李 凱
(山西西山煤電股份有限公司西曲礦,山西古交 030200)
隨著煤礦自動(dòng)化技術(shù)的發(fā)展,井下用電設(shè)備不斷地增多,井下電壓等級(jí)不斷提升,供電系統(tǒng)對(duì)于煤礦生產(chǎn)越來(lái)越重要。而井下工作環(huán)境惡劣,用電設(shè)備的負(fù)載變化較大,由于操作人員的誤操作或者電路的老化、短線,經(jīng)常會(huì)引起漏電及短路故障,如果不能及時(shí)排除,則會(huì)產(chǎn)生電弧,在瓦斯?jié)舛然蛘呙悍蹪舛容^高時(shí),引起爆炸。
在我國(guó),早期的繼電保護(hù)裝置都是由電磁型、感應(yīng)型或電動(dòng)型繼電器組成的[1],這些繼電器在礦井生產(chǎn)中得到廣泛的應(yīng)用,但是,這種保護(hù)裝置體積大、動(dòng)作反應(yīng)速度慢,不能在故障出現(xiàn)后的第一時(shí)間排除故障。本文作者根據(jù)礦井低壓電網(wǎng)供電要求,分析常見(jiàn)的故障類(lèi)型,提出保護(hù)原理和動(dòng)作指標(biāo),重點(diǎn)研究選擇性漏電保護(hù)和短路保護(hù),選擇MSP40單片機(jī)作為主控芯片,設(shè)計(jì)系統(tǒng)的硬件電路,并根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的干擾源,提出相應(yīng)的抗干擾措施,增加系統(tǒng)的可靠性。
煤礦井下的低壓電網(wǎng)中,大多采用電源中性點(diǎn)絕緣的方式供電,在這種供電情況下,電網(wǎng)對(duì)地的電容忽略不計(jì),電網(wǎng)的等效電路如圖1所示。電網(wǎng)中的設(shè)備正常運(yùn)行時(shí),電網(wǎng)上的各相電壓和電阻是相等的。即:Ua=Ub=Uc=UΦ,ra=rb=rc=r其中,Ua、Ub、Uc分別表示電網(wǎng)中a、b、c三相的電壓,UΦ為電源的相電壓;ra、rb、rc表示三相分別對(duì)地的絕緣電阻,可以看做是一個(gè)星型負(fù)載[2]。三相對(duì)地電壓與電源處的相電壓相等,變壓器中性點(diǎn)對(duì)地的電壓U0=0。
圖1 礦井電網(wǎng)等效圖
當(dāng)發(fā)生人員接觸短路故障時(shí),假設(shè)人體的電阻為Rr,此時(shí),人體電阻與C相的對(duì)地電阻并聯(lián),C相對(duì)地電阻變?yōu)榇藭r(shí),A、B、C三相對(duì)地電阻不再對(duì)稱(chēng),此時(shí),變壓器的中性點(diǎn)與地之間出現(xiàn)電位差,中性點(diǎn)對(duì)地電壓為U0,根據(jù)三相電壓之間的矢量關(guān)系和基爾霍夫電流定律,可計(jì)算出流過(guò)人體的電流
當(dāng)發(fā)生單相接地故障時(shí),接地相的對(duì)地電壓為0,其余兩相對(duì)地電壓為原來(lái)的 3倍,此時(shí),這兩相上的用電設(shè)備將承受較高的電壓,可能會(huì)破壞電氣設(shè)備上的絕緣層。進(jìn)而引發(fā)安全事故。
短路故障是礦井低壓電網(wǎng)中最容易發(fā)生的故障之一,當(dāng)系統(tǒng)中發(fā)生短路故障時(shí),系統(tǒng)從安全運(yùn)行的正常狀態(tài),經(jīng)過(guò)一個(gè)暫態(tài)過(guò)程,轉(zhuǎn)變?yōu)槎搪饭收系姆€(wěn)定狀態(tài),電流由正常值突然增大[3],本文選取三相短路故障中的一相進(jìn)行分析,供電系統(tǒng)單線示意圖如圖2所示,A端向B端供電,A處母線電壓為:u=Umsin(ωt+θ),d處出現(xiàn)短路時(shí),電路中的電流增大,短路電流計(jì)算:假設(shè)該相中的電阻為R,電抗為L(zhǎng),電源容量無(wú)限大。可計(jì)算出短路電流的大?。?/p>
式中:Idzm為短路電流周期分量幅;Im為短路前負(fù)載電流的幅值;φ為短路前回路的阻抗角;θ為短路時(shí)電壓的初相角;φd為短路回路阻抗角;Ta為短路回路的時(shí)間常數(shù)。
圖2 供電系統(tǒng)單線示意圖
根據(jù)零序電流的方向,設(shè)計(jì)針對(duì)礦井低壓電網(wǎng)的漏電保護(hù)方案。電路硬件連接如圖3所示。漏電保護(hù)裝置監(jiān)測(cè)本線路中的零序電流方向時(shí),以移相前的U˙0為基準(zhǔn),I˙0和 U˙0相位不同時(shí),該支路正常運(yùn)行; I˙0和 U˙0相位相同時(shí),斷路器跳閘,切斷本條線路的供電。中斷信號(hào)發(fā)出12 ms以后,如果絕緣電阻的阻值仍然沒(méi)有恢復(fù)到正常值,則判定為總開(kāi)關(guān)和分開(kāi)關(guān)之間,或者斷路器發(fā)生了拒動(dòng)故障。發(fā)出跳閘信號(hào),實(shí)現(xiàn)選擇性漏電保護(hù)[4]。
圖3 選擇性漏電保護(hù)示意圖
該三相短路保護(hù)采取相敏保護(hù)原理。在礦井中,供電系統(tǒng)的運(yùn)行方式為中性點(diǎn)絕緣運(yùn)行,當(dāng)電網(wǎng)中發(fā)生三相短路故障時(shí),A、B、C三相中的電壓和電流大小相等、而相位不同。相敏保護(hù)中的相位檢測(cè)電路硬件結(jié)構(gòu)如圖4所示,電壓互感器將輸入的線電壓U˙BC轉(zhuǎn)變轉(zhuǎn)變成為低電壓信號(hào),經(jīng)過(guò)移相、波形轉(zhuǎn)換,先后得到B相的相電壓U˙B和周期為2П的正脈沖序列。B相的電流I˙B,經(jīng)過(guò)電流互感器和電流電壓的轉(zhuǎn)換后,再進(jìn)行波形變換,得到周期為2П的正脈沖序列。得到的B相電壓和電流之后,將兩者進(jìn)行比相計(jì)算,可以得到周期為П,脈寬為相位差的脈沖序列。
圖4 相位檢測(cè)硬件原理圖
針對(duì)礦井低壓電網(wǎng)中的不對(duì)稱(chēng)故障,可以提取出電網(wǎng)中的負(fù)序電流。通過(guò)對(duì)負(fù)序電流幅值大小的判斷,就可以診斷電網(wǎng)中的不對(duì)稱(chēng)故障。當(dāng)系統(tǒng)中出現(xiàn)不對(duì)稱(chēng)短路時(shí),電路中的負(fù)序電流的大小是正常電流的 3倍。因此,當(dāng)采集到的負(fù)序電流的幅值大小事正常值的 3倍時(shí),可以判定發(fā)生了不對(duì)稱(chēng)故障,進(jìn)而通過(guò)繼電器執(zhí)行動(dòng)作,切斷電網(wǎng)中相關(guān)設(shè)備的電源。
為方便對(duì)礦井下的設(shè)備進(jìn)行管理,實(shí)時(shí)掌握礦井中的設(shè)備運(yùn)行情況。在系統(tǒng)中設(shè)計(jì)串口通信模塊,通過(guò)MAX3232芯片,將控制器上的TTL電平轉(zhuǎn)換為RS-232電平,利用RS-232協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸。該芯片的供電電壓為3.3 V,工作時(shí)的功耗低,不需要外加驅(qū)動(dòng)電路,具有較高的可靠性[5-6]。
煤礦井下的設(shè)備工作環(huán)境復(fù)雜,存在著各種干擾信號(hào),主要包括:浪涌電壓入侵;高頻電磁場(chǎng)干擾;線路的絕緣不良等。這些干擾信號(hào)可能會(huì)導(dǎo)致模擬信號(hào)的失真,控制信號(hào)發(fā)生混亂,嚴(yán)重時(shí),可導(dǎo)致系統(tǒng)癱瘓。本文作者主要針對(duì)電源系統(tǒng)中存在的干擾,指定相關(guān)抗干擾措施,提高系統(tǒng)的工作可靠性。
為了防止電源系統(tǒng)引入干擾因素,電源抗感套供電配置如圖5所示,通過(guò)電壓互感器將初級(jí)電路和次級(jí)電路之間的信號(hào)進(jìn)行隔離,提高共??垢蓴_能力[8]。LPF的作用是吸收電路中的高次諧波,DCR是整流橋,使電路中的交流電壓變成直流電壓,供電給主控制器使用。
圖5 電源抗干擾供電配置
以高性能單片機(jī)MSP430為中央控制單元,設(shè)計(jì)一種新型智能綜合保護(hù)系統(tǒng),具有故障檢測(cè)、串口通訊、弱電信號(hào)輸出的功能。對(duì)礦井低壓電網(wǎng)的常見(jiàn)故障進(jìn)行分析,得出漏電故障和短路故障發(fā)生時(shí)電路的電氣特性。設(shè)計(jì)選擇性漏電保護(hù)的硬件實(shí)現(xiàn)方案,利用相位檢測(cè),判斷三相短路故障,提高礦井供電的可靠性。通過(guò)對(duì)電路中干擾源的特征分析,指定相應(yīng)的抗干擾措施,增強(qiáng)系統(tǒng)工作的穩(wěn)定性。