鄭慶樂， 榮相， 楊帆， 李瑞

(1.中煤科工集團常州研究院有限公司， 江蘇 常州 213015； 2.天地(常州)自動化股份有限公司， 江蘇 常州 213015)

0 引言

當前我國煤礦井下采掘工作面多設(shè)置有移動變電站，為滿足現(xiàn)場使用需求，通常在移動變電站低壓側(cè)安裝饋電總開關(guān)[1]。饋電總開關(guān)中零序電抗器會對低壓電網(wǎng)進行補償，根據(jù)零序電抗器對電網(wǎng)補償程度的不同可分為欠補償、全補償和過補償3種狀態(tài)[2]。目前煤礦低壓電網(wǎng)漏電保護裝置多采用零序功率方向選線原理，即利用故障支路零序電流超前零序電壓90°、非故障支路零序電流滯后零序電壓90°的原理實現(xiàn)保護[3-6]。該保護原理是建立在電網(wǎng)零序等效阻抗為純?nèi)菪缘幕A(chǔ)上[7-9]，而零序電抗器的補償改變了電網(wǎng)等效阻抗[10-11]，使故障支路零序電流幅值更小且相位發(fā)生變化，導(dǎo)致漏電保護裝置可靠性降低。本文設(shè)計了一種礦用低壓漏電保護裝置，該裝置通過采集零序電壓和支路零序電流，比較各支路零序電流與零序電壓相位差，以此作為故障選線判據(jù)。

1 裝置工作原理

圖1 零序電抗器并聯(lián)電阻接地系統(tǒng)發(fā)生單相接地 故障時零序等效網(wǎng)絡(luò)Fig.1 Zero-sequence equivalent network when single-phase grounding fault occurs in zero-sequence reactor grounding system with parallel resistance

根據(jù)圖1，由基爾霍夫定律可得

(1)

(2)

由式(1)、式(2)可知，非故障支路、故障支路的零序電流和零序電壓相位差有明顯區(qū)別，因此可得以下故障選線判據(jù)。

(1) 受支路絕緣電阻的影響，非故障支路零序電流與零序電壓相位差小于90°，位于第二象限。

(2) 受零序電抗器及并聯(lián)電阻的影響，過補償時故障支路零序電流超前零序電壓大于90°，位于第三象限；欠補償時故障支路零序電流滯后零序電壓大于90°，位于第四象限；全補償時故障支路零序電流與零序電壓方向相反。

2 裝置硬件設(shè)計

礦用低壓漏電保護裝置由信號調(diào)理電路、數(shù)據(jù)采集處理電路、執(zhí)行電路和人機交互電路組成，如圖2所示。信號調(diào)理電路對零序電流和零序電壓信號進行隔離和幅值線性調(diào)整；數(shù)據(jù)采集處理電路通過采集、處理信號調(diào)理電路輸出信號，進行故障判斷；執(zhí)行電路負責驅(qū)動繼電器執(zhí)行核心處理器跳閘指令；人機交互電路負責按鍵輸入與實時數(shù)據(jù)顯示。

圖2 礦用低壓漏電保護裝置硬件結(jié)構(gòu)Fig.2 Hardware structure of mine-used low-voltage leakage protection device

2.1 信號調(diào)理電路

信號調(diào)理電路如圖3所示。電路信號輸入端口使用濾波電容和鉗位二極管進行保護，信號輸出端口使用電容濾波抑制差模干擾和共模干擾。為減小信號衰減、增強抗干擾能力，采用高精度的TV1005-1M型微型精密交流電壓互感器CT1，CT2進行隔離。

圖3 信號調(diào)理電路Fig.3 Signal conditioning circuit

2.2 數(shù)據(jù)采集處理電路

數(shù)據(jù)采集處理電路如圖4所示。電能計量芯片CS5463與處理器LPC1768通過SPI總線通信，數(shù)據(jù)總線與復(fù)位信號、中斷信號之間分別使用磁耦A(yù)DUM1401，ADUM1201進行隔離。

2.3 執(zhí)行電路

執(zhí)行電路如圖5所示。LPC1768通過模擬SPI時序?qū)⒖刂泼钏椭烈莆患拇嫫?4HC595。為確保繼電器可靠動作，使用達林頓管ULN2004驅(qū)動繼電器。74HC595與ULN2004之間使用光耦PC817進行隔離，降低外部干擾對電路的影響。為防止上電造成74HC595誤輸出，74HC595使能控制引腳上拉，同時LPC1768控制引腳在完成初始化后與74HC595使能控制引腳連接。

圖4 數(shù)據(jù)采集處理電路
Fig.4 Data acquisition and processing circuit

圖5 執(zhí)行電路Fig.5 Execution circuit

2.4 人機交互電路

人機交互電路包括按鍵輸入電路和液晶接口電路，如圖6所示。圖6(a)中，外部按鍵經(jīng)光耦PC817B隔離后接入移位寄存器74HC165，LPC1768通過讀取74HC165引腳狀態(tài)來識別按鍵狀態(tài)。圖6(b)中，LPC1768通過串口將數(shù)據(jù)以TTL信號方式傳輸至液晶屏；邏輯芯片74HC14對信號進行緩沖、整形；LPC1768通過I/O引腳控制MOS管Q2，實現(xiàn)對液晶屏電源的控制。

(a) 按鍵輸入電路

(b) 液晶接口電路

3 裝置軟件設(shè)計

礦用低壓漏電保護裝置軟件由主程序、漏電保護子程序、人機交互子程序組成：主程序負責硬件初始化和子程序調(diào)度；漏電保護子程序負責零序電壓和零序電流幅值與相位差計算、故障判斷、動作執(zhí)行；人機交互子程序負責參數(shù)整定和實時數(shù)據(jù)顯示。其中漏電保護子程序流程如圖7所示。

圖7 漏電保護子程序流程Fig.7 Leakage protection subprogram flow

漏電保護子程序中零序電壓和零序電流幅值與相位差計算過程如下。

(1) 幅值計算。電壓、電流信號有效值分別達到零序電抗器、零序電流互感器輸出側(cè)最大值時，CS5463電壓、電流通道管腳電壓和CS5463電壓、電流有效值寄存器數(shù)據(jù)出現(xiàn)最大值，此時得到電壓、電流信號有效值與CS5463電壓、電流有效值寄存器數(shù)據(jù)之間的對應(yīng)關(guān)系，據(jù)此即可計算出信號幅值。

(3)

式中：Ur為零序電抗器輸出信號有效值；Urms為CS5463電壓有效值寄存器數(shù)據(jù)；UM為Ur最大值；Ui為CS5463電壓通道輸入信號最大值；D為校正比例，取D=1/4[12]；Ir為零序電流互感器輸出信號有效值；Irms為CS5463電流有效值寄存器數(shù)據(jù)；IM為Ir最大值；Ii為CS5463電流通道輸入信號最大值。

(2) 相位差計算。根據(jù)CS5463功率因數(shù)寄存器數(shù)據(jù)λ計算零序電壓、零序電流之間相位差：

(4)

根據(jù)無功功率寄存器數(shù)據(jù)Q確定零序電壓、零序電流的相位差：Q>0，表明零序電流滯后零序電壓；Q<0，表明零序電流超前零序電壓。

4 仿真驗證

根據(jù)圖1搭建Simulink仿真模型，設(shè)置R1=R2=R3=20 MΩ，R=RD=1 kΩ，L=7.992 H，仿真時長為0.1 s，0.02 s時發(fā)生單相接地故障。當模型分別處在過補償、欠補償、全補償狀態(tài)時，以零序電壓相位為基準，仿真計算得到故障支路、非故障支路零序電流與零序電壓相位差，見表1(數(shù)據(jù)小于0表示零序電流超前零序電壓；數(shù)據(jù)大于0表示零序電流滯后零序電壓)。

表1 零序電流與零序電壓相位差仿真結(jié)果Table 1 Simulation results of phase difference between zero-sequence current and zero-sequence voltage

從表1可看出，模型處在不同補償狀態(tài)時，非故障支路零序電流均超前零序電壓90°左右；當模型處于過補償狀態(tài)時，故障支路零序電流超前零序電壓大于90°；當模型處于欠補償狀態(tài)時，故障支路零序電流滯后零序電壓大于90°；當模型處于全補償狀態(tài)時，故障支路零序電流與零序電壓相位相反。仿真結(jié)果與理論分析所得故障選線判據(jù)一致。

5 試驗驗證

為測試礦用低壓漏電保護裝置在諧波干擾條件下的測量精度，使用NR802微機繼電保護測試儀進行諧波干擾測試。由于電網(wǎng)中的電氣信號以基波及奇次諧波為主[13-14]，施加干擾為奇次諧波，且奇次諧波幅值與基波幅值之比等于諧波次數(shù)的倒數(shù)[15]。測試結(jié)果見表2。

表2 諧波干擾測試結(jié)果Table 2 Harmonic interference test results

從表2可看出，保護裝置相位測量偏差小于4°，幅值測量相對誤差小于5%，動作時間滿足MT 871—2011《礦用防爆低壓交流真空饋電開關(guān)》中主電路漏電保護動作時間小于50 ms的要求。

為測試保護裝置的可靠性，使用1 140 V漏電保護綜合試驗臺(圖8)進行試驗。

設(shè)置零序電抗器并聯(lián)電阻、過渡電阻為1 kΩ。過補償和欠補償狀態(tài)下，在電源側(cè)投入過渡電阻模擬單相接地故障時，保護裝置測量結(jié)果為非故障支路零序電流與零序電壓相位差，負荷側(cè)投入過渡電阻模擬單相接地故障時，保護裝置測量結(jié)果為故障支路零序電流與零序電壓相位差，見表3?？煽闯鲈谶^補償與欠補償狀態(tài)下，保護裝置均能可靠動作。

圖8 漏電保護綜合試驗臺Fig.8 Comprehensive test bench for leakage protection

表3 零序電流與零序電壓相位差試驗結(jié)果Table 3 Test results of phase difference between zero-sequence current and zero-sequence voltage

6 結(jié)語

提出了以非故障支路、故障支路零序電流與零序電壓相位差的差異性作為故障選線判據(jù)，介紹了基于該判據(jù)的礦用低壓漏電保護裝置的軟硬件設(shè)計方案。仿真及試驗結(jié)果表明，該裝置理論依據(jù)正確，發(fā)生單相接地故障時能夠快速、可靠動作。