真，在用任意一 種廉價的燒寫器完成程序的固化燒寫，便形成一套最經(jīng)濟實用的開發(fā)系 統(tǒng)。 鑒于以上優(yōu)點，本文選用p i c l 6 f 8 7 7 a 作為系統(tǒng)的控制器。 3 3 1 2 復位電路設計 p i c l 6 f 8 7 7 a 的復位可以歸納成四類：人工復位、上電復位、看門 狗復位、欠壓復位。 以下是兩種常用的外接復位電路如圖3 5 所示： 圖3 5 ( a ) 接v d d( b ) 接按鈕 下圖為本設計所采用的復位電路原理圖，如圖3 - 6 所示： s 1 圖3 6 復位電路原理圖 如圖所示，復位電路由電阻r 1 、r 2 及復位按鈕組成。其作用：( 1 ) 上電復位功能。當復位按鈕未被按下情況下，給單片機加電，當v c c 上升到規(guī)定值1 6 1 8 v 時，就會產(chǎn)生一個復位信號，需經(jīng)7 2 m s + 1 0 2 4 個時鐘周期的延時，才會使單片機復位。此時電阻r e s e t i 對于引腳內 部電路起到保護作用。( 2 ) 人工復位功能。無論是單片機在預定的正常 順序運行程序，還是出現(xiàn)單片機進入不可預知的某一個死循環(huán)( 形成死 機現(xiàn)象) ，都得認為單片機在執(zhí)行程序。單片機在執(zhí)行程序期間，只要 在人工復位端加入一個低電平信號，就會令其復位。當按鈕按下時，在 復位端就會產(chǎn)生一個低電平的復位信號。 單片機復位端在強烈的干擾下會出現(xiàn)尖蜂電壓干擾，雖然不會造成 遼寧工程技術大學碩士學位論文 復位干擾，但可能會部分改變寄存器的狀態(tài)，因此在復位端配以0 1 , u f 的電容。 3 3 1 3 晶振電路的設計 時鐘系統(tǒng)是維持系統(tǒng)正常運轉的一種必不可少的關鍵器件。作為時 基發(fā)生器的時鐘振蕩電路，為整個單片機芯片內部各個部分電路的工作 提供系統(tǒng)時鐘信號，也為單片機與其他外接芯片之間的通信以及與其他 數(shù)字系統(tǒng)或者計算機系統(tǒng)之間通信，提供可靠的同步時鐘信號。 p i c 單片機設計了4 種類型的時基振蕩方式可供選擇： ( 1 ) 標準的晶體振蕩器陶瓷諧振器振蕩方式x t ； ( 2 ) 高頻的晶體振蕩器陶瓷諧振器振蕩方式h s ( 4 m h z ) 以上； ( 3 ) 低頻的晶體振蕩器n 瓷諧振器振蕩方式l p ( 3 2 7 6 8 k h z ) ； ( 4 ) 外接電容元件的阻容振蕩方式r c 。 下圖3 7 給出了最常用的x t 模式和r c 模式兩種振蕩器所需的外 接電路。其中r c 振蕩器需外接一條阻容支路，來構成一個自激多諧振 蕩器。如圖3 7 ( a ) 所示。當電阻r 和電容c 分別取值4 7 k q 和2 2 p f 時， 振蕩器頻率約為4 m h z 。x t 模式振蕩器需要外接一個石英晶體和兩個 電容，共同構成的一個自激多諧振蕩器，如圖3 7 ( b ) 所示，其工作頻率 取決于晶體的固有頻率。當石英晶體為4 m h z 時，電容c 1 和c 2 均選 為15 p f 。本設計采用的就是標準的x t 模式。其電路原理圖如圖3 8 所 刁i 。 圖3 - 7 ( a ) 接r c( b ) 接晶體 陶瓷諧振器與晶體振蕩器相比更具魯棒性f 即能夠耐受更強的物理 振動) ，其不足之處是其精確性較晶體振蕩器差，一般精確度是o 5 ，而 晶體振蕩器的精確度是0 0 2 到0 1 。 同時考慮到通信時的波特率的設置和相對誤差值，所以在本設計中 遼寧工程技術大學碩士學位論文 選用能產(chǎn)生較精確盱鐘的晶體振蕩器( c 4 m h z ) 。 r 、 1 l 。 船土擴7 蒜糊 【已與 亍l一7萄內豁嘴 - t r r a l fj 圖3 8 晶振電路原理圖 3 3 2 模擬量輸入單元 模擬量輸入對于選擇性漏電保護系統(tǒng)來說是非常重要的，系統(tǒng)正確 采集電網(wǎng)的物理參量，通過運算來判斷電網(wǎng)目前的運行狀況，以發(fā)出正 確的控制信息。本設計中需要監(jiān)測的模擬量信號有：電壓、電流、漏電。 模擬量輸入原理如圖3 9 所示。 圖3 9 模擬量輸入原理框圖 3 3 2 1 低通濾波器 電力系統(tǒng)在故障的暫態(tài)期間，電壓