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        無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)在礦井電網(wǎng)漏電保護(hù)系統(tǒng)中的應(yīng)用研究

        2018-12-05 08:22:38趙躍光
        山東煤炭科技 2018年1期
        關(guān)鍵詞:漏電零序三相

        趙躍光

        (大同煤礦集團(tuán)軒崗煤電有限責(zé)任公司,山西 原平 034114)

        煤礦井下高壓供電系統(tǒng)采用6kV左右電壓,使用過(guò)程中經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)漏電故障,是煤礦生產(chǎn)迫切需要解決的主要問(wèn)題。有線供電網(wǎng)絡(luò)漏電保護(hù)以其低廉的成本被大多數(shù)煤礦使用,但隨著井下用電設(shè)備數(shù)量的增加,有線網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控方式的缺點(diǎn)愈加突顯,不但布置形式混亂,而且有些區(qū)域非常難布置,不能隨用電系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)整,最主要的缺點(diǎn)是有線網(wǎng)絡(luò)方式出現(xiàn)線路損壞時(shí)會(huì)影響漏電故障的監(jiān)測(cè)。一旦出現(xiàn)漏電現(xiàn)象,煤礦井下瓦斯及粉塵等物質(zhì)就隨時(shí)有可能被引爆,所以當(dāng)出現(xiàn)漏電故障時(shí)能夠及時(shí)監(jiān)測(cè)并反饋報(bào)警對(duì)煤礦供電系統(tǒng)尤為重要。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)近年來(lái)發(fā)展迅速,主要的優(yōu)點(diǎn)是不受空間布置的影響,且因其不存在線路連接所以故障率較低。將無(wú)線傳感器技術(shù)應(yīng)用于井下供電漏電保護(hù)系統(tǒng),可以增加保護(hù)系統(tǒng)的監(jiān)控效率和準(zhǔn)確性,并且隨時(shí)可以根據(jù)要求重新布置傳感器的位置,簡(jiǎn)化了漏電保護(hù)系統(tǒng)的線路布置,增加了井下作業(yè)的安全性。本文針對(duì)煤礦高壓供電系統(tǒng),將無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)應(yīng)用于其漏電保護(hù)系統(tǒng),對(duì)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)硬件和軟件進(jìn)行設(shè)計(jì),并驗(yàn)證了系統(tǒng)的可行性。

        1 供電電網(wǎng)漏電分析

        煤礦供電系統(tǒng)中電纜漏電故障占的比重較大,電纜使用過(guò)程中可能會(huì)由于受熱或磨損而破壞絕緣層,發(fā)生單相接地漏電故障時(shí),另外一相電路可能會(huì)擊穿造成短路起火等事故。我國(guó)煤礦電網(wǎng)往往用的是中性點(diǎn)絕緣形式,當(dāng)發(fā)生故障時(shí)仍可短時(shí)間工作,可用于排除故障。采用三相電網(wǎng)的供電電路發(fā)生漏電故障時(shí),會(huì)產(chǎn)生三個(gè)等大同相的電流,被稱為零序電流,漏電保護(hù)裝置可以根據(jù)此電流來(lái)監(jiān)測(cè)是否有漏電情況發(fā)生。

        使用MATLAB軟件可以通過(guò)電路圖建立電網(wǎng)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型,這種模型簡(jiǎn)單方便,并且能直觀地反映問(wèn)題。本文應(yīng)用MATLAB軟件在建立模型的基礎(chǔ)上,對(duì)電網(wǎng)系統(tǒng)單相接地的漏電故障進(jìn)行了電氣仿真。在MATLAB里對(duì)供電電網(wǎng)正常運(yùn)行情況下的模型進(jìn)行仿真,得出無(wú)故障情況下的三相電網(wǎng)電壓及電流特征曲線,如圖1所示。由圖1可以看到正常工況下三相電流及電壓曲線都是對(duì)稱分布的。

        圖1 無(wú)故障工況下三相電路電壓及電流曲線

        對(duì)三相電網(wǎng)其中一端設(shè)置單相接地故障,通過(guò)MATLAB仿真后得出的三相電路特征曲線如圖2所示??梢钥闯霭l(fā)生故障的這相電路對(duì)地電壓迅速降至0,該相電流立即升高成為短路電流,而其余兩相電壓立即升高成為線電壓,電流也有所增加,三相電路特征曲線不再對(duì)稱分布。

        圖2 單相接地故障發(fā)生時(shí)的三相特征曲線

        圖3 故障相接地零序電壓及零序電流

        進(jìn)而再對(duì)發(fā)生單相接地故障的這相電路的零序電壓和零序電流進(jìn)行分析,如圖3所示,由圖可以發(fā)現(xiàn),接地故障發(fā)生后,故障相的零序電壓和電流立即產(chǎn)生,零序電壓相位領(lǐng)先零序電流90°相位。由此可以驗(yàn)證出現(xiàn)單相接地故障時(shí)會(huì)產(chǎn)生零序電壓,可通過(guò)檢測(cè)這一信號(hào)的瞬時(shí)值來(lái)進(jìn)行故障的判定。

        2 漏電保護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

        2.1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

        漏電保護(hù)系統(tǒng)將無(wú)線傳感器安裝在三相電網(wǎng)的各個(gè)支路,如圖4所示,一組傳感器監(jiān)測(cè)一條支路,當(dāng)電路運(yùn)行狀態(tài)出現(xiàn)故障時(shí)及時(shí)處理并發(fā)出警報(bào)信號(hào),傳感器節(jié)點(diǎn)單獨(dú)監(jiān)測(cè)漏電信息,以此降低系統(tǒng)耗能。一旦出現(xiàn)故障,傳感器節(jié)點(diǎn)會(huì)把位置發(fā)給協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn),經(jīng)過(guò)處理后輸送給系統(tǒng)終端設(shè)備顯示。單獨(dú)監(jiān)測(cè)的傳感器比有線網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控傳輸損耗降低,減少了干擾,信號(hào)更加精確。

        圖4 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)保護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

        無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)內(nèi)部主要包括檢測(cè)部分、處理單元及無(wú)線通信電路。通過(guò)內(nèi)部的零序電壓檢測(cè)、收集電路故障的發(fā)生情況,并經(jīng)過(guò)信號(hào)轉(zhuǎn)換后送入處理單元;通過(guò)內(nèi)部微處理器可以將采集到的信號(hào)進(jìn)行處理和管理;通過(guò)無(wú)線通信電路完成處理信號(hào)的傳輸。在處理器的選擇方面,應(yīng)重點(diǎn)考慮其性能及成本等因素,綜合考慮后本次設(shè)計(jì)系統(tǒng)無(wú)線傳感器采用ATMEGA128型單片機(jī)作為處理單元。

        2.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

        本設(shè)計(jì)的核心在于無(wú)線傳感器的數(shù)據(jù)采集程序,經(jīng)過(guò)上述三相電網(wǎng)中性點(diǎn)不接地的故障分析,啟動(dòng)信號(hào)選擇為零序電壓,通過(guò)零序電流對(duì)故障進(jìn)行判定以及相應(yīng)的位置確定,流程圖如圖5所示。

        傳感器通信協(xié)議采用ZigBee協(xié)議棧,通信時(shí)可由內(nèi)部時(shí)間修改運(yùn)行模式。通信開始前應(yīng)設(shè)計(jì)初始化過(guò)程,包括寄存器及信道頻率等。采用網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)定位。

        2.3 網(wǎng)絡(luò)測(cè)試

        創(chuàng)建網(wǎng)絡(luò)成功后,液晶屏?xí)@示輸出網(wǎng)絡(luò)工作正常等信息。開啟無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)后,通過(guò)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)可以發(fā)送節(jié)點(diǎn)位置地址信息,如圖6所示,由此證明了此無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)漏電保護(hù)系統(tǒng)可以正常工作。

        圖5 節(jié)點(diǎn)程序流程圖

        3 結(jié)論

        文章通過(guò)分析當(dāng)前煤礦供電系統(tǒng)的單相接地故障,提出將無(wú)線傳感器技術(shù)應(yīng)用于漏電保護(hù)系統(tǒng)。通過(guò)MATLAB軟件分析了三相電網(wǎng)的漏電情況,得出漏電過(guò)程中出現(xiàn)的一些參數(shù)特征,將此特征作為無(wú)線傳感器監(jiān)測(cè)的要點(diǎn),設(shè)計(jì)了基于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的漏電保護(hù)系統(tǒng)的總體框架,并通過(guò)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了驗(yàn)證,證明此系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確地監(jiān)測(cè)供電系統(tǒng)的單相接地漏電故障,為改善煤礦供電系統(tǒng)漏電保護(hù)的研究提供了參考。

        圖6 系統(tǒng)接收信息

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