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        無線傳感器網絡在礦井電網漏電保護系統(tǒng)中的應用研究

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

        趙躍光

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

        煤礦井下高壓供電系統(tǒng)采用6kV左右電壓,使用過程中經常會出現漏電故障,是煤礦生產迫切需要解決的主要問題。有線供電網絡漏電保護以其低廉的成本被大多數煤礦使用,但隨著井下用電設備數量的增加,有線網絡監(jiān)控方式的缺點愈加突顯,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)進行調整,最主要的缺點是有線網絡方式出現線路損壞時會影響漏電故障的監(jiān)測。一旦出現漏電現象,煤礦井下瓦斯及粉塵等物質就隨時有可能被引爆,所以當出現漏電故障時能夠及時監(jiān)測并反饋報警對煤礦供電系統(tǒng)尤為重要。無線傳感器網絡技術近年來發(fā)展迅速,主要的優(yōu)點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。將無線傳感器技術應用于井下供電漏電保護系統(tǒng),可以增加保護系統(tǒng)的監(jiān)控效率和準確性,并且隨時可以根據要求重新布置傳感器的位置,簡化了漏電保護系統(tǒng)的線路布置,增加了井下作業(yè)的安全性。本文針對煤礦高壓供電系統(tǒng),將無線傳感器網絡技術應用于其漏電保護系統(tǒng),對無線網絡硬件和軟件進行設計,并驗證了系統(tǒng)的可行性。

        1 供電電網漏電分析

        煤礦供電系統(tǒng)中電纜漏電故障占的比重較大,電纜使用過程中可能會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,另外一相電路可能會擊穿造成短路起火等事故。我國煤礦電網往往用的是中性點絕緣形式,當發(fā)生故障時仍可短時間工作,可用于排除故障。采用三相電網的供電電路發(fā)生漏電故障時,會產生三個等大同相的電流,被稱為零序電流,漏電保護裝置可以根據此電流來監(jiān)測是否有漏電情況發(fā)生。

        使用MATLAB軟件可以通過電路圖建立電網系統(tǒng)的數學模型,這種模型簡單方便,并且能直觀地反映問題。本文應用MATLAB軟件在建立模型的基礎上,對電網系統(tǒng)單相接地的漏電故障進行了電氣仿真。在MATLAB里對供電電網正常運行情況下的模型進行仿真,得出無故障情況下的三相電網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稱分布的。

        圖1 無故障工況下三相電路電壓及電流曲線

        對三相電網其中一端設置單相接地故障,通過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稱分布。

        圖2 單相接地故障發(fā)生時的三相特征曲線

        圖3 故障相接地零序電壓及零序電流

        進而再對發(fā)生單相接地故障的這相電路的零序電壓和零序電流進行分析,如圖3所示,由圖可以發(fā)現,接地故障發(fā)生后,故障相的零序電壓和電流立即產生,零序電壓相位領先零序電流90°相位。由此可以驗證出現單相接地故障時會產生零序電壓,可通過檢測這一信號的瞬時值來進行故障的判定。

        2 漏電保護系統(tǒng)設計

        2.1 系統(tǒng)硬件設計

        漏電保護系統(tǒng)將無線傳感器安裝在三相電網的各個支路,如圖4所示,一組傳感器監(jiān)測一條支路,當電路運行狀態(tài)出現故障時及時處理并發(fā)出警報信號,傳感器節(jié)點單獨監(jiān)測漏電信息,以此降低系統(tǒng)耗能。一旦出現故障,傳感器節(jié)點會把位置發(fā)給協(xié)調器節(jié)點,經過處理后輸送給系統(tǒng)終端設備顯示。單獨監(jiān)測的傳感器比有線網絡監(jiān)控傳輸損耗降低,減少了干擾,信號更加精確。

        圖4 無線傳感器網絡保護系統(tǒng)設計

        無線傳感器節(jié)點內部主要包括檢測部分、處理單元及無線通信電路。通過內部的零序電壓檢測、收集電路故障的發(fā)生情況,并經過信號轉換后送入處理單元;通過內部微處理器可以將采集到的信號進行處理和管理;通過無線通信電路完成處理信號的傳輸。在處理器的選擇方面,應重點考慮其性能及成本等因素,綜合考慮后本次設計系統(tǒng)無線傳感器采用ATMEGA128型單片機作為處理單元。

        2.2 系統(tǒng)軟件設計

        本設計的核心在于無線傳感器的數據采集程序,經過上述三相電網中性點不接地的故障分析,啟動信號選擇為零序電壓,通過零序電流對故障進行判定以及相應的位置確定,流程圖如圖5所示。

        傳感器通信協(xié)議采用ZigBee協(xié)議棧,通信時可由內部時間修改運行模式。通信開始前應設計初始化過程,包括寄存器及信道頻率等。采用網絡節(jié)點定位。

        2.3 網絡測試

        創(chuàng)建網絡成功后,液晶屏會顯示輸出網絡工作正常等信息。開啟無線傳感器節(jié)點后,通過網絡節(jié)點可以發(fā)送節(jié)點位置地址信息,如圖6所示,由此證明了此無線傳感器網絡漏電保護系統(tǒng)可以正常工作。

        圖5 節(jié)點程序流程圖

        3 結論

        文章通過分析當前煤礦供電系統(tǒng)的單相接地故障,提出將無線傳感器技術應用于漏電保護系統(tǒng)。通過MATLAB軟件分析了三相電網的漏電情況,得出漏電過程中出現的一些參數特征,將此特征作為無線傳感器監(jiān)測的要點,設計了基于無線傳感器網絡的漏電保護系統(tǒng)的總體框架,并通過實驗進行了驗證,證明此系統(tǒng)能夠準確地監(jiān)測供電系統(tǒng)的單相接地漏電故障,為改善煤礦供電系統(tǒng)漏電保護的研究提供了參考。

        圖6 系統(tǒng)接收信息

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