煤礦井下低壓電網選擇性漏電保護的仿真研究

趙波　關微　郭洪月　張津銘　張玉良　陳明非

摘 要：針對目前各種選擇性漏電保護存在的問題，研發了一種以C8051F040單片機為核心，運用總開關支路基于附加直流電源漏電檢測原理、分開關支路基于零序功率方向漏電檢測原理的選擇性漏電保護系統。經試驗驗證，該漏電保護系統可靠、方便、有效、安全、穩定、性價比高，供電線路通過檢測零序電流信號，可有選擇性地關斷漏電的線路，不必切斷整個供電網絡，實現了供電最優化。

關鍵詞：選擇性漏電保護；附加直流電源；單片機；檢測原理

中圖分類號：TP368.1 文獻標識碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2016.01.014

煤礦井下漏電故障約占井下供電系統總故障的70%，該故障不僅會引發人身觸電傷亡，還會導致瓦斯、煤塵爆炸，甚至提前引爆電氣雷管。因此，裝設漏電保護裝置對礦井的安全生產極為重要。目前，我國井下低壓電網廣泛采用基于附加直流電源原理的非選擇性裝置，存在原理單一、動作無選擇性、易誤動作等缺陷。

采用本文提出的新型選擇性漏電保護檢測方法，當電網某一支路發生漏電故障時，能有選擇性地發出故障信號或切斷故障支路電源，不必切斷整個供電網絡，從而保證了非漏電故障支路的持續運行，縮小了故障停電范圍，便于尋找漏電位置，縮短了停電時間，有利于提高生產效率和供電可靠性，滿足了選擇性、速動性、靈敏性和可靠性等要求，實現了供電最優化。

1 井下低壓電網選擇性漏電檢測原理

針對我國礦井低壓電網變壓器具有的中性點不接地的特點，對基于零序電流方向的選擇性漏電保護裝置進行了改進——在電網的主支路上附加了運用直流電源保護原理的漏電裝置，在電網的分支路附加了運用零序功率方向保護原理的漏電裝置。選擇性漏電保護的判斷機制基于零序電流、零序電流與零序電壓的相位比。零序電流和零序電壓的相位采用硬件判斷，零序電流采用硬件整流，微處理器只進行直流采樣和脈寬測量即可，軟件算法簡潔，系統判斷速度較快。 該系統以C8051F040單片機為核心，開關電源直接供電，零序電流和零序電壓的相位送至微處理器的PCA；整流后的附加直流電源的電壓信號和零序電流信號送入A/D轉換器；單片機的I/O口連接有按鍵和顯示模塊；單片機SPI接口連接有信息存儲模塊；單片機IIC接口可實時接受時鐘信號。系統判斷存在漏電故障時，控制器會發出指令，驅動模塊驅動斷路器分閘，電源被切斷。該系統的選擇性漏電保護原理如圖1所示。

1.1 總開關支路附加直流電源檢測法

附加直流電源法漏電檢測硬件結構如圖2所示。在圖2中，獨立的直流電源附加在三相電網與大地間，由于三相電抗器的電阻非常小，采樣電阻R1上的直流電流值直接反映了電網對地絕緣電阻的變化，檢測和利用該電流能實現附加直流電源檢測漏電保護。

由于電網運行中存在的雜波分量會影響檢測的可靠性，因此，在采樣電阻R1后級加了有源低通濾波器，通過 Pspice 仿真得到的頻率響應曲線如圖3所示。其截止頻率為6 Hz，實現了通過直流濾除雜波的目的。

濾波后的漏電信號通過線性光耦器HCRN200可實現被測電路與測試電路的電氣隔離，從而減少噪聲對被測試電路的影響。附加直流源法的動作電阻值和零序電流的動作電阻值可根據井下現場的具體情況確定。

1.2 分開關支路零序功率方向檢測法

井下電網電纜的對地絕緣電阻非常大，電網對地的阻抗主要表現為容抗。故障支路的零序電流相位滯后于零序電壓90°～180°，主要通過零序電壓和零序電流的相位信息判斷漏電故障。零序功率方向法漏電保護的硬件結構如圖4所示。

零序電壓通過三相電抗器人為中性點上端連接的電阻獲得，信號通過無源、有源濾波衰減后，再經移相、整形、光耦隔離后與零序電流信號接通，最后送入微處理器的脈寬測量單元。零序電流通過三相線上套入零序電流互感器獲得電壓信號，信號經放大、濾波后分為兩路：一路通過方波整形、光耦隔離后與零序電壓信號接通，最后送入脈寬測量單元；另一路通過整流、線性光耦隔離后送入微處理器的A/D采樣單元。對于零序電流互感器而言，當負載為1.98 kΩ時，線性度最好，測試結構如圖5所示。

2 選擇性漏電保護的實現

2.1 硬件設計

采用SILICON LABORATORIES公司的C8051F040 系列單片機，該系列器件屬于混合信號片的系統型MCU，具有64個數字I/O引腳，片內集成了1個CAN2.0B控制器，采用外部晶體振蕩的方式，晶振頻率為22 MHz；人機交互功能通過按鍵和液晶顯示屏完成；按鍵分別有合閘、分閘、移位加、移位減、確定和菜單六個鍵；系統包括反相保護、光耦隔離、脈沖整形三部分電路，抗外界干擾能力強、可靠性高、防抖動，非常適合在井下的惡劣環境中使用；系統選用ST7920控制器系列的中文圖形液晶屏，分辨率為128×64點陣，內置8 192個漢字（16×16點陣）、128 個字符（8×16點陣），可與CPU直接連接；存儲芯片采用ST公司的高速8 Mbit串行M25P80，具有整體擦除、扇區擦除、頁編程指令和寫保護等功能；實時時鐘芯片采用ST公司的低功耗串行計時器M41T0。系統內部結構如圖6所示。

當系統檢測到電網發生漏電故障時，微處理器發出跳閘指令，通過輸出驅動電路動作中間繼電器，可使斷路器脫扣，微處理器I/O口與斷路器進行光電耦合、電氣隔離。微處理器發出的信號經過光耦隔離后，可控制中間繼電器的啟閉。

2.2 軟件設計

附加直流電源法的軟件部分包含三部分，分別為漏電電阻值的校準、漏電動作電阻值的標定和漏電故障的判斷。漏電電阻值的校準采用分段線性擬合法，微控制器的A/D 可在電阻箱模擬電網漏電電阻0～100 kΩ的區間內采集取20 個點，并通過軟件計算出每兩個采樣點間的線性度K。在系統判斷電網是否漏電時，會通過19個K值計算，從而得到當前電網的絕緣電阻值。零序功率方向法的軟件部分包含零序電流幅值現場標定和漏電分支故障判斷兩方面。如果發生漏電故障，硬件電路會產生零序相位脈沖，并啟動PCA捕獲中斷信息；如果零序相位脈沖時間>5 ms，則根據零序電流幅值判斷。零序電流幅值大于標定值時，系統會認定該支路發生漏電故障，并進入漏點故障處理模塊；反之，軟件跳出中斷模式，重新等待PCA中斷。