礦井選擇性漏電保護(hù)裝置的硬件設(shè)計(jì)

李志國(guó)

（汾西礦業(yè)集團(tuán)運(yùn)銷(xiāo)管理中心， 山西 介休 032000）

引言

長(zhǎng)期以來(lái)，國(guó)內(nèi)許多學(xué)者針對(duì)小電流接地系統(tǒng)選線(xiàn)裝置進(jìn)行了大量的研究，不僅在軟件方面提出了許多選線(xiàn)方法，如群體比幅比相法、注入信號(hào)法等等[1-2]，并根據(jù)不同的選線(xiàn)方法研制了實(shí)際裝置，而且在硬件方面也不斷引入新技術(shù)新工具，如96系列的單片機(jī)、80C196單片機(jī)及DSP芯片等。但實(shí)際運(yùn)行結(jié)果表明并不十分理想，因此，對(duì)于進(jìn)一步研究選線(xiàn)裝置是十分必要的[1-3]。

1 選線(xiàn)裝置硬件組成框圖

根據(jù)硬件實(shí)現(xiàn)功能選線(xiàn)裝置大致可以分為數(shù)據(jù)采集和智能控制兩個(gè)部分。根據(jù)智能控制功能，選線(xiàn)裝置大致可以分為單片機(jī)方式和工控機(jī)方式[4]。

目前我們更強(qiáng)調(diào)的是選線(xiàn)裝置的擴(kuò)展性，利用結(jié)合更先進(jìn)的技術(shù)工具，能夠充分發(fā)揮其特點(diǎn)；而且易于選擇性漏電保護(hù)裝置的二次開(kāi)發(fā)，進(jìn)一步提高裝置的選線(xiàn)準(zhǔn)確性，所以我們選用了工控機(jī)方式的故障選線(xiàn)裝置，結(jié)合了研華公司開(kāi)發(fā)的PCI-1716L多功能數(shù)據(jù)采集卡，能夠充分發(fā)揮其計(jì)算能力的特點(diǎn)，提高了數(shù)據(jù)采集的高速性和準(zhǔn)確性，為進(jìn)一步完善裝置的人機(jī)界面和開(kāi)發(fā)選線(xiàn)方法也打下了基礎(chǔ)[5-6]。

圖1所示的是一般的基于單片機(jī)的繼電保護(hù)裝置，包括數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、CPU主系統(tǒng)、開(kāi)關(guān)量輸入/輸出系統(tǒng)、人機(jī)接口與通信系統(tǒng)、電源系統(tǒng)等五個(gè)基本部分組成。本文提出了工控機(jī)結(jié)合PCI-1716L數(shù)據(jù)采集卡的設(shè)計(jì)理念，選用研華IPC-610L型工控機(jī)，主板為PCA-6006LV，CPU為P4 2.4G，有512 MB的內(nèi)存和80 GB的硬盤(pán)空間，支持多個(gè)PCI插槽；PCI-1716L是一款功能強(qiáng)大的低成本多功能PCI總線(xiàn)數(shù)據(jù)采集卡，利用它完成數(shù)據(jù)的采集、A/D轉(zhuǎn)換等功能，在工控機(jī)中進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，完成選線(xiàn)裝置的選線(xiàn)功能。從硬件結(jié)構(gòu)上看，與單片機(jī)方式相比，采用PCI-1716L數(shù)據(jù)采集卡代替了采樣保持、多路轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)及模數(shù)轉(zhuǎn)換等模塊，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)相對(duì)簡(jiǎn)化，從而提高了裝置的可靠性，并且在工控機(jī)方式下也可以進(jìn)一步完善人機(jī)接口界面。

圖1 基于單片機(jī)繼電保護(hù)裝置硬件結(jié)構(gòu)框圖

2 零序信號(hào)的獲取

2.1 零序電壓的獲取

根據(jù)對(duì)稱(chēng)分量法，3U0=UA+UB+UC，即把 A、B、C三相相電壓的相量直接相加，零序電壓的模值就是其合成相量的1/3，方向就是其合成相量的方向。

現(xiàn)場(chǎng)中直接輸入保護(hù)裝置，一般采用三相五柱式電壓互感器以取得零序電壓，如下頁(yè)圖2所示。其中有三個(gè)繞組，第一個(gè)是一次繞組，以“Y”接方式接在6 kV電路上；第二個(gè)繞組是二次繞組，也是“Y”接線(xiàn)方式，通過(guò)它可以知道一次的電壓；第三個(gè)繞組也是二次繞組，是“開(kāi)口三角”接線(xiàn)，正常運(yùn)行時(shí)電壓為零，當(dāng)6 kV系統(tǒng)發(fā)生單相接地時(shí)，會(huì)在開(kāi)口三角處產(chǎn)生電壓。

零序電壓互感器接入保護(hù)裝置時(shí)，應(yīng)注意極性不能接錯(cuò)，電壓互感器的開(kāi)口三角同名端（帶星號(hào)端）接出L，L為消弧線(xiàn)圈的電感，同時(shí)接保護(hù)裝置的同名端3U0*。

2.2 零序電流的獲取

零序電流互感器安裝時(shí)一般套在三相電纜的外面，如下頁(yè)圖3所示。互感器的一側(cè)電流是IA+IB+IC，只當(dāng)一次側(cè)有零序電流時(shí)，在互感器的二次側(cè)才有相應(yīng)的3I0輸出。

圖2 三相五柱式電壓互感器接線(xiàn)示意圖

圖3 零序電流互感器接線(xiàn)示意圖

3 信號(hào)調(diào)理電路模塊的設(shè)計(jì)

3.1 電壓形成回路

數(shù)據(jù)采集卡要求輸入信號(hào)為±5 V或±10 V的電壓信號(hào)，因此，電壓形成回路的主要任務(wù)就是將零序電壓/電流互感器的二次側(cè)輸出量進(jìn)行變換，并將電流量轉(zhuǎn)換為電壓量，以滿(mǎn)足模數(shù)轉(zhuǎn)換器的要求。另外，電壓形成回路還起到了隔離和屏蔽的作用，以減小高壓設(shè)備對(duì)微機(jī)繼電保護(hù)裝置的干擾。本系統(tǒng)選用淄博元星電子有限公司生產(chǎn)的TV31B-02型號(hào)的微型電流型電壓互感器。

TV31B系列電流型電壓互感器使用狀態(tài)為2 mA/2 mA，次級(jí)輸出的mA級(jí)電流信號(hào)經(jīng)外接運(yùn)放I/V轉(zhuǎn)換電路變換為電壓信號(hào)，如圖4所示。

用TV31B-02設(shè)計(jì)一個(gè)交流電壓采樣電路，其額定輸入電壓為100 V，額定輸出電壓為5 V，其電路及其參數(shù)如下：

假設(shè)TV31B-02額定點(diǎn)的角差φc=8'，φc為每只傳感器上標(biāo)的未補(bǔ)償前的相移值，以分為單位。

限流電阻R'：取初級(jí)額定電流為2 mA，R'=100 V/2 mA-0.16 kΩ=49.84 kΩ，選 R'=50 kΩ（1W）。0.16 kΩ為T(mén)V31B的初級(jí)繞組內(nèi)阻值。

反饋電阻R=Vo/Is=5 V/2 mA=2.5 kΩ，如果補(bǔ)償電容C取0.022 μF，則補(bǔ)償電阻r為：

圖4 電壓互感器電壓形成回路原理圖

用該電流互感器設(shè)計(jì)一個(gè)交流電壓采樣的電路，其額定輸入電流為5 A，輸出電壓為5 V，如圖5所示。反饋電路參數(shù)的確定：

圖5 電流互感器電壓形成回路原理圖

其額定點(diǎn)的角差φc=15'；反饋電阻R=Vo/Is=5 V/2.5 mA=2 kΩ；C 選 0.022 μF， 則 補(bǔ) 償 電 阻

3.2 濾波電路

由于本裝置是應(yīng)用于繼電保護(hù)系統(tǒng)中，一旦發(fā)生故障，系統(tǒng)將會(huì)產(chǎn)生相當(dāng)高的高頻分量，而實(shí)際中，本系統(tǒng)中只需提取基波分量以及五次諧波，這些高頻信號(hào)（主要是7次以上的諧波）將會(huì)干擾正常的信號(hào)分析，因而需要一個(gè)RC低通濾波器。將從電壓電流互感器變換過(guò)來(lái)的5 V電壓信號(hào)進(jìn)行濾波處理，才能由數(shù)據(jù)采集卡進(jìn)行采集和工控機(jī)的處理。

4 開(kāi)關(guān)量輸出電路的設(shè)計(jì)

在選線(xiàn)裝置中設(shè)有開(kāi)關(guān)量輸出電路，用于驅(qū)動(dòng)各種繼電器，如跳閘出口繼電器、裝置故障報(bào)警繼電器等。考慮到控制電路的抗干擾能力，采用光電耦合器，電路圖原理如圖6所示。當(dāng)板卡數(shù)字量輸出1通道（管腳13）為高電平時(shí)，經(jīng)與非門(mén)電路之后，輸出為低電平，經(jīng)光電耦合器使驅(qū)動(dòng)晶體管VT導(dǎo)通，出口繼電器K得電吸合。當(dāng)管腳13輸出低電平時(shí)，經(jīng)與非門(mén)電路后輸出高電平，經(jīng)光電耦合器使VT截止，K釋放。

5 結(jié)論

圖6 開(kāi)關(guān)量輸出電路

由于目前強(qiáng)調(diào)的是選線(xiàn)算法的準(zhǔn)確性以及選線(xiàn)裝置的擴(kuò)展性，因此，在比較單片機(jī)實(shí)現(xiàn)方式和工控機(jī)實(shí)現(xiàn)方式各自特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)本裝置選用工控機(jī)方式，充分利用工控機(jī)方式擴(kuò)展能力強(qiáng)的特點(diǎn)，結(jié)合PCI-1716L高速數(shù)據(jù)采集的優(yōu)點(diǎn)，為以后選線(xiàn)裝置的升級(jí)、完善打下基礎(chǔ)。