楊曉莉

（太重煤機(jī)有限公司，山西太原 030032）

0 引言

選煤工序是通過物理或化學(xué)方法，清除原煤中的有害成分和伴生物等，最終為鋼鐵、電力、化工等行業(yè)提供質(zhì)量更高的洗精煤。選煤廠大型設(shè)備較多，電機(jī)工作負(fù)荷大，且電力輸送距離較大，為節(jié)省電能和線纜成本，一般采用660 V供電，但選煤過程中的粉塵和濕度較大，環(huán)境惡劣，因此容易引起線纜老化，絕緣性降低，一旦發(fā)生漏電，將對(duì)廠區(qū)人員和設(shè)備的安全性造成極大危害[1-3]。針對(duì)這一問題，應(yīng)采用適當(dāng)?shù)穆╇姳Ｗo(hù)技術(shù)加以控制，降低漏電事故對(duì)安全生產(chǎn)的影響。

漏電保護(hù)技術(shù)在電氣安全保護(hù)領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，其中基于繼電器原理的漏電自動(dòng)保護(hù)系統(tǒng)，比傳統(tǒng)的熔斷器等裝置在保護(hù)動(dòng)作的靈敏性和快速性等方面優(yōu)勢(shì)明顯。尤其近年來隨著芯片技術(shù)的快速發(fā)展，漏電保護(hù)裝置的動(dòng)作速度和穩(wěn)定性都大幅提升[4-5]。對(duì)于選煤廠電氣系統(tǒng)高阻接地工況，如何構(gòu)建安全可靠的漏電保護(hù)系統(tǒng)是本文的研究重點(diǎn)。

1 常用漏電保護(hù)技術(shù)

我國(guó)工業(yè)用電電力系統(tǒng)中，包括電源中性點(diǎn)高阻接地和中性點(diǎn)不接地兩種系統(tǒng)，在中性點(diǎn)高阻接地系統(tǒng)中，常用的漏電保護(hù)原理包括零序電壓保護(hù)、零序電流保護(hù)、零序電流方向保護(hù)、附加直流電源保護(hù)和零序功率方向保護(hù)等多種。其中，零序電壓保護(hù)法在發(fā)生單相漏電時(shí)，保護(hù)動(dòng)作無選擇性，且動(dòng)作電阻值不穩(wěn)定，容易因三相線路絕緣性降低而出現(xiàn)拒動(dòng)現(xiàn)象；零序電流保護(hù)法雖可實(shí)現(xiàn)單相漏電選擇性保護(hù)，但對(duì)于分支線路較少的電路，容易因電阻值不穩(wěn)定而出現(xiàn)漏電保護(hù)誤動(dòng)作，影響正常生產(chǎn)；零序電流方向保護(hù)法要求線路中可產(chǎn)生足夠大小的零序電流，否則無法做出較為準(zhǔn)確的故障判斷；附加直流電源保護(hù)法無選擇性保護(hù)功能，一般不用在分支線路的漏電自動(dòng)保護(hù)系統(tǒng)中；零序功率方向保護(hù)法綜合考慮了零序電壓、零序電流及方向等多種因素[6-8]，因此系統(tǒng)穩(wěn)定性和判斷速度均可滿足選煤廠電氣系統(tǒng)漏電保護(hù)要求。

2 高阻接地系統(tǒng)漏電保護(hù)技術(shù)

2.1 零序功率方向保護(hù)基本原理

零序功率方向保護(hù)法綜合利用互感器實(shí)測(cè)到的零序電壓和零序電流的幅值，以及兩者之間的相位差，對(duì)漏電故障及相應(yīng)支路進(jìn)行選判，一方面，以上三種特征值的綜合判斷可有效防止誤動(dòng)作、拒動(dòng)等情況的發(fā)生；另一方面，對(duì)各支路的選擇性漏電判斷更加準(zhǔn)確可靠。

該方法需首先對(duì)零序電壓U0的大小進(jìn)行判斷，若大于設(shè)定的動(dòng)作整定值U0dz，則繼續(xù)判斷零序電流I0和零序功率P0=U0I0sin?0與相應(yīng)動(dòng)作整定值I0dz、P0dz的大小，若均大于整定值，則再判斷零序電壓和零序電流的相位差sin?0的正負(fù)，若均滿足以上條件要求，則認(rèn)為相應(yīng)支路已發(fā)生漏電故障，需進(jìn)行漏電保護(hù)。

2.2 漏電線路選判依據(jù)

未漏電情況下，A相、B相和C相的絕緣電阻和對(duì)地電容一般相等，即rA=rB=rC=r，CA=CB=CC=C，此時(shí)各相對(duì)地阻抗相等，中性點(diǎn)和大地之間沒有電勢(shì)差；但對(duì)于單相漏電工況，人體絕緣電阻RR與漏電相的rA和CA形成并聯(lián)關(guān)系，由此破壞了各相對(duì)地電阻的對(duì)稱性，并在中性點(diǎn)和大地之間產(chǎn)生零序電壓，如圖1所示，假設(shè)當(dāng)A相發(fā)生單相漏電或人身觸電事故時(shí)，在零序電壓作用下，一定大小的電流流過人體，并與其它兩相一起形成連通電路。根據(jù)戴維南原理，此時(shí)等效電路如圖2所示。

圖2所示電路中的零序阻抗計(jì)算公式如下：

圖1 單相漏電/人身觸電示意圖

圖2 人身觸電等效電路圖

式中，R0為中性點(diǎn)處接地高阻值；r為單相對(duì)地絕緣電阻值；XC為單相對(duì)地容抗； j表示虛部；

發(fā)生漏電時(shí)，零序電壓U˙0計(jì)算公式如下：

式中，U˙A為電源A相電壓；RR為人體絕緣電阻；

零序電流I˙0計(jì)算公式如下：

零序電流對(duì)于零序電壓的相位超前角?0計(jì)算如下：

式（4）中，ω為電流角頻率；

通過將以上各漏電線路的特征參數(shù)與所設(shè)定的整定值進(jìn)行幅值比較，可對(duì)漏電線路進(jìn)行選判。

2.3 確定預(yù)設(shè)整定值

對(duì)于包含多條支路的供電系統(tǒng)，需根據(jù)實(shí)際情況確定合理的預(yù)設(shè)整定值，尤其是對(duì)比該系統(tǒng)中正常支路和漏電支路在各種極端情況下的零序電流等參數(shù)的幅值，以保證對(duì)漏電保護(hù)系統(tǒng)的工作穩(wěn)定性。

根據(jù)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，以選煤廠常用660 V電壓為例，由于中性點(diǎn)接地高阻的存在，無論線路分布電容為多大，發(fā)生漏電故障時(shí)，流過故障支路零序電流互感器的電流值均＞25 mA。另外，考慮到三相電網(wǎng)在實(shí)際工作狀態(tài)下不可能完全平衡，且假設(shè)人體對(duì)地電阻RR為3kΩ，則可將以下數(shù)據(jù)作為選煤廠漏電保護(hù)系統(tǒng)的預(yù)設(shè)整定值：U0dz=80 V ，I0dz=80 V ，sin?0＜0。

3 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

選煤廠高阻接地漏電保護(hù)系統(tǒng)的硬件設(shè)施分為上機(jī)位和下機(jī)位兩部分，其中下機(jī)位設(shè)置在變電所控制室內(nèi)，而上機(jī)位主要用于圖形顯示系統(tǒng)信息，具體如下。

3.1 下機(jī)位

下機(jī)位的主要由CT/PT信號(hào)調(diào)理電路、DSP數(shù)字信號(hào)處理主板、繼電器輸出電路和母板等組成。

CT/PT信號(hào)調(diào)理電路主要負(fù)責(zé)信號(hào)轉(zhuǎn)化，可將各支路中零序電流和電壓互感器所采集的輸入信號(hào)輸出為DSP主板可直接處理的電壓信號(hào)，由此需要對(duì)信號(hào)進(jìn)行調(diào)制、濾波、數(shù)模轉(zhuǎn)換等處理。

DSP數(shù)字信號(hào)處理主板可對(duì)來源數(shù)據(jù)進(jìn)行智能化處理，通過對(duì)CT/PT輸出的數(shù)字信號(hào)進(jìn)行邏輯運(yùn)算和處理，可對(duì)當(dāng)前線路的工作狀態(tài)進(jìn)行判斷，并具備開關(guān)量輸出等功能。以常用的TMS320F206 DSP芯片為例，如圖3所示，互感器所采集的信號(hào)經(jīng)過TL064電路進(jìn)行放大和A/D轉(zhuǎn)換，然后以數(shù)字信號(hào)形式進(jìn)入DSP主板，在此經(jīng)與各預(yù)設(shè)整定值進(jìn)行比較等邏輯運(yùn)算，最終對(duì)不同支路的漏電情況進(jìn)行判定，判定結(jié)果可由RS-485接口傳輸至上機(jī)位，向技術(shù)人員顯示電網(wǎng)工作狀態(tài)。另外，DSP主板也可直接將故障顯示在帶CPU的網(wǎng)絡(luò)化顯示器上，并驅(qū)動(dòng)繼電器對(duì)故障支路進(jìn)行漏電保護(hù)。

圖3 DSP數(shù)字信號(hào)處理主板功能

3.2 上機(jī)位

上機(jī)位主要具備人機(jī)交互功能，因此包括控制器、顯示器、鍵盤、警示燈等。其中，狀態(tài)顯示功能主要有PLC芯片編程控制，可實(shí)時(shí)輪流顯示當(dāng)前各支路的零序電壓和零序電流值、及工作狀態(tài)。若某支路發(fā)生漏電故障，則顯示器和警示燈同時(shí)反應(yīng)，發(fā)出警告信息，直至故障解除。另外，上機(jī)位還具備對(duì)預(yù)設(shè)整定值修改、控制支路繼電器狀態(tài)等功能，擁有對(duì)整個(gè)選煤廠電力系統(tǒng)安全控制的權(quán)限。

4 軟件設(shè)計(jì)

下機(jī)位軟件設(shè)計(jì)主要針對(duì)DSP主板，包括初始化、定時(shí)中斷和數(shù)據(jù)處理等三部分。其中，初始化程序可對(duì)DSP主板進(jìn)行初始化配置，即按技術(shù)要求設(shè)定初始參量；定時(shí)中斷程序包括采樣定時(shí)中斷和通信中斷兩部分，采樣定時(shí)程序可控制數(shù)模轉(zhuǎn)換器的采樣頻率，按設(shè)定時(shí)間間隔提取零序電壓和零序電流的數(shù)字信號(hào)，通信中斷程序則控制DSP主板與顯示器之間的信息傳輸和刷新頻率；數(shù)據(jù)處理模塊可對(duì)采集的信息進(jìn)行邏輯運(yùn)算，由此判斷是夠發(fā)生漏電故障等。

上機(jī)位軟件可由VB、C++等軟件編制，主要用于顯示各支路的零序電流和電壓等參數(shù)信息，且具備漏電故障報(bào)警、信息存儲(chǔ)和查詢、整定值參數(shù)設(shè)定等功能。

5 結(jié)論

針對(duì)選煤廠高阻接地系統(tǒng)的選擇性漏電保護(hù)問題，本文首先分析了不同漏電保護(hù)原理的優(yōu)缺點(diǎn)，然后對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性更好的零序功率方向防護(hù)法的基本原理進(jìn)行了研究，

并對(duì)零序電壓、零序電流和相位超前角等漏電特征參數(shù)進(jìn)行了計(jì)算，然后根據(jù)實(shí)際情況確定了漏電保護(hù)系統(tǒng)的預(yù)設(shè)整定值，在此基礎(chǔ)上，分別對(duì)該系統(tǒng)上/下機(jī)位的軟件和硬件系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)和功能進(jìn)行了研究，本文研究?jī)?nèi)容對(duì)選煤廠高阻接地漏電保護(hù)系統(tǒng)的構(gòu)建具有積極參考價(jià)值。

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