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　0 　引言

　　煤矿井下低压电网遍布井下采、掘、装、运各个生产环节,低压漏电故障约占低压电网各种电气故障总概率的70～80 % ,是导致人身触电伤亡、引发瓦斯、煤尘爆炸,或发展为短路事故、电火灾事故的主要原因,所以漏电保护意识是井下“三大保护”之一。为了保证供电的可靠性和连续性,要求采用有选择性的漏电保护系统。选择性漏电保护装置动作具有选择性,对于辐射式电网的多条配出线,只切除有漏电故障线路的电源,从而缩小了停电范围。

　　然而,由于低压选漏技术难度太大,直到现在国内各种防爆开关中所使用的选漏保护器或综合保护中选漏单元的实用效果仍不理想,选漏保护的误选、错选、落选情况严重,经常形成无选择性跳总开关,不仅造成大面积停电停产,而且由于总检漏延时300 ms 左右使总开关断电,且现有选漏系统因采用零序功率方向原理而普遍删除零序电抗器补偿电容电流功能,从而进一步加大了人身触电伤亡和引燃瓦斯爆炸的危险性。因此,研制可靠型的选择性漏电保护装置是十分必要的。

　　由零序电流方向构成的选择性漏电保护,其所需的零序电流和零序电压数值较小,动作仅取决于它们的方向,保护灵敏度高,选择性好。因此,笔者基于零序电流方向构成的选择性漏电保护原理,采用PLC 技术设计了一种矿用智能低压馈电开关选择性漏电保护系统,为井下低压电网的漏电保护提供了一种新的解决方案。

　　1 　系统选择性漏电保护原理

　　矿用低压馈电开关选择性漏电保护系统的漏电保护原理主要是结合了附加直流电源检测原理和零序电流方向性保护原理,不仅利用零序电压和零序电流的幅值大小判断供电系统内部是否发生漏电和哪条支路发生漏电,同时还利用各支路零序电压和零序电流的相位关系来判断漏电支路。这样做既达到了很好的选择性目的,又能利用三重判断防止误动作。系统首先判断零序电压是否超出动作整定值,若超出,则要判断每条支路的零序电流是否超出该支路动作整定值,若还超出,则再判断零序电流和零序电压的相位差是否在动作整定的相位差范围之内,如果相位差在设定的范围之内,则可判断该支路必定发生漏电故障,进而发生漏电保护动作。在相位差的计算中增加对零序电流及电压信号的过零点趋势判断方法,进一步降低了谐波及其它干扰引起的误动作。

　　2 　系统硬件设计

　　目前国内馈电开关综合保护系统一般是由分立元器件或单片机组成控制核心,结构复杂,安装调试困难;抗干扰能力差,故障率高,经常出现误动和拒动现象,漏电动作时间常常满足不了30 ms 的要求,尤其在供电距离短、电压高或供电距离长、电压低的情况下,在1 kΩ 漏电时动作时间更长。另外,由于元器件的限制,开关缺少良好的人机界面,给故障判断和排除带来不便。国外同类产品普遍采用PLC作为控制核心,工艺水平较国内高。但是一旦出现故障,则维修较困难,影响生产。另外,国外产品价格极高,是国内同类产品的十倍以上。

　　针对上述情况,笔者采用和利时PLC 中的馈电开关专用控制器LM3108 K 和人机界面(文本显示器及设置键盘) 构成低压馈电开关选择性漏电保护系统,来完成矿井低压电网的二级选择性漏电、对称短路、不对称短路、断相、过载和过电压等保护功能。该系统由基于附加直流检测的总漏电保护和基于零序电流方向判断的分支漏电保护组成,既可完成井下低压电网单相漏电时横向选择性和纵向选择性功能,又能保证电网对称漏电时保护动作电阻值的稳定性,使馈电开关既可靠又安全。

　　系统硬件组成框图如图1 所示。LM3108 K 首先接收来自现场(经过现场侧一级变换) 的三相交流信号、零序信号,经IO 板上的通道处理模块放大处理后进入DSP 进行信号采集,采集的信号经板间连接器进入CPU 板,之后送上位机显示;上位机的相关配置参数首先下发到CPU 板,再由CPU 板下发到IO 板;电源板输入为24 V DC 信号,经过防护处理之后转换为+ 5 V 送入馈电模块使用,馈电模块中用到的其它内部电压也都由+ 5 V 转换后得到。IO 板和CPU 板分别以TI 公司生产的DSP 芯片TMS320L F2407A 和Infineon 公司生产的C164单片机为核心,二者之间数据通信由SPI 口完成。

　　信号采集原理如图2 所示, TA0 为零序电流互感器、TA1 - 3 为400 A/ 1 V 的电流互感器、T2 为馈电三相电抗器、T3 为1 140 V、660 V/ 10 V 的零序变压器。

　　系统采集的三相电流、零序电流、三相线电压、零序电压、系统电压、绝缘电阻等信号不需要转换成直流标准信号,而是直接进入PLC 中的模数转换芯片,后PLC 根据采集到的信号来控制断路器的合分闸;漏电和短路保护动作采用硬件中断方式,大大缩短了信号采集和故障发生时执行保护动作的时间,保证分开关保护的动作时间小于30 ms ,总开关保护动作时间小于200 ms ;增加了PLC 根据电网分布电容的大小和电网电压的高低来自动整定选择性漏电保护特性和动作参数的功能,提高了保护系统的智能性。此外,该系统还建立了良好的人机界面,文本显示器在开关合闸前循环显示电网的绝缘状态、动作整定值和开关的工作状态。开关合闸后,正常工作时循环显示电网的工作参数和对地的绝缘水平,故障跳闸后循环显示故障参数和故障状态,从而大大提高了判断故障和排除故障的效率。

　　3 　系统软件设计

系统软件设计主要包括PLC 控制程序设计和文本显示器监控界面设计2 个部分。其中PLC 控制程序在和利时专用的PowerPro V4 编程软件环境下完成,主要包括硬件配置及参数设置、通信定义和用户程序的编写等。PLC 控制程序主要由主程序、信号采集程序、信号滤波程序、信号比较程序、保护输出程序等子程序构成,其中漏电判断程序流程如图3 所示。

　　文本显示器监控界面利用通用工控组态软件eview 开发,主要设计了参数输入界面、开关参数显示界面、报警显示界面等,可实现控制系统的工况显示、参数设定、保护方式选择、报警显示等功能。

　　4 　系统在井下供电设备中的应用

　　该智能低压馈电开关选择性漏电保护系统已成功应用于煤矿现场,其开关配置如图4 所示,包括1 台总馈电开关、6 台分支馈电开关,电网额定电压为1 140 V 。

　　总开关漏电保护闭锁值为42. 8 kΩ ,动作值为43 kΩ ,经实际测试,保护时间在200 ms 左右。分开关漏电保护闭锁值为42. 7 kΩ ,动作值为44 kΩ ,经实际测试,保护时间在30 ms 左右。

　　5 　结语

　　本文提出的基于PLC 的矿用智能低压馈电开关选择性漏电保护系统不仅有稳定的动作值,而且还能实现电网横向选择性漏电保护和纵向漏电保护。在采用了一系列抗干扰措施后,系统工作的可靠性更为提高。该系统以PLC 为中央处理单元,不仅增强了保护的灵活性和快速性,而且建立了良好的人机互动界面,提高了判断故障和排除故障的效率。现场运行结果表明,该系统能够可靠、快速地实现选择性漏电保护,提高了煤矿井下供电的安全性、可靠性和连续性,具有广阔的推广应用前景。