高 鋒

GAO Feng

（淮安信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院，淮安 223003）

0 引言

在煤礦供電系統(tǒng)中，由于井下環(huán)境惡劣，設(shè)備易受潮濕、絕緣自然老化、機(jī)械損壞及過電壓擊穿、人為的誤操作等影響，極易引起供電線路或設(shè)備短路或斷相。當(dāng)發(fā)生短路或斷相故障時，如果不及時切除故障線路或設(shè)備，極可能引發(fā)瓦斯或煤塵爆炸事故，危及井下工作人員的生命和財產(chǎn)安全。因此，在出現(xiàn)短路或斷相事故時，應(yīng)立即切除故障線路或設(shè)備，把危害降到最小，以防事故蔓延[1]。據(jù)統(tǒng)計表明，全國國有重點(diǎn)煤礦平均每年發(fā)生400～600次電纜著火事故，損壞電纜約500km，造成嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失。究其原因大部分是短路故障引起的，而目前井下供電系統(tǒng)存在的主要問題是短路保護(hù)不過關(guān)，開關(guān)拒動、誤動現(xiàn)象時有發(fā)生。同時，隨著礦井采掘工作面的不斷延伸，礦井采掘工作面離供電變電所距離越來越遠(yuǎn)，以及機(jī)械化裝備數(shù)目和功率的不斷增大，供電負(fù)荷的不斷加大，安全供電難度越來越大，傳統(tǒng)短路保護(hù)方法單純靠躲過電機(jī)正常啟動電流來整定，已經(jīng)不能滿足保護(hù)可靠性、實(shí)時性等要求[2]。針對井下供電系統(tǒng)當(dāng)前存在的問題，本文描述了相敏保護(hù)原理，并在此基礎(chǔ)上設(shè)計基于TMS320F2812的異步電動機(jī)相敏保護(hù)器，該裝置可大大提高電機(jī)保護(hù)的實(shí)時性和可靠性等性能，具有廣闊的應(yīng)用前景。

1 供電系統(tǒng)短路缺相故障仿真分析

圖1 礦井供電系統(tǒng)仿真模型

首先利用Matlab/Simulink的強(qiáng)的仿真和計算功能，對煤礦井下供電系統(tǒng)進(jìn)行可視化的仿真，用模塊化的方法構(gòu)建礦井供電系統(tǒng)仿真模型，如圖1所示。該模型可模擬仿真供電線路三相短路、兩相短路和斷相故障狀態(tài)[3,4]。

無短路和斷相故障時，供電系統(tǒng)功率因數(shù)曲線如圖2(a)所示，三相短路時系統(tǒng)功率因數(shù)如(b)所示，負(fù)序電流分量如(c)所示，兩相短路負(fù)序電流分量如(d)所示，缺相時負(fù)序電流分量如圖(e)所示。

圖2(a) 功率因數(shù)cosφ曲線

圖2(b) 三相短路時功率因數(shù)曲線

對比圖(a)和(b)，可見無故障時供電系統(tǒng)功率因數(shù)為0.7，三相短路時接近于1，啟動時為0.6。

圖2(c) 三相短路負(fù)序電流

圖2(d) 兩相短路負(fù)序電流

圖2(e) 缺相負(fù)序電流

對比圖(c)、(d)和(e)，可見三相短路時無負(fù)序電流分量，兩相短路和斷相時都存在負(fù)序電流分量，但明顯兩相短路時負(fù)序電流分量大很多，可以通過比較兩者大小可以區(qū)分兩相短路和斷相故障。

2 相敏保護(hù)原理

2.1 對稱短路相敏保護(hù)

由于采煤機(jī)械單機(jī)功率的不斷增大和礦井供電線路的不斷延伸，導(dǎo)致井下供電系統(tǒng)中，大容量電動機(jī)的起動電流與最小短路電流十分接近，使得系統(tǒng)的正常峰值電流與短路電流難以區(qū)分，給短路保護(hù)整定帶來了極大的困難。所以，僅以電流幅值的大小來區(qū)分起動電流和三相短路電流已經(jīng)不能滿足保護(hù)要求。

由于井下負(fù)荷絕大多數(shù)為感性負(fù)載，在大型電動機(jī)起動時，啟動電流很大，但功率因數(shù)比較低（cosφ在0.3～0.5），電流滯后于電壓的相位角超過60 ；而供電系統(tǒng)出現(xiàn)三相對稱短路故障時，尤其在電纜末端發(fā)生三相對稱短路故障，短路電流與啟動電流幅值很接近，但發(fā)生三相對稱短路時的功率因數(shù)則很高（cosφ可以達(dá)1），相位角為0～20 。所以，在保護(hù)中同時檢測短路電流I和功率因數(shù)cosφ，可以很好的區(qū)分啟動電流和短路電流，也能區(qū)分正常的工作電流和短路電流，這就是相敏保護(hù)的基本原理。它不但可提高對稱短路保護(hù)的靈敏度，而且能夠保證短路保護(hù)動作的可靠性。

當(dāng)功率因數(shù)和短路電流的鑒別方式不同時，相敏保護(hù)的動作特性也不完全相同[5]。

式(1)為一般相敏保護(hù)特性。只要選擇合適的常數(shù)c，相敏保護(hù)范圍比單獨(dú)鑒幅或鑒相時的保護(hù)范圍更寬，短路保護(hù)可以躲過大型電動機(jī)的起動電流，且使保護(hù)在電機(jī)正常運(yùn)行方式下不動作，發(fā)生短路故障時可靠動作。

式(2)中，根據(jù)供電系統(tǒng)負(fù)荷大小選擇不同的c1、c2，可得到不同的動作區(qū), 這樣可以取得最佳的保護(hù)效果, 它不但有較寬的動作界限, 而且有很高的靈敏度和可靠性

2.2 不對稱故障保護(hù)

據(jù)對稱分量法，系統(tǒng)發(fā)生故障時，故障電流（電壓）可分解為正序、負(fù)序和零序分量。當(dāng)故障三相對稱時，只有正序分量，負(fù)序和零序分量為零；當(dāng)發(fā)生不對稱故障，即兩相短路或斷相故障時，會出現(xiàn)負(fù)序或零序分量，因此在相敏保護(hù)器設(shè)計時，以序分量為基礎(chǔ)，通過檢測負(fù)序分量的大小，來區(qū)分兩相短路和斷相故障，實(shí)現(xiàn)兩相短路和斷相故障保護(hù)，拓展了相敏保護(hù)原理，可實(shí)現(xiàn)多故障保護(hù)[6]。

3 基于TMS320F2812的相敏保護(hù)器設(shè)計

由于井下供電系統(tǒng)向大機(jī)組、大系統(tǒng)、高電壓發(fā)展，系統(tǒng)處理的數(shù)據(jù)量越來越大，對實(shí)時性和精度的要求也越來越高。數(shù)字信號處理器（DSP）設(shè)置了硬件乘法累加器和單獨(dú)的總線及其控制器，它能夠在單指令周期內(nèi)完成各種復(fù)雜的運(yùn)算，具有高速數(shù)據(jù)傳輸能力。隨著DSP的出現(xiàn)，為采用各種復(fù)雜算法，集多種保護(hù)于一體的保護(hù)器的實(shí)現(xiàn)提供了可行性。

3.1 TMS320F2812芯片

TMS320F2812是美國TI公司最新研制的2000系列數(shù)字信號處理器，是面向電機(jī)控制、工業(yè)自動化的第一款帶片內(nèi)Flash、工作頻率達(dá)到150 MHz的32位DSP。它具有強(qiáng)大的信號處理，又具有強(qiáng)大的事件管理器能力和嵌入式控制能力，能夠?qū)崿F(xiàn)復(fù)雜的控制算法。器件上集成了許多先進(jìn)的外圍設(shè)備，為測控領(lǐng)域應(yīng)用提供了良好的硬件平臺[7]。

3.2 相敏保護(hù)器硬件結(jié)構(gòu)框圖

基于TMS320F2812的相敏保護(hù)器結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。

圖3中，礦井下供電系統(tǒng)電壓參數(shù)ua和電流參數(shù)ia、ib、ic，經(jīng)電壓電流互感器，輸出幅值在±10V范圍之內(nèi)的參數(shù)信號，再由低通濾波器，濾除高次諧波和噪聲，輸入到開發(fā)板上A/D轉(zhuǎn)換模塊AD7675，TMS320F2812采樣后進(jìn)行算法處理，判斷故障狀態(tài)，執(zhí)行相應(yīng)跳閘命令。

圖3 相敏保護(hù)器結(jié)構(gòu)框圖

3.1.1 電壓和電流互感器

電壓、電流互感器在改變電壓和電流的同時，可能會改變電壓、電流的相位，這主要取決于原副繞組的連接方式。本文采用Y，y12，如圖4所示，相位不發(fā)生改變[8]。

圖4 Y，y12連接組

3.1.2 低通濾波器

信號調(diào)理電路的輸出信號通常包含一定的噪聲和高次諧波，這些噪聲和高次諧波的頻率高于需要檢測的信號的最高頻率，如果按照采樣定理的要求對信號進(jìn)行采樣，則往往會在采樣時發(fā)生頻率混疊，對信號中的有用信息造成不良影響，進(jìn)而影響整個保護(hù)系統(tǒng)的可靠性。所以需要在A/D模塊采樣之前加入一個低通濾波器，濾除高于采樣頻率一半的頻率分量，保證在采樣過程中不發(fā)生頻率混疊現(xiàn)象，該濾波器也稱抗混疊濾波器。本文選擇巴特沃思低通濾波器，其電路圖如圖5所示。

圖5 巴特沃斯低通濾波器

利用EWB進(jìn)行對該濾波器進(jìn)行仿真得到圖3.4的結(jié)果。圖6中，該濾波器具有單調(diào)下降的幅頻特性，通帶內(nèi)0～1kHz具有最大平坦度，從通帶到阻帶衰減較慢，增益為負(fù)值。從而使一定頻率以下的信號分量都能通過，且衰減不超過3dB，而濾除一定頻率以上的噪聲信號和高次諧波信號。

圖6 巴特沃斯濾波器的EWB仿真結(jié)果

3.3 軟件流程圖

基于TMS320F2812的相敏保護(hù)器可實(shí)現(xiàn)三相對稱短路保護(hù)、兩相短路及斷相的負(fù)序電流保護(hù)、過載保護(hù)、零序過流保護(hù)和低電壓保護(hù)等主要保護(hù)功能。本文給出三相對稱短路保護(hù)、兩相短路及斷相的負(fù)序電流保護(hù)和過載保護(hù)的流程圖。

首先，進(jìn)行主程序設(shè)計，完成系統(tǒng)自檢、初始化、A/D采樣，再進(jìn)入各具體保護(hù)程序，利用相敏保護(hù)原理實(shí)現(xiàn)三相對稱短路保護(hù)，電機(jī)過載保護(hù)，檢測負(fù)序電流大小實(shí)現(xiàn)兩相短路、斷相故障保護(hù)。

主程序流程圖如圖7所示。主程序完成保護(hù)器各部分功能的初始化，對采樣、保護(hù)、報警等程序的調(diào)用，各種功能在時間上的總體分配，對單元的循環(huán)自檢等功能。程序初始化包括系統(tǒng)的設(shè)置、一些專用寄存器的初始化及各功能模塊的初始化，主要包括中斷向量的設(shè)置、中斷的各內(nèi)部寄存器的設(shè)置、軟件定時器的各寄存器設(shè)置、可復(fù)用口的初始化、時鐘的初始化、SCI模塊的初始化、存儲單元的合理分配等。在系統(tǒng)上電的最初兩秒內(nèi)，進(jìn)行系統(tǒng)的自檢，保護(hù)器不進(jìn)行保護(hù)判斷，但定時器溢出中斷，數(shù)據(jù)采集處理程序繼續(xù)運(yùn)行，為故障判斷采集必要的前期數(shù)據(jù)。

圖7 主程序流程圖

三相對稱短路保護(hù)流程圖如圖8所示，利用相敏保護(hù)原理和反時限保護(hù)特性完成三相對稱短路保護(hù)和過載保護(hù)。

采集電流值i，先計算負(fù)序電流I2，若I2不等于0，說明發(fā)生不對稱故障，進(jìn)行不對稱故障判斷保護(hù)程序。若I2等于0，繼續(xù)對稱故障判斷：當(dāng)采樣值大于10倍的電機(jī)額定工作電流值IN時，無論φ為多大，保護(hù)都速斷。若電流位于3IN～10IN之間，則說明線路中可能發(fā)生短路故障，也可能有大型電機(jī)正在起動，此時檢測功率因數(shù)cosφ，按照設(shè)定好的公式判斷，如果是短路故障，DSP立即發(fā)出跳閘信號；如果是電動機(jī)起動，會自動起動延時電路，延時時間到后若電流還未減小，說明電動機(jī)堵轉(zhuǎn)或嚴(yán)重過載，DSP發(fā)出跳閘信號。若電流位于1IN～3IN之間，則電機(jī)屬于過載運(yùn)行狀態(tài)，DSP把采集到的數(shù)值與過載整定值相比較.根據(jù)反時限延時特性曲線公式，由軟件確定延時時間，延時后，保護(hù)器動作。若延時未結(jié)束而檢測到過載故障已消失，則取消延時，保護(hù)器不動作[9]。

圖8 三相對稱短路保護(hù)流程圖

當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生不對稱故障（兩相短路、斷相）時，將會出現(xiàn)負(fù)序電流，此處利用負(fù)序電流作為動作判據(jù)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的兩相短路及斷相保護(hù)。流程圖如圖9所示，發(fā)生不對稱故障時，讀取兩相短路負(fù)序電流動作值I2'、斷相負(fù)序電流動作值I22。

將先比較負(fù)序電流I2與I2'，如果前者大，則故障為兩相短路，短路跳閘；如果前者小，則繼續(xù)將I2與I22比較，若I2大，則故障為缺相，故障跳閘，否則返回主程序。

4 結(jié)論

圖9 過載保護(hù)流程圖

本文描述了三相對稱短路相敏保護(hù)工作原理、兩相短路及缺相的負(fù)序檢測方法和過載反時限保護(hù)，給出了基于TMS320F2812的異步電動機(jī)相敏保護(hù)器硬件框圖和軟件流程圖。該相敏保護(hù)器可實(shí)現(xiàn)礦井下供電系統(tǒng)的三相對稱短路、兩相短路、斷相和過載故障時的保護(hù)功能，具有保護(hù)范圍寬、實(shí)時性強(qiáng)、可靠性高、保護(hù)性能穩(wěn)定等諸多優(yōu)點(diǎn)。

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