煤礦井下6kv 高壓防爆開(kāi)關(guān)綜合保護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘要隨著采煤自動(dòng)化技術(shù)的發(fā)展和井下高壓供電距離的增加，對(duì)礦井供電的可靠性和安全性提出了越來(lái)越高的要求。我國(guó)煤礦井下高壓電網(wǎng)以6KV供電為主，6KV高壓防爆開(kāi)關(guān)綜合保護(hù)系統(tǒng)對(duì)礦井供電系統(tǒng)至關(guān)重要。本文根據(jù)煤礦井下高壓電網(wǎng)的實(shí)際情況，從理論上分析了井下高壓電網(wǎng)常見(jiàn)的故障電氣特征，并設(shè)計(jì)出針對(duì)性地保護(hù)方案。主要采用了煤礦井下高壓電網(wǎng)微機(jī)選擇性速斷短路保護(hù)方案；“啟動(dòng)于零序電壓及其突變量，選擇性動(dòng)作于零序電流五次諧波比幅比相”的選擇性漏電保護(hù)方案；欠電壓保護(hù)增加了延時(shí)的功能。本文以高性能單片機(jī)INTEL80296SA為中央控制單元，以模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片MAX125為采樣電路，采用大規(guī)模集成電路實(shí)現(xiàn)了保護(hù)系統(tǒng)硬件電路的設(shè)計(jì)。使用匯編語(yǔ)言完成了軟件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，介紹了設(shè)計(jì)過(guò)程中采取的硬件、軟件抗干擾措施。關(guān)鍵詞煤礦井下；單片機(jī)控制；6KV；防爆開(kāi)關(guān)；綜合保護(hù)系統(tǒng)ABSTRACTWITHTHEINCREASEOFMININGAUTOMATIONTECHNOLOGYANDDISTANCEUNDERGROUNDHIGHVOLTAGEPOWERSUPPLY,MINESUPPLYRELIABILITYANDSECURITYOFTHEINCREASINGLYHIGHDEMANDCHINASCOALMINEUNDERGROUNDHIGHVOLTAGEPOWERGRIDTOTHEMAINPOWERSUPPLY6KV,6KVHIGHVOLTAGEPROOFSWITCHPROTECTIONSYSTEMISESSENTIALFORMINEPOWERSUPPLYSYSTEMBASEDONTHEACTUALSITUATIONOFCOALMINEHIGHVOLTAGEPOWERGRID,THEORETICALLYANALYZEDCOMMONFAULTHIGHVOLTAGEELECTRICALCHARACTERISTICS,ANDDESIGNTARGETEDPROTECTIONPROGRAMSMAINLYTHECOALMINEHIGHVOLTAGEPOWERGRIDCOMPUTERSELECTIVITYBREAKINGSHORTCIRCUITPROTECTIONPROGRAMS“STARTINGINTHEAMOUNTOFZEROSEQUENCEVOLTAGEANDMUTATION,SELECTIVEACTIONTHANTHEZEROPHASESEQUENCECURRENTRATIOOFTHEFIFTHHARMONICAMPLITUDE“OFSELECTIVELEAKAGEPROTECTIONPROGRAMSUNDERVOLTAGEPROTECTIONINCREASESTHETIMEDELAYFUNCTIONINTHISPAPER,AHIGHPERFORMANCESINGLECHIPINTEL80296SACENTRALCONTROLUNITFORANALOGTODIGITALCONVERTERCHIPMAX125SAMPLINGCIRCUITS,LARGESCALEINTEGRATEDCIRCUITDESIGNTOACHIEVETHEPROTECTIONSYSTEMHARDWARECIRCUITUSEASSEMBLYLANGUAGETOCOMPLETETHEDESIGNOFSOFTWARESYSTEMS,ITINTRODUCESTHEDESIGNPROCESSTOTAKETHEHARDWARE,SOFTWARE,ANTIJAMMINGMEASURESKEYWORDSCOALMINESCMCONTROL6KVEXPLOSIONPROOFSWITCHINTEGRATEDPROTECTIONSYSTEM目錄1緒論111設(shè)計(jì)的背景和意義112井下高壓防爆開(kāi)關(guān)綜合保護(hù)系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢(shì)113井下高壓防爆開(kāi)關(guān)微機(jī)綜合保護(hù)系統(tǒng)的必要性和基本要求2131采用微機(jī)保護(hù)的必要性2132采用微機(jī)保護(hù)的基本要求214本設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容32井下高壓電網(wǎng)故障分析421概述422井下高壓電網(wǎng)短路故障分析423井下高壓電網(wǎng)漏電故障分析5231漏電故障暫態(tài)特征5232漏電故障穩(wěn)態(tài)特征524過(guò)載故障分析825欠電壓故障分析826絕緣監(jiān)視故障分析83井下高壓防爆開(kāi)關(guān)綜合保護(hù)系統(tǒng)的保護(hù)方案設(shè)計(jì)1031短路保護(hù)10311短路保護(hù)原理10312選擇性短路保護(hù)系統(tǒng)方案11313短路保護(hù)的方案設(shè)置1432漏電保護(hù)14321諧波方向型選擇性漏電保護(hù)原理14322礦井高壓電網(wǎng)漏電保護(hù)啟動(dòng)零序電壓的選擇15323諧波方向型礦井高壓電網(wǎng)選擇性漏電保護(hù)方案1733過(guò)負(fù)荷（過(guò)載）保護(hù)1734欠電壓保護(hù)18341欠電壓保護(hù)增加延時(shí)的作用18342欠電壓保護(hù)延時(shí)與瞬時(shí)的選擇18343動(dòng)作時(shí)間18344欠電壓保護(hù)方案1935絕緣監(jiān)視保護(hù)194綜合保護(hù)系統(tǒng)的總體規(guī)劃與硬件電路設(shè)計(jì)2141CPU主系統(tǒng)2241180296SA單片機(jī)介紹22412外圍擴(kuò)展電路2342模擬量交流采樣單元25421電壓形成回路26422數(shù)據(jù)采樣電路2643選擇性漏電保護(hù)單元28431保護(hù)方案工作原理29432硬件系統(tǒng)涉及的主要電路介紹3044開(kāi)關(guān)量輸入、輸出單元34441開(kāi)關(guān)量輸入單元34442開(kāi)關(guān)量輸出單元（跳閘電路）3545通信接口電路365綜合保護(hù)系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)3851軟件設(shè)計(jì)38511系統(tǒng)的主程序38512采樣中斷程序設(shè)計(jì)39513過(guò)流故障處理程序設(shè)計(jì)41514漏電保護(hù)程序流程圖43515欠電壓保護(hù)456系統(tǒng)抗干擾設(shè)計(jì)4761干擾的來(lái)源和分析4762硬件方面的抗干擾措施47621濾波、退耦與旁路48622屏蔽與隔離48623對(duì)供電電源的要求4863軟件抗干擾措施48631輸入輸出量的抗干擾49632軟件攔截設(shè)計(jì)49結(jié)論50致謝51參考文獻(xiàn)52附錄A53附錄B571緒論11設(shè)計(jì)的背景和意義隨著采煤自動(dòng)化技術(shù)的發(fā)展和井下高壓供電距離的增加，對(duì)礦井供電的可靠性和安全性提出了越來(lái)越高的要求。據(jù)相關(guān)資料統(tǒng)計(jì)，井下供電網(wǎng)絡(luò)的故障引起了大部分的煤礦事故。我國(guó)煤礦井下高壓電網(wǎng)以6KV供電為主，井下6KV供電關(guān)系到煤礦生產(chǎn)和安全，要求高壓防爆開(kāi)關(guān)綜合保護(hù)系統(tǒng)必須具備高可靠性和高性能性。井下由采區(qū)變電所、移動(dòng)變電站或配電點(diǎn)引出的饋電線上，應(yīng)裝設(shè)短路、過(guò)負(fù)荷和漏電裝置。由于煤礦井下工作環(huán)境惡劣，負(fù)荷波動(dòng)大，工況很不穩(wěn)定，瓦斯煤塵積聚，滴水冒頂事故等會(huì)使電氣設(shè)備絕緣強(qiáng)度逐漸降低，同時(shí)由于操作人員維護(hù)不當(dāng)或操作錯(cuò)誤、電纜線路的破損等原因，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)短路與單相接地故障。接地故障若不及時(shí)排除，電網(wǎng)各相線會(huì)運(yùn)行在線電壓下，長(zhǎng)期運(yùn)行將導(dǎo)致絕緣擊穿，甚至引發(fā)三相或兩相短路事故。傳統(tǒng)的短路保護(hù)方法，不能構(gòu)成有效的縱向選擇性速斷短路保護(hù)系統(tǒng)，發(fā)生短路故障常導(dǎo)致越級(jí)跳閘，有的甚至越多級(jí)引起地面610KV下井電纜開(kāi)關(guān)跳閘，造成井下大面積長(zhǎng)時(shí)間停電。這是井下供電存在的重大安全隱患與技術(shù)難題。為了避免事故的發(fā)生，保障人身安全，有效減小事故范圍，設(shè)計(jì)高性能的煤礦井下高壓防爆開(kāi)關(guān)微機(jī)綜合保護(hù)系統(tǒng)具有重要的現(xiàn)實(shí)意義和較高的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。本文設(shè)計(jì)的煤礦井下單片機(jī)控制的6KV防爆開(kāi)關(guān)綜合保護(hù)系統(tǒng)對(duì)于井下高壓電網(wǎng)的短路、過(guò)載、漏電、欠電壓等故障都能起到較好的保護(hù)作用，對(duì)提高整個(gè)煤礦井下高壓電網(wǎng)的可靠性和安全性有重要意義。12井下高壓防爆開(kāi)關(guān)綜合保護(hù)系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢(shì)在高壓開(kāi)關(guān)綜合保護(hù)裝置領(lǐng)域，外資產(chǎn)品有很強(qiáng)的競(jìng)爭(zhēng)力，以ABB、西門(mén)子為代表的外資企業(yè)，其產(chǎn)品保護(hù)可靠性和選擇性方面的確呈現(xiàn)出許多優(yōu)勢(shì)。如德國(guó)SIEMENS公司生產(chǎn)的綜合繼電保護(hù)裝置SIPROTEC系列是一種集保護(hù)、控制、監(jiān)視、測(cè)量、故障錄波和通信于一體的智能前端設(shè)備。它提供了大屏幕顯示，全中文操作界面，其保護(hù)功能以多段過(guò)流保護(hù)和方向過(guò)流保護(hù)為主，同時(shí)提供電壓、頻率等保護(hù)功能。保持系統(tǒng)通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)總線通信實(shí)時(shí)監(jiān)控和保護(hù)，完成各種操作、控制、修改定值等命令，主要用輻射狀配電系統(tǒng)線路、電機(jī)保護(hù)、變壓器和發(fā)電機(jī)差動(dòng)與電機(jī)保護(hù)。不但能用于地面的供電系統(tǒng)，而且能運(yùn)用于礦井供電系統(tǒng)進(jìn)行綜合保護(hù)系統(tǒng)監(jiān)控。據(jù)調(diào)查，國(guó)內(nèi)各地有很多企業(yè)生產(chǎn)高壓隔爆開(kāi)關(guān)裝置和綜合保護(hù)系統(tǒng)，溫州、濟(jì)源、南京等地企業(yè)較集中，個(gè)別區(qū)域已成產(chǎn)業(yè)基地，但目前我國(guó)生產(chǎn)的產(chǎn)品整體可靠性不高，有些保護(hù)電器根本起不到預(yù)期的保護(hù)，有些綜合保護(hù)系統(tǒng)出現(xiàn)傳輸延時(shí)、死機(jī)等問(wèn)題，均存在不同程度的誤動(dòng)作情況，導(dǎo)致生產(chǎn)事故頻發(fā)，不但影響生產(chǎn)而且給一線礦工帶來(lái)很大的安全隱患。隨著國(guó)家調(diào)整及企業(yè)之間的競(jìng)爭(zhēng)，國(guó)內(nèi)也有一些企業(yè)的產(chǎn)品質(zhì)量有了快速的提升，并逐漸替代進(jìn)口產(chǎn)品應(yīng)用于現(xiàn)場(chǎng)。但在礦井高壓開(kāi)關(guān)綜合保護(hù)系統(tǒng)方面，目前還沒(méi)有針對(duì)性的方案和產(chǎn)品，尤其井下需要根據(jù)特殊環(huán)境設(shè)計(jì)更加可靠的產(chǎn)品。隨著煤礦信息化水平的不斷提高，高壓開(kāi)關(guān)綜合保護(hù)系統(tǒng)與礦井自動(dòng)化系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)的要求勢(shì)在必行，高壓開(kāi)關(guān)綜合保護(hù)系統(tǒng)正在進(jìn)行數(shù)字化技術(shù)的提升。13井下高壓防爆開(kāi)關(guān)微機(jī)綜合保護(hù)系統(tǒng)的必要性和基本要求131采用微機(jī)保護(hù)的必要性現(xiàn)投入使用的高、中壓等級(jí)繼電保護(hù)設(shè)備幾乎均為微機(jī)保護(hù)產(chǎn)品，繼電保護(hù)領(lǐng)域的研究部門(mén)和制造廠家完全轉(zhuǎn)向微機(jī)保護(hù)的研究和制造，微機(jī)繼電保護(hù)成為了繼電保護(hù)發(fā)展的趨勢(shì)，這是由于微機(jī)保護(hù)顯示出優(yōu)于傳統(tǒng)繼電保護(hù)的特點(diǎn)。微機(jī)保護(hù)裝置優(yōu)點(diǎn)體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面1維護(hù)調(diào)試方便2可靠性容易提高3可以方便的擴(kuò)充其他輔助功能4靈活性大5改善和提高保護(hù)的動(dòng)作特性和性能6可以進(jìn)行遠(yuǎn)方監(jiān)控。132采用微機(jī)保護(hù)的基本要求同傳統(tǒng)的保護(hù)系統(tǒng)一樣，高壓配電裝置微機(jī)保護(hù)的基本要求是應(yīng)具有選擇性、快速性、靈敏性和可靠性。1選擇性故障時(shí)只切除故障部分的保護(hù)特性稱(chēng)為保護(hù)動(dòng)作的選擇性。當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)，首先由故障設(shè)備或線路本身的保護(hù)切除故障，當(dāng)該保護(hù)或斷路器拒動(dòng)時(shí)，才允許由相鄰設(shè)備、線路的保護(hù)切除故障。2速動(dòng)性保護(hù)的速動(dòng)性是指保護(hù)裝置應(yīng)能盡快的切除短路故障，其目的是提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，減輕故障設(shè)備和線路的損壞程度，縮小故障波及范圍，提高自動(dòng)重合閘和備用電源或備用設(shè)備自動(dòng)投入的效果等。3靈敏性保護(hù)的靈敏性是指在設(shè)備或線路的保護(hù)范圍內(nèi)發(fā)生故障時(shí)，保護(hù)裝置具有的正確動(dòng)作能力的裕度，即靈敏度。微機(jī)保護(hù)易于實(shí)現(xiàn)一些較為先進(jìn)的保護(hù)原理和方法，可以有效的提高保護(hù)系統(tǒng)在最不利條件下的不拒動(dòng)程度。4可靠性保護(hù)的可靠性是指在給定條件下的給定時(shí)間間隔內(nèi)，保護(hù)能完成所需功能的概率。保護(hù)所需功能是當(dāng)需要?jiǎng)幼鲿r(shí)便動(dòng)作、當(dāng)不需要?jiǎng)幼鲿r(shí)便不動(dòng)作。對(duì)于保護(hù)系統(tǒng)的可靠性要求在于既能在被保護(hù)對(duì)象突然發(fā)生故障時(shí)一定動(dòng)作（不拒動(dòng)），又能在其它狀態(tài)下不誤動(dòng)。14本設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容1分析井下高壓電網(wǎng)短路故障的特有特征，分析兩種中性點(diǎn)接地方式的礦井高壓電網(wǎng)漏電故障暫態(tài)與穩(wěn)態(tài)特征，以及對(duì)漏電保護(hù)方案有重要意義的零序電壓的變化規(guī)律。2針對(duì)各種故障特征，設(shè)計(jì)出針對(duì)性地保護(hù)方案，包括煤礦井下高壓電網(wǎng)微機(jī)選擇性速斷短路保護(hù)方案；“啟動(dòng)于零序電壓及其突變量，選擇性動(dòng)作于零序電流五次諧波比幅比相”選擇性漏電保護(hù)的方案；反時(shí)限的過(guò)載保護(hù)方案，基于附加直流檢測(cè)的礦井高壓電網(wǎng)電纜絕緣在線檢測(cè)保護(hù)方案，欠電壓保護(hù)增加了延時(shí)的功能等。完成井下6KV防爆開(kāi)關(guān)綜合保護(hù)系統(tǒng)的保護(hù)方案的設(shè)計(jì)。3根據(jù)綜合保護(hù)系統(tǒng)的功能要求，選定單片機(jī)的型號(hào)，設(shè)計(jì)綜合保護(hù)系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)，完成保護(hù)系統(tǒng)的硬件與軟件設(shè)計(jì)。4保護(hù)裝置的工作現(xiàn)場(chǎng)存在著強(qiáng)電磁干擾，因此，要完成提高系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性和抗干擾性能的設(shè)計(jì)。2井下高壓電網(wǎng)故障分析21概述由于井下生產(chǎn)工作條件特殊，環(huán)境惡劣，特別是井下散熱條件差，空氣潮濕，空間狹窄，并且工作面上的電纜及電氣設(shè)備易受砸損等因素，因而易發(fā)生多種故障。具體地講，礦井電網(wǎng)及用電設(shè)備有短路、過(guò)、欠壓以及超過(guò)容許時(shí)間的過(guò)負(fù)荷等故障。井下電網(wǎng)的各類(lèi)主要故障特征闡述如下漏電故障漏電故障在井下電網(wǎng)故障中占有60以上的比例，并且容易引發(fā)各類(lèi)事故和更為嚴(yán)重的故障，因此其保護(hù)尤為重要。短路故障兩相短路，三相短路。三相短路電流較大，產(chǎn)生過(guò)電流燒壞電動(dòng)機(jī)和線路；兩相短路造成三相電流的不對(duì)稱(chēng)，根據(jù)對(duì)稱(chēng)分量法，電網(wǎng)中將會(huì)出現(xiàn)負(fù)序及零序分量。負(fù)序電流使電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生反向制動(dòng)力矩，零序分量增加了損耗，也會(huì)加劇電動(dòng)機(jī)的振動(dòng)。短路故障不但損壞用電設(shè)備與線路，而且短路電弧可能導(dǎo)致瓦斯煤塵爆炸。過(guò)負(fù)荷在一定程度上是允許過(guò)負(fù)荷的，關(guān)鍵在于確定符合實(shí)際的保護(hù)特性。也就是說(shuō)要在電網(wǎng)承受能力和保證生產(chǎn)連續(xù)性兩方面做出權(quán)衡。22井下高壓電網(wǎng)短路故障分析當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生突然短路時(shí)，系統(tǒng)經(jīng)過(guò)一個(gè)暫態(tài)過(guò)程再進(jìn)入短路穩(wěn)定狀態(tài)。電流由正常值突然增大，經(jīng)暫態(tài)過(guò)程達(dá)到新的穩(wěn)態(tài)。三相短路的電流波形如圖21所示。圖21三相短路電流波形FIG21THESHORTCIRCUITCURRENTWAVESHAPE圖中為母線電壓，對(duì)于無(wú)限大電源容量系統(tǒng)，母線電壓維持不變；表示短路前的UI負(fù)荷電流，滯后的相位為；在0（此時(shí)0）時(shí)發(fā)生三相短路，所產(chǎn)生的和用UUZIF虛線表示，兩曲線在直角坐標(biāo)系上相加，就得到短路全電流的波形。大約經(jīng)過(guò)02S，非DI周期分量衰減到零，此后穩(wěn)態(tài)短路電流就等于周期分量。IZ三相短路屬于對(duì)稱(chēng)性故障，三相電流在故障后仍然對(duì)稱(chēng)，系統(tǒng)中只存在幅值增大的正序電流分量。發(fā)生短路時(shí)，由于系統(tǒng)中總阻抗大大減小，因而短路電流可能達(dá)到很大的數(shù)值。當(dāng)電網(wǎng)中發(fā)生兩相短路時(shí)，系統(tǒng)中不但存在正序分量，還存在負(fù)序分量1Z，但零序分量為零。并且兩相故障分量電流大小相等，方向相反。強(qiáng)大的短路電流所2Z產(chǎn)生的熱和電動(dòng)力效應(yīng)會(huì)造成嚴(yán)重的后果，因此，必須立即切除。23井下高壓電網(wǎng)漏電故障分析煤礦安全規(guī)程規(guī)定，煤礦井下高壓電網(wǎng)必須采用中性點(diǎn)不直接接地方式。本節(jié)主要分析比較井下電網(wǎng)的兩種接地方式的漏電故障特征，為尋求一種合理有效的選擇性漏電保護(hù)方案提供理論基礎(chǔ)。231漏電故障暫態(tài)特征根據(jù)已有的研究結(jié)果，礦井高壓電網(wǎng)漏電故障的暫態(tài)過(guò)程有如下特征1單相接地電流暫態(tài)有效值比穩(wěn)態(tài)有效值大，瞬時(shí)值更大；2有消弧線圈補(bǔ)償時(shí)，在脫諧度P10的前提下，穩(wěn)態(tài)電流補(bǔ)償效果明顯而暫態(tài)電流得不到補(bǔ)償，故障支路的暫態(tài)電流是系統(tǒng)各支路電容電流的總和，且其方向與非故障支路電流方向相反。依據(jù)上述特征，可以利用鑒別首半波電流的大小和方向選出故障支路，因?yàn)闀簯B(tài)故障電流尚未被補(bǔ)償，所以不受中性點(diǎn)接地方式的影響。但是暫態(tài)電流大小受接地瞬間電壓初始相位的影響很大，當(dāng)漏電故障剛好發(fā)生在線電壓瞬時(shí)零值附近時(shí)，暫態(tài)電流很小可能導(dǎo)致誤判。232漏電故障穩(wěn)態(tài)特征1中性點(diǎn)對(duì)地絕緣電網(wǎng)在中性點(diǎn)對(duì)地絕緣的供電系統(tǒng)中，其漏電電流分布特點(diǎn)如圖25所示。圖中給出了我國(guó)煤礦高壓輻射式電網(wǎng)的典型模式，它由、四條支路構(gòu)成，、1L234L0ZT、分別為安裝于各條支路的零序電流互感器，由于一般高壓電網(wǎng)1ZT234ZT絕緣水平較高，故可假設(shè)各相對(duì)地電阻為，假設(shè)每條支路各相對(duì)地分布電容相等，分別以集中參數(shù)、來(lái)表示，并設(shè)支路的A相經(jīng)過(guò)渡電阻發(fā)0C123C44LDR生單相接地故障。圖22礦井6KV高壓中性點(diǎn)對(duì)地絕緣電網(wǎng)漏電電容電流分布特點(diǎn)FIG23THECAPACITIVECURRENTDISTRIBUTINGCHARACTERISTICOFUNDERGROUND6KVHIGHVOLTAGEDISTRIBUTIONNETWORKLEAKAGE電網(wǎng)各故障參數(shù)間存在如下關(guān)系A(chǔ)流過(guò)非故障支路零序電流互感器的電流為本支路的電容電流213,2130為支路號(hào)IUCJIII其相位超前90。0UB流過(guò)故障支路零序電流互感器的電流是其它所有非故障支路電容電之和2233210214CUJIIIDF其相位滯后90（故障支路自身產(chǎn)生的零序電流在該支路零序互感器中一去0一返兩次流過(guò)，對(duì)互感器而言相互抵消）。2中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地電網(wǎng)中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地的補(bǔ)償原理如圖27所示，其補(bǔ)償作用使得故障線路的電氣特征發(fā)生了變化。圖23礦井6KV高壓中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地電網(wǎng)漏電電容電流分布特點(diǎn)FIG24THECAPACITIVECURRENTDISTRIBUTINGCHARACTERISTICOFUNDERGROUND6KVHIGHVOLTAGEDISTRIBUTIONNETWORKLEAKAGE當(dāng)無(wú)漏電電流時(shí)，中性點(diǎn)電壓0，電感電流0。當(dāng)A相經(jīng)過(guò)渡電阻接ULIDR地時(shí)，中性點(diǎn)出線零序電壓，在作用下，有一感性電流通過(guò)電感流入大地，其值0為23LJJIL00這一感性電流與各個(gè)線路的對(duì)地電容電流向疊加，使得流經(jīng)過(guò)渡電阻的電流為241304321CUJIIILD根據(jù)L值的不同分為，完全補(bǔ)償，欠補(bǔ)償，過(guò)補(bǔ)償三種情況A時(shí)，接地點(diǎn)處的感性電流和容性電流大小相等，方向相反互相抵消，013C此時(shí)漏電電流，稱(chēng)為完全補(bǔ)償。流過(guò)故障支路的電流是自身對(duì)地的電容電DI4ZT4L流，與支路的零序電流同相位，均超前90，其大小由該支路的對(duì)地分布電容大小決定。0UB當(dāng)L取值較大時(shí)，使時(shí)，漏電電流呈容性，稱(chēng)為欠補(bǔ)償。流過(guò)的LC134ZT電流是此反向殘余電流與支路自身對(duì)地的電容電流之和，其值隨支路長(zhǎng)短不同而不同，相位也因支路長(zhǎng)短不同而超前或滯后于。0UC當(dāng)L取值偏小時(shí)，使時(shí)，漏電電流呈現(xiàn)感性，稱(chēng)為過(guò)補(bǔ)償。流過(guò)LC134ZT的電流是感性殘余電流與該支路自身電容電力疊加而成的零序電流，其大小隨支路的長(zhǎng)短而變化，相位與其他支路電容電流相同。24過(guò)載故障分析過(guò)載在電流故障中是最常見(jiàn)的故障，是一種非正常運(yùn)行狀態(tài)，過(guò)載以后電流相位對(duì)稱(chēng)，幅值大于額定電流。過(guò)載保護(hù)是指電流超過(guò)電器設(shè)備限定的范圍，保護(hù)裝置能在一定的時(shí)間內(nèi)切斷線路，保護(hù)設(shè)備不受損壞。電動(dòng)機(jī)過(guò)載將導(dǎo)致電動(dòng)機(jī)過(guò)熱，但又允許在低倍過(guò)載的情況下運(yùn)行一段時(shí)間，電動(dòng)機(jī)的過(guò)載特性應(yīng)該具有反時(shí)限的特征。另外，在電動(dòng)機(jī)多次反復(fù)短時(shí)間過(guò)載，而每次過(guò)載的時(shí)間均小于容許時(shí)間時(shí)，保護(hù)裝置不會(huì)動(dòng)作，但由于電動(dòng)機(jī)自身的熱積累可能使電動(dòng)機(jī)燒毀。因此，電動(dòng)機(jī)的過(guò)載保護(hù)應(yīng)該具有記憶電動(dòng)機(jī)的熱積累的功能，當(dāng)熱積累到使電動(dòng)機(jī)繞組的實(shí)際溫度達(dá)到會(huì)顯著降低絕緣壽命的程度時(shí)，要求保護(hù)系統(tǒng)給與保護(hù)。25欠電壓故障分析目前我國(guó)礦井井下高壓配電裝置中都設(shè)置有瞬動(dòng)的電磁式欠電壓保護(hù)，當(dāng)電壓在85UN（額定電壓）以上時(shí)可靠吸持，當(dāng)電壓在35UN及以下時(shí)瞬時(shí)釋放使開(kāi)關(guān)跳閘。該保護(hù)元件稱(chēng)為失壓脫扣器，其作用是防止停電后恢復(fù)供電時(shí)批量電動(dòng)機(jī)同時(shí)啟動(dòng)時(shí)對(duì)電網(wǎng)的沖擊，也可以防止某些電動(dòng)機(jī)自啟動(dòng)引發(fā)機(jī)械傷人事故。由此產(chǎn)生的問(wèn)題是當(dāng)?shù)孛?35KV系統(tǒng)發(fā)生短暫停電、暫時(shí)短路或電壓閃變時(shí)，就有可能因瞬動(dòng)的欠電壓保護(hù)導(dǎo)致地面與井下大面積停電，此后井下人工全面恢復(fù)供電約需要26小時(shí)，對(duì)礦井的安全和生產(chǎn)都有嚴(yán)重的影響。26絕緣監(jiān)視故障分析在煤礦井下6KV供電系統(tǒng)中，電能是由地面變電所經(jīng)兩條或多條高壓電纜送至井下中央變電所，然后用成套配電裝置經(jīng)高壓電纜饋送給井下各高壓負(fù)荷，要求向工作面供電的高壓配電裝置綜合保護(hù)器中除裝有選擇性漏電保護(hù)以外，還必須設(shè)置對(duì)雙屏蔽電纜的監(jiān)視保護(hù)。在雙屏蔽電纜中，A、B、C三相各分相屏蔽層與外屏蔽層連接在一起形成接地層，在分相屏蔽層外面，有各相監(jiān)視層，將這三相監(jiān)視層連接在一起稱(chēng)為監(jiān)視線。由于雙屏蔽電纜具有以上的特殊結(jié)構(gòu)，當(dāng)電纜在井下因冒頂?shù)仍蚴艿绞瘔K或其他硬物砸傷時(shí)，通常首先破壞雙屏蔽電纜的監(jiān)視層和屏蔽層，造成接地線與監(jiān)視線之間的短路或斷路故障。并且各主芯線都有分相絕緣層和分相屏蔽層，分相屏蔽層與地相連，所以，無(wú)論任何原因?qū)е码娎|損壞使其發(fā)生兩相短路或三相短路故障前，主芯線將首先與分相屏蔽電纜接觸而形成漏電故障。3井下高壓防爆開(kāi)關(guān)綜合保護(hù)系統(tǒng)的保護(hù)方案設(shè)計(jì)31短路保護(hù)根據(jù)上一章的分析，可以看出煤礦井下高壓電網(wǎng)短路故障保護(hù)分為兩部分，一是單臺(tái)配電裝置保護(hù)單一線路或單個(gè)電器設(shè)備的速斷保護(hù)，應(yīng)用在單個(gè)設(shè)備的保護(hù)使用瞬時(shí)速斷保護(hù)是合理的；二是針對(duì)井下高壓電網(wǎng)系統(tǒng)的短路故障保護(hù)。311短路保護(hù)原理三相對(duì)稱(chēng)性短路故障在井下電網(wǎng)發(fā)生的幾率并不高，而且往往是由其它一些因素（如對(duì)稱(chēng)性漏電）引發(fā)的。但由于其故障能量高，對(duì)線路和設(shè)備的危害極大，因此必須對(duì)對(duì)稱(chēng)性短路采取妥善的措施進(jìn)行保護(hù)。在高壓配電裝置中，對(duì)于各種短路故障都應(yīng)采用速斷保護(hù)?！拌b幅式”的問(wèn)題在于若要保護(hù)全線路，則應(yīng)按保護(hù)范圍末端最小兩相短路電流整定，要求整定值小，因而在大型電動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)易造成保護(hù)的誤動(dòng)作；若要躲過(guò)起動(dòng)電流，則要求整定值必須大，此時(shí)將不能保護(hù)線路全長(zhǎng)而且靈敏度也非常低。為了有效的區(qū)別起動(dòng)電流和短路電流，采用相敏保護(hù)原理。由于井下的負(fù)載均為感性負(fù)載，在大型電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)，功率因數(shù)比較低（一般COS在05以下），而在對(duì)稱(chēng)短路故障時(shí)，功率因數(shù)很高COS在09以上，所以采用基于功率因數(shù)檢測(cè)的相敏保護(hù)原理不但可以提高對(duì)稱(chēng)短路保護(hù)的靈敏度，而且還能保證其動(dòng)作的可靠性。相敏保護(hù)的基本出發(fā)點(diǎn)是既檢測(cè)短路電流的大小，同時(shí)又檢測(cè)短路回路的阻抗角，兩者相與，通過(guò)檢測(cè)電流滯后電壓的相位角來(lái)區(qū)別起動(dòng)電流和短路電流這在軟件上很容易實(shí)現(xiàn)。圖31是相敏保護(hù)的保護(hù)特性。圖中，橫線為單獨(dú)鑒幅式的保護(hù)特性，相敏特性為鑒幅值和鑒相值相與后所構(gòu)成的保護(hù)特性，即31CICOS由式（31）可見(jiàn)，只要選擇合適的常數(shù)C，就能獲得躲過(guò)電動(dòng)機(jī)起動(dòng)電流的保護(hù)特性。圖31相敏保護(hù)的保護(hù)特性FIG31THECHARACTERISTICOFPHASESENSITIVEPROTECTION但相敏保護(hù)也不是完全可靠的。如果在變壓器的出口處發(fā)生短路，由于變壓器的內(nèi)阻很小，其阻抗主要表現(xiàn)為電感，即有TRTX32R這種情況下的功率因數(shù)COS很低，一般小于02，所以相敏保護(hù)也存在一定的“死區(qū)”。為了消除這一弊端，需要采取另外一種附加措施即當(dāng)線路電流特別大（如大于動(dòng)作整定值的三倍以上時(shí)），不管相位角（功率因數(shù)）如何，短路保護(hù)都應(yīng)立即動(dòng)作。綜上所述，相敏保護(hù)的動(dòng)作條件概括為或33DZKIDZICOS在（33）式中，為實(shí)測(cè)短路電流的大小，為按實(shí)際設(shè)定的整定電流的倍數(shù)，DIK為動(dòng)作整定電流。DZI312選擇性短路保護(hù)系統(tǒng)方案目前煤礦井下高壓電網(wǎng)的短路保護(hù)都設(shè)置為瞬時(shí)速斷，這可以更好的保護(hù)線路和設(shè)備。由于井下高壓電網(wǎng)大部分是由多段電纜組成的逐級(jí)控制干線式縱向網(wǎng)絡(luò)，各段短路電流相差很小，縱向選擇性很難從電流的幅值上區(qū)別開(kāi)來(lái)，以至于難以構(gòu)成選擇性速斷保護(hù)系統(tǒng)。本節(jié)在相敏原理的短路保護(hù)的基礎(chǔ)上提出了具有選擇性的煤礦井下高壓電網(wǎng)微機(jī)選擇性速斷保護(hù)方案，根據(jù)此方案可以在配電裝置的短路保護(hù)中做相應(yīng)的設(shè)置來(lái)實(shí)現(xiàn)井下高壓電網(wǎng)短路保護(hù)的選擇性。圖32是選擇性微機(jī)速斷短路保護(hù)系統(tǒng)的原理圖，為便于分析，該方案采用4級(jí)保護(hù)線路來(lái)分析，圖中各級(jí)保護(hù)系統(tǒng)設(shè)置為各級(jí)斷路器均設(shè)置短限時(shí)速斷和反時(shí)限短路保護(hù)；短限時(shí)速斷為主保護(hù)，保護(hù)線路全長(zhǎng)并作遠(yuǎn)后備保護(hù)；反時(shí)限短路保護(hù)作為本線路的近后備保護(hù)；設(shè)置微機(jī)處理控制單元，如圖中，沿線設(shè)置通信線；各級(jí)保41CS護(hù)均具有瞬時(shí)起動(dòng)，延時(shí)02秒跳閘的功能。該保護(hù)系統(tǒng)的邏輯判斷根據(jù)由于井下高壓電網(wǎng)電纜每段長(zhǎng)度都較短，當(dāng)某段流過(guò)的電流過(guò)大時(shí)，保護(hù)無(wú)法判斷到底是本級(jí)發(fā)生短路還是下級(jí)發(fā)生短路，只需把下級(jí)各段線路是否出現(xiàn)過(guò)電流的信號(hào)告訴上級(jí)，上級(jí)根據(jù)收到的電流信號(hào)進(jìn)行匯總處理，作簡(jiǎn)單的邏輯判斷后即可正確判斷由哪段線路開(kāi)關(guān)動(dòng)作，其中上級(jí)和下級(jí)之間通過(guò)串行通信的多機(jī)通信方式來(lái)傳遞電流信號(hào)。圖32煤礦井下高壓電網(wǎng)微機(jī)選擇性速斷短路保護(hù)系統(tǒng)FIG32THESHORTCIRCUITPROTECTIONSYSTEMWITHSELECTIVEANDRAPIDMICROCOMPUTEROFHIGHVOLTAGEDISTRIBUTIONNETWORKINUNDERGROUND該井下高壓微機(jī)選擇性限時(shí)速斷過(guò)流保護(hù)系統(tǒng)是通過(guò)微機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)的，通過(guò)微機(jī)的多機(jī)通信來(lái)實(shí)現(xiàn)，每段線路上都安裝有獨(dú)立的微機(jī)系統(tǒng)，因此該硬件系統(tǒng)由三臺(tái)分機(jī)和一臺(tái)主機(jī)組成，主機(jī)對(duì)應(yīng)開(kāi)關(guān)為圖32所示地面變電所6KV母線，三臺(tái)分機(jī)對(duì)應(yīng)開(kāi)關(guān)分別為圖32所示井下中央變電所、1采區(qū)變電所、2采區(qū)變電所。該保護(hù)系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)過(guò)程在每個(gè)斷路器的入端串接一個(gè)過(guò)電流傳感器（該裝置也可與保護(hù)開(kāi)關(guān)封裝在一起）。當(dāng)流過(guò)電流傳感裝置的電流小于本段線路整定的動(dòng)作電流時(shí)，該過(guò)電流傳感裝置產(chǎn)生一個(gè)邏輯“0”信號(hào)（即低電平），由分機(jī)通過(guò)信號(hào)線傳送到主機(jī)中去；當(dāng)流過(guò)此電流傳感裝置的電流大于或等于本段線路整定的動(dòng)作電流時(shí)，該過(guò)流傳感裝置產(chǎn)生一個(gè)邏輯“1”信號(hào)（即高電平），也由分機(jī)通過(guò)信號(hào)線傳送到主機(jī)中去。主機(jī)根據(jù)接收的電平信號(hào)數(shù)量多、少和相應(yīng)的事先約定的分機(jī)編號(hào)進(jìn)行邏輯分析判斷，可確定應(yīng)該由哪級(jí)開(kāi)關(guān)跳閘，然后向該級(jí)分機(jī)發(fā)出跳閘指令，分機(jī)收到跳閘指令后瞬時(shí)跳閘。也就是說(shuō)只有下級(jí)各線路都未出現(xiàn)過(guò)流，但本級(jí)線路出現(xiàn)過(guò)流時(shí)，本線路開(kāi)關(guān)才動(dòng)作。該方法可用簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)示意圖33來(lái)表示。圖33方法的簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)示意圖FIG33SCHEMATICDIAGRAMOFMETHOD該系統(tǒng)保護(hù)原理為當(dāng)在所在線路發(fā)生過(guò)流故障時(shí)，保護(hù)4必起動(dòng)，而保護(hù)4K13則可能起動(dòng)，在01秒內(nèi)必發(fā)送高電位信號(hào)至，而、可能發(fā)送高CS1CS23S電位至，根據(jù)所收到的“1”的數(shù)量為1并通過(guò)邏輯分析判斷識(shí)別到其中含有1CS發(fā)來(lái)的信號(hào)，則可判斷是所在線路發(fā)生過(guò)流故障，則由主機(jī)給發(fā)跳閘通信指44K4令，收到后使4QF瞬時(shí)跳閘；01秒后故障解除，保護(hù)1、2、3均返回。當(dāng)在所在線路發(fā)生過(guò)流故障時(shí)，、均不發(fā)信號(hào)，由1QF跳閘切除1K2CS34S故障。該系統(tǒng)微機(jī)保護(hù)邏輯判斷真值表如下表31邏輯判斷真值表TAB31THELOGICJUDGMENTOFTRUEVALUE短路點(diǎn)信號(hào)電平值邏輯判斷結(jié)果CS1CS2CS3CS41K10001QF跳閘211002QF跳閘31010103QF跳閘4K10101014QF跳閘本保護(hù)方案為了便于分析采用了4級(jí)保護(hù)線路，該方案保護(hù)級(jí)數(shù)可達(dá)6級(jí)，能夠滿足煤礦井下高壓電網(wǎng)短路保護(hù)的需要。313短路保護(hù)的方案設(shè)置從前面的分析可以看出，瞬時(shí)速斷和短限時(shí)速斷都有各自的應(yīng)用范圍，因此在設(shè)計(jì)新的綜合保護(hù)系統(tǒng)時(shí)，必須要做到揚(yáng)長(zhǎng)避短。通過(guò)仔細(xì)分析我們不難發(fā)現(xiàn)，瞬時(shí)速斷可以體現(xiàn)短路保護(hù)的快速性，一般應(yīng)用在單個(gè)電器或線路的保護(hù)中，而短時(shí)限速斷保護(hù)又能體現(xiàn)系統(tǒng)的選擇性，事實(shí)上，礦井高壓電網(wǎng)短路保護(hù)應(yīng)該滿足這兩個(gè)基本要求。因此，本文對(duì)礦井6KV電網(wǎng)防爆開(kāi)關(guān)綜合保護(hù)系統(tǒng)的短路保護(hù)提出了短路保護(hù)設(shè)置在瞬時(shí)速斷的基礎(chǔ)上設(shè)置一定的短時(shí)限延時(shí)，用來(lái)滿足短路保護(hù)系統(tǒng)的選擇性。32漏電保護(hù)我國(guó)煤礦高壓電網(wǎng)屬于小電流接地系統(tǒng)，并采用電纜供電方式。按照煤礦安全規(guī)程規(guī)定煤礦變電所高壓饋電線上，應(yīng)該設(shè)有選擇性漏電保護(hù)裝置。本節(jié)設(shè)計(jì)出一種靈敏度高、選線準(zhǔn)確，能同時(shí)適用于不同接地方式的礦井高壓電網(wǎng)選擇性漏電保護(hù)方案。采用諧波方向型漏電保護(hù)原理，并采用“啟動(dòng)于零序電壓及其突變量，選擇性動(dòng)作于零序電流五次諧波比幅比相”的技術(shù)方案。321諧波方向型選擇性漏電保護(hù)原理諧波方向型保護(hù)裝置是利用高壓電網(wǎng)所含的諧波成份來(lái)實(shí)現(xiàn)選擇性的。諧波是高壓電網(wǎng)中固有的成份，在電網(wǎng)發(fā)生接地故障后，零序電壓和零序電流中均含有一定量的諧波成份，而各次諧波在大小和相位關(guān)系上仍具有工頻成分的特點(diǎn)。其中以三次、五次諧波成分較大，由于三次諧波受變壓器接線組別的影響，更因其方向一致，使得相間沒(méi)有三次諧波電壓，而五次諧波不受此影響，且諧波中五次諧波含量較大，所以提取五次諧波較為理想。當(dāng)發(fā)生漏電故障時(shí)，電網(wǎng)中零序電壓和零序電流的五次諧波成分同樣具有在上一章中所總結(jié)的高壓電網(wǎng)漏電故障的電氣特征。鑒于諧波方向型漏電保護(hù)方法適用于不同的接地方式，下面重點(diǎn)分析以經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)為例的諧波方向型漏電保護(hù)。在變壓器中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地的電網(wǎng)中，消弧線圈的電感電流主要補(bǔ)償電容電流的基波成分，由于電感的感抗和電容的容抗隨著電流頻率的變化而變化。設(shè)基波的角頻率為，當(dāng)完全補(bǔ)償時(shí)，基波感抗和容抗的關(guān)系為，然而，CL31此時(shí)的五次諧波感抗和容抗的關(guān)系為，可見(jiàn)對(duì)五次諧波成分而言，其感抗CL531是基波分量的5倍，而容抗則是基波分量的，單相接地時(shí)，通過(guò)故障支路的五次諧波51電容電流34CUJIZSC553式中為等值五次諧波零序電壓。設(shè)消弧線圈未飽和且過(guò)補(bǔ)償時(shí)的脫諧度5ZSUP10，可算得35CL31通過(guò)故障支路五次諧波電感電流36UJIZSZSL555由式（34）、（36）兩式得3723535CJILC式（37）表明，此時(shí)5次諧波電容電流是電感電流的23倍，可見(jiàn)，5次諧波成分不能被補(bǔ)償?shù)簦錃堄嗟?次諧波電容電流為38CUJJIIZSZSLCZS555314321由以上分析可知，無(wú)論處于完全補(bǔ)償還是欠補(bǔ)償或過(guò)補(bǔ)償時(shí)，在電網(wǎng)發(fā)生接地故障時(shí)，5次諧波電容電流均不能被補(bǔ)償?shù)簦鼈冊(cè)陔娋W(wǎng)中的分布規(guī)律與基波電流在中性點(diǎn)對(duì)地絕緣的電網(wǎng)中分布規(guī)律相同，實(shí)際中由于消弧線圈本身也可能飽和，殘余的5次諧波電容電流可能會(huì)大些，但仍然不能補(bǔ)償5次諧波電容電流。這樣就可以利用零序電流和零序電壓中的五次諧波信號(hào)的分布規(guī)律來(lái)實(shí)現(xiàn)選擇性不受中性點(diǎn)接地方式的影響，即構(gòu)成了諧波方向型漏電保護(hù)，該類(lèi)型保護(hù)通常是采用微機(jī)進(jìn)行控制的。322礦井高壓電網(wǎng)漏電保護(hù)啟動(dòng)零序電壓的選擇由于傳統(tǒng)諧波方向型漏電保護(hù)的靈敏度較低，因此要在傳統(tǒng)的礦井高壓電網(wǎng)選擇性漏電保護(hù)方案的基礎(chǔ)上進(jìn)行改造，以提高其靈敏度。選擇性漏電保護(hù)的靈敏度與漏電保護(hù)的啟動(dòng)量有關(guān)，啟動(dòng)量值越小，靈敏度越大，啟動(dòng)量值越大，靈敏度越低。本文采用零序電壓及其突變量作為漏電保護(hù)的啟動(dòng)量，因此，要在傳統(tǒng)諧波方向型漏電保護(hù)的基礎(chǔ)上提高其靈敏度，則必須要盡量減小零序電壓?jiǎn)?dòng)值的數(shù)值。1礦井高壓電網(wǎng)漏電保護(hù)啟動(dòng)零序電壓選擇根據(jù)現(xiàn)行的工業(yè)與民用電力裝置的過(guò)電壓保護(hù)設(shè)計(jì)規(guī)范第三章過(guò)電壓保護(hù)裝置中第342條規(guī)定中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地的電力網(wǎng)，在正常運(yùn)行情況下，中性點(diǎn)的長(zhǎng)時(shí)間電壓偏移不應(yīng)超過(guò)額定相電壓的15。根據(jù)此規(guī)定可以確定合適的零序電壓定值，對(duì)于中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地的6KV礦井高壓電網(wǎng)，相電壓為V3934660U此時(shí)消弧線圈上的電壓，也就是礦井高壓電網(wǎng)中性點(diǎn)偏移電壓范圍為0UV3105201150即中性點(diǎn)零序電壓不能長(zhǎng)時(shí)間超過(guò)520V，而對(duì)于310KV非直接接地系統(tǒng)，在單項(xiàng)接地故障時(shí)存在如下規(guī)律，即無(wú)論接地方式如何變化，零序電壓均由0V至金屬性接地時(shí)的100V開(kāi)口三角形輸出的零序電壓。因此，電壓互感器二次開(kāi)口三角零序電壓為311NUU033121因此轉(zhuǎn)換到電壓互感器二次開(kāi)口三角零序電壓值為V31351030UU可選取最大中性點(diǎn)偏移電壓作為選擇性漏電保護(hù)零序電壓?jiǎn)?dòng)值，即15V。比傳0U統(tǒng)設(shè)定的零序電壓?jiǎn)?dòng)值40V有了一定的改進(jìn)，靈敏度也就相應(yīng)的得到提高。2礦井高壓電網(wǎng)漏電保護(hù)啟動(dòng)零序電壓突變量選擇當(dāng)線路4發(fā)生漏電故障時(shí)，各條線路的突變量變化非常明顯，因此，為提高選擇性漏電保護(hù)的可靠性，啟動(dòng)參數(shù)中除采用零序電壓穩(wěn)態(tài)值外，還選用了零序電壓突變量檢測(cè)，可以避免電網(wǎng)負(fù)荷不平衡、電網(wǎng)干擾等引起漏電保護(hù)誤動(dòng)，這樣就能減少因零序電壓?jiǎn)?dòng)值降低而帶來(lái)的誤動(dòng)率。零序電壓突變量選為31400NKKU式中，為零序電壓某一時(shí)刻的采樣值，而為比時(shí)刻早10MS的采樣KU00NKK值，N為半個(gè)工頻周期內(nèi)的采樣點(diǎn)數(shù)，為時(shí)刻的零序電壓突變量。KU0礦井高壓電網(wǎng)正常運(yùn)行時(shí)，和的絕對(duì)值應(yīng)當(dāng)接近相等，反映的是礦井電網(wǎng)K0N的自然不平衡電壓；當(dāng)?shù)V井電網(wǎng)發(fā)生漏電故障后，電網(wǎng)零序電壓突變，出現(xiàn)。本文KU0零序電壓突變量值按工程值選取3V。因此本文可選取15V,3V，作為0U0U選擇性漏電保護(hù)啟動(dòng)值，該啟動(dòng)值不隨高壓電網(wǎng)對(duì)地總電容的變化而變化，具有穩(wěn)定性。能提高傳統(tǒng)諧波方向型靈敏度低的問(wèn)題，誤動(dòng)率也不會(huì)增加。323諧波方向型礦井高壓電網(wǎng)選擇性漏電保護(hù)方案本文設(shè)計(jì)的目的就是設(shè)計(jì)出適用于不同中性點(diǎn)接地方式的礦井高壓電網(wǎng)選擇性漏電保護(hù)方案。由以上論述可知，利用零序電流和零序電壓中的五次諧波信號(hào)所具有的分布規(guī)律可以實(shí)現(xiàn)選擇性，由高壓電網(wǎng)諧波特性可知，無(wú)論是零序電壓還是零序電流的5次諧波成份，其相位穩(wěn)定性好，而幅度波動(dòng)性較大，若取用其幅值作為判斷故障支路的依據(jù)時(shí)可能會(huì)降低保護(hù)的可靠性。另外，零序電壓幅值的穩(wěn)態(tài)特性也不受中性點(diǎn)接地方式的影響（直接接地除外），其5次諧波成份也不受中性點(diǎn)接地方式的影響。若忽略三相電網(wǎng)中零序阻抗電壓降的影響，電網(wǎng)中的任何中性點(diǎn)對(duì)地零序電壓均相同，另外，零序電壓幅值的穩(wěn)態(tài)特性也不受中性點(diǎn)接地方式的影響，故可以采用零序電壓基波成分作為漏電保護(hù)的啟動(dòng)信號(hào)。根據(jù)以上理論依據(jù)和綜合考慮各種因素，就可以設(shè)計(jì)出“啟動(dòng)于零序電壓及其突變量，選擇性動(dòng)作于零序電流五次諧波比幅比相”的選擇性漏電保護(hù)方案。33過(guò)負(fù)荷（過(guò)載）保護(hù)過(guò)負(fù)荷保護(hù)是高壓電網(wǎng)最基本的保護(hù)之一。一定范圍或一定時(shí)間內(nèi)的過(guò)負(fù)荷是允許的，但長(zhǎng)時(shí)間的過(guò)負(fù)荷導(dǎo)致熱量的積累，最終使電氣設(shè)備損壞。過(guò)負(fù)荷保護(hù)采取電流取樣原則，并遵照反時(shí)限特性進(jìn)行保護(hù)。如果被保護(hù)線路電流超過(guò)預(yù)先整定的數(shù)值，保護(hù)系統(tǒng)響應(yīng)，經(jīng)過(guò)相應(yīng)的整定時(shí)間后，發(fā)出跳閘信號(hào)，切斷電源達(dá)到保護(hù)的目的。電流過(guò)負(fù)荷倍數(shù)K（過(guò)負(fù)荷倍數(shù)）與允許過(guò)負(fù)荷時(shí)間的關(guān)系，即過(guò)1NIKT負(fù)荷的特性曲線,如圖34所示。圖34過(guò)負(fù)荷特性曲線FIG34CHARACTERISTICSOFOVERLOAD過(guò)負(fù)荷是一種三相對(duì)稱(chēng)性故障，目前確定特性仍未有統(tǒng)一的意見(jiàn)，現(xiàn)在已經(jīng)提TK出了許多不同的方案，但由于現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況的不同，高壓線路和設(shè)備過(guò)負(fù)荷特性也很難統(tǒng)一確定。34欠電壓保護(hù)341欠電壓保護(hù)增加延時(shí)的作用對(duì)井上、下高壓配電裝置中的欠電壓保護(hù)進(jìn)行增加延時(shí)功能的技術(shù)改造，可使大部分線路和用電設(shè)備躲過(guò)供電系統(tǒng)的短暫停電或電壓閃變，仍能正常工作。342欠電壓保護(hù)延時(shí)與瞬時(shí)的選擇若所有的高壓欠電壓保護(hù)都改為延時(shí)動(dòng)作，則前述瞬動(dòng)型欠電壓保護(hù)的作用又無(wú)法實(shí)現(xiàn)，分析礦井供電系統(tǒng)，特別是井下高壓供電系統(tǒng)，根據(jù)既要避免電動(dòng)機(jī)同時(shí)啟動(dòng)和自啟動(dòng)傷人事故，又要減少系統(tǒng)短暫停電或電壓的閃變所引起的停電范圍的原則，可將礦井610KV高壓配電裝置按欠電壓保護(hù)延時(shí)與否分為兩類(lèi)1采用延時(shí)型欠電壓保護(hù)的高壓配電裝置各高壓線路進(jìn)、出線開(kāi)關(guān)，提升、高壓、風(fēng)機(jī)類(lèi)高壓電動(dòng)機(jī)的控制開(kāi)關(guān)；2采用瞬時(shí)型欠電壓保護(hù)的高壓配電裝置水泵、運(yùn)輸、采掘機(jī)械高壓電動(dòng)機(jī)的控制開(kāi)關(guān)。343動(dòng)作時(shí)間根據(jù)延時(shí)型欠電壓保護(hù)的作用，其動(dòng)作時(shí)間必須比各級(jí)線路定時(shí)過(guò)流保護(hù)動(dòng)作時(shí)間、自動(dòng)重合閘的延時(shí)時(shí)間、備用電源自動(dòng)投入裝置的動(dòng)作時(shí)間長(zhǎng)一個(gè)級(jí)差（05S）。一般礦井35KV電源線路，其定時(shí)過(guò)流保護(hù)的動(dòng)作時(shí)間約為12S，35KV自動(dòng)重合閘的時(shí)間，應(yīng)比本級(jí)定時(shí)過(guò)流保護(hù)高一個(gè)級(jí)差，即1525S；礦井地面610KV饋出線（含井下電纜）定時(shí)過(guò)流保護(hù)的動(dòng)作時(shí)間一般1S，而井下610KV線路目前全部采用速斷保護(hù)，顯然，延時(shí)型欠電壓保護(hù)的動(dòng)作時(shí)間應(yīng)為23S。344欠電壓保護(hù)方案井下高壓配電裝置中已批量采用以微機(jī)為核心的綜合保護(hù)裝置，此時(shí)欠電壓保護(hù)可以作為綜合保護(hù)中的一個(gè)單元組件，設(shè)定相對(duì)獨(dú)立的子程序，可根據(jù)需要設(shè)置瞬時(shí)動(dòng)作型或延時(shí)23S動(dòng)作型，并按85，65和35分檔。具體地，對(duì)于延時(shí)動(dòng)作NUNNU型欠電壓保護(hù)，當(dāng)采集模塊采集到線路電壓85時(shí)，程序不做反映；而線路電壓降到65時(shí)，則程序轉(zhuǎn)到報(bào)警子程序；當(dāng)線路電壓35時(shí)，程序?qū)嵤┭訒r(shí)23S，延時(shí)NUN時(shí)間到時(shí)線路電壓若仍為35，則程序立即輸出跳閘指令，實(shí)現(xiàn)延時(shí)型的欠電壓保護(hù)。NU35絕緣監(jiān)視保護(hù)高壓防爆開(kāi)關(guān)綜合保護(hù)系統(tǒng)中使用的監(jiān)視保護(hù)主要依據(jù)以下三種原理終端加整流二極管的直流監(jiān)視保護(hù)原理；終端加電阻的附加直流電源的監(jiān)視原理；終端加整流二極管的二次諧波監(jiān)視保護(hù)原理。本保護(hù)器在比較了以往保護(hù)原理后，采用了基于附加直流檢測(cè)的礦井高壓電網(wǎng)電纜絕緣在線監(jiān)視原理，原理圖如圖35所示。圖35絕緣監(jiān)視電路示意圖FIG35SCHEMATICOFMONITORINGPROTECTIONFORHVCABLE圖中，、為雙屏蔽電纜的等效電阻，其中為監(jiān)視線與接地線之間的回路電DRRDR阻，為監(jiān)視線與接地線直接的絕緣電阻,為終端元件，通常為1K的電阻，為限RA1R流電阻，為取樣電阻，其兩端的電壓為取樣電壓，它反映和的變化。為00UDRJU附加直流電源電壓。當(dāng)監(jiān)視線與接地線之間發(fā)生短路故障時(shí)，電阻兩端的電壓大于正常情況下的電壓0U值，當(dāng)監(jiān)視線或接地線發(fā)生故障時(shí)，電阻兩端的電壓小于正常情況下的電壓值，0R因此可以通過(guò)判斷電阻兩端的電壓的大小就可以判斷出檢測(cè)回路是否處于故障狀0RU態(tài)。4綜合保護(hù)系統(tǒng)的總體規(guī)劃與硬件電路設(shè)計(jì)本文所設(shè)計(jì)的井下高壓配電裝置綜合保護(hù)器具有短路、漏電、過(guò)載、絕緣監(jiān)視、欠電壓等多種保護(hù)功能，總體結(jié)構(gòu)圖如圖41所示。圖41綜合保護(hù)器總體結(jié)構(gòu)示意圖FIG41THEARCHITECTUREDIAGRAMOFCOMPREHENSIVEPROTECTOR綜合保護(hù)器由以下幾部分構(gòu)成1微機(jī)控制單元用于實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、計(jì)算、邏輯判斷、分析和處理，并對(duì)處理結(jié)果進(jìn)行適當(dāng)控制、定時(shí)等功能。2模擬量輸入單元用于將被保護(hù)元件線路、母線、變壓器等電壓互感器和電流互感器的二次側(cè)的模擬電壓和電流變換成數(shù)據(jù)處理單元能夠接受的數(shù)字量。3保護(hù)單元對(duì)于電網(wǎng)中的短路故障，要求短時(shí)限延時(shí)速斷和瞬時(shí)速斷相配合；對(duì)于變壓器、電機(jī)或其他負(fù)載出現(xiàn)過(guò)載時(shí)，施行反時(shí)限保護(hù)；提取零序電壓、零序電流及其五次諧波，并對(duì)零序電流的5次諧波進(jìn)行比幅比相，對(duì)單相接地故障實(shí)行選擇性漏電保護(hù)；欠電壓保護(hù)的延時(shí)保護(hù)。4開(kāi)關(guān)量輸入、輸出單元輸入微機(jī)保護(hù)的開(kāi)關(guān)量包括控制面板上的切換開(kāi)關(guān)、由裝置外引入的控制對(duì)象的狀態(tài)接點(diǎn)等；輸出的開(kāi)關(guān)量包括面板上的信號(hào)指示、保護(hù)出口跳閘信號(hào)等。5人機(jī)接口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)、故障顯示等。6通信單元通過(guò)RS485接口實(shí)現(xiàn)與上位機(jī)或PC機(jī)進(jìn)行串口通信。41CPU主系統(tǒng)本設(shè)計(jì)微機(jī)綜合保護(hù)系統(tǒng)是以80296SA型單片機(jī)為核心，根據(jù)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集到的電力系統(tǒng)的實(shí)時(shí)狀態(tài)數(shù)據(jù)，按照給定算法來(lái)檢測(cè)電力系統(tǒng)是否發(fā)生故障以及故障性質(zhì)、范圍等，并由此做出是否需要跳閘或報(bào)警等判斷的一種安全裝置。41180296SA單片機(jī)介紹80296SA單片機(jī)的主要特點(diǎn)簡(jiǎn)要說(shuō)明如下。80296SA是帶有DSP功能的16位微控制器，適合于應(yīng)用在需要進(jìn)行數(shù)字信號(hào)處理的場(chǎng)合。80296SA的外圍接口包括一個(gè)事件處理陣列（EPA）（用于從事與兩個(gè)帶有4個(gè)捕捉/比較通道的定時(shí)器計(jì)數(shù)器TIME1和TIME2相聯(lián)系的I/O功能）、三個(gè)通道PWM信號(hào)發(fā)生器，一個(gè)帶有波特率發(fā)生器的SIO串行接口以及6個(gè)片選的存儲(chǔ)器控制器。外圍接口SFR是I/O的控制寄存器，地址1F00H1FFFH，可以設(shè)置為窗口。80296SA還包括一個(gè)總線出讓電路，允許一個(gè)外部器件對(duì)總線控制。80296SA采用100腳QFP封裝，它的管腳與80C196NU和80C196NP管腳兼容。圖42就是80296SA單片機(jī)的管腳示意圖。80296本身的I/O口很多，所以不需要外擴(kuò)I/O，由于80296內(nèi)部有2KRAM，所以也不需要數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。圖42中，管腳A015是系統(tǒng)地址總線，管腳A1619可提供地址位的1619位，同時(shí)與擴(kuò)展地址端口EPORT03共用端口。AD0D15是地址數(shù)據(jù)總線，接收來(lái)自A/D的轉(zhuǎn)換完成數(shù)據(jù)。P1017、P2027、P3037、P4043都是標(biāo)準(zhǔn)8位的輸入輸出口。使用片外時(shí)鐘源，晶振的頻率為12MHZ。CS0CS5與P3035公用管腳為片選，CS0選擇程序存儲(chǔ)器，CS2選擇NVSRAM，CS3選擇A/D轉(zhuǎn)換器。圖4280296SAFIG4280296SA412外圍擴(kuò)展電路本保護(hù)系統(tǒng)中，除了中央處理器采用INTEL80296SA外，控制單元還擴(kuò)展了一些外圍芯片，包括一片程序存儲(chǔ)器AT49F1025、一片非易失時(shí)鐘RAM芯片DS1664、一片看門(mén)狗UP監(jiān)控芯片MAX705和晶振電路。圖43程序存儲(chǔ)器AT49F1025和RAM芯片DS1664應(yīng)用電路圖FIG43APPLICATIONCIRCUITOFAT49F1025ANDDS166480296SA單片機(jī)內(nèi)沒(méi)有程序存儲(chǔ)器，需要擴(kuò)展，本文選用的是FLASH存儲(chǔ)器AT49F1025。這是一種16位的1M閃存，它讀寫(xiě)速度可以達(dá)到45NS，而功率消耗僅為275MW。AT49F1025的容量和速度完全可以滿足系統(tǒng)的要求。保護(hù)系統(tǒng)需要有實(shí)時(shí)的時(shí)鐘信息，以便故障發(fā)生后，追憶故障發(fā)生時(shí)間和信息。同時(shí)，整定值的存放需要選擇非易失性的SRAM，當(dāng)系統(tǒng)斷電重新啟動(dòng)時(shí)，不需要重新進(jìn)行整定，本文選用了32K8非易失性靜態(tài)RAM芯片DS1644，它包括一個(gè)完備的實(shí)時(shí)時(shí)鐘。復(fù)位電路用于啟動(dòng)或者重新啟動(dòng)CPU，令其進(jìn)入或者返回到預(yù)知的循環(huán)程序并順序執(zhí)行。一旦CPU處于未知狀態(tài)，比如程序“跑飛”或進(jìn)入死循環(huán)，就需要將系統(tǒng)復(fù)位。單片機(jī)80296SA的RESET引腳上出現(xiàn)復(fù)位信號(hào)時(shí)，各I/O引腳、控制引腳以及各寄存器進(jìn)入復(fù)位狀態(tài)，在保護(hù)器中使用了三種復(fù)位的方式手工復(fù)位、軟件復(fù)位和看門(mén)狗復(fù)位。本文選用的看門(mén)狗芯片是MAX705，它是一個(gè)CMOS監(jiān)控電路，能夠監(jiān)控電源電壓、電池故障和微處理器CPU的工作狀態(tài)。除上電復(fù)位和掉電復(fù)位外，它還集成了電壓監(jiān)控和看門(mén)狗的功能，當(dāng)供電電壓出現(xiàn)異常時(shí)提供預(yù)警指示或中斷請(qǐng)求信號(hào)方便系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)異常處理?？撮T(mén)狗定時(shí)器當(dāng)系統(tǒng)程序跑飛或死鎖時(shí)復(fù)位系統(tǒng)。MAX705的電路圖如圖44所示。圖44MAX705應(yīng)用電路圖FIG44APPLICATIONCIRCUITOFMAX70542模擬量交流采樣單元模擬量輸入單元對(duì)于高壓配電裝置保護(hù)器來(lái)說(shuō)非常重要，系統(tǒng)采集電網(wǎng)的物理量，通過(guò)運(yùn)算來(lái)判斷電網(wǎng)的目前運(yùn)行狀況，以發(fā)出正確的控制信息。本文中采用交流采樣技術(shù)，模擬量輸入的原理框圖，如圖45所示。圖45交流采樣原理框圖FIG45FLOWCHARTOFALTERNATINGSAMPLING本設(shè)計(jì)需要直接進(jìn)入A/D轉(zhuǎn)換的信號(hào)有三相電流信號(hào)，兩相電壓信號(hào)以及附加直流電源中的測(cè)量取樣電阻兩端的直流電壓信號(hào)。A/D變換器只能接受幅值在小范圍內(nèi)變化的電壓信號(hào)。而井下高壓電網(wǎng)中的交流電壓、電流信號(hào)，在經(jīng)過(guò)一次互感器變換過(guò)后，幅值仍然超出A/D所能允許的范圍。此外，信號(hào)在導(dǎo)線傳輸過(guò)程中，會(huì)受到工作環(huán)境的干擾，對(duì)于電壓信號(hào)，經(jīng)過(guò)傳輸后，幅值還會(huì)衰減。因此在電參數(shù)傳輸通道中，必須設(shè)置信號(hào)調(diào)理電路，使信號(hào)在濾除干擾后，能變成幅值大小適當(dāng)?shù)男盘?hào)并送入A/D轉(zhuǎn)換器，以便CPU來(lái)采樣處理。421電壓形成回路電壓和電流互感器性能的優(yōu)劣直接影響采集信號(hào)的精度，關(guān)系到系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性，所以電壓形成回路的設(shè)計(jì)很重要。圖46電壓信號(hào)通道原理圖FIG46THESCHEMATICCIRCUITOFTHEVOLTAGESIGNALCHANNELS圖46中，雙向TVSD1作為瞬態(tài)電壓抑制器，在承受高能量電壓（如浪涌電壓、雷電干擾、尖峰電壓）時(shí)，能迅速反相擊穿，由高阻態(tài)變成低阻態(tài)，并把干擾脈沖鉗位于規(guī)定值，R1、R2、R3、R4、C1、C2及運(yùn)放構(gòu)成低通濾波電路，以衰減高頻干擾信號(hào)。R5、R6將電壓信號(hào)轉(zhuǎn)化為合適電平后送至A/D轉(zhuǎn)化電路。雙向TVSD2進(jìn)一步保證了后續(xù)電路免遭非正常電壓大信號(hào)的影響。422數(shù)據(jù)采樣電路CPU只能對(duì)數(shù)字信號(hào)進(jìn)行處理，所以測(cè)量所得的各種模擬信號(hào)，經(jīng)過(guò)前期處理后，必須要經(jīng)過(guò)采樣和A/D轉(zhuǎn)換。保護(hù)器中數(shù)據(jù)采集的速度、精度以及動(dòng)態(tài)范圍對(duì)其性能有著十分重要的影響。本保護(hù)器選用的模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片的是MAX125，其具有以下主要特點(diǎn)1四個(gè)同步采樣保持放大器與四個(gè)2選1電路相