礦井低壓電網綜合保護系統的研究

李 凱

（山西西山煤電股份有限公司西曲礦，山西古交 030200）

0 引言

隨著煤礦自動化技術的發展，井下用電設備不斷地增多，井下電壓等級不斷提升，供電系統對于煤礦生產越來越重要。而井下工作環境惡劣，用電設備的負載變化較大，由于操作人員的誤操作或者電路的老化、短線，經常會引起漏電及短路故障，如果不能及時排除，則會產生電弧，在瓦斯濃度或者煤粉濃度較高時，引起爆炸。

在我國，早期的繼電保護裝置都是由電磁型、感應型或電動型繼電器組成的[1]，這些繼電器在礦井生產中得到廣泛的應用，但是，這種保護裝置體積大、動作反應速度慢，不能在故障出現后的第一時間排除故障。本文作者根據礦井低壓電網供電要求，分析常見的故障類型，提出保護原理和動作指標，重點研究選擇性漏電保護和短路保護，選擇MSP40單片機作為主控芯片，設計系統的硬件電路，并根據現場的干擾源，提出相應的抗干擾措施，增加系統的可靠性。

1 礦井低壓電網常見故障分析

1.1 漏電故障

煤礦井下的低壓電網中，大多采用電源中性點絕緣的方式供電，在這種供電情況下，電網對地的電容忽略不計，電網的等效電路如圖1所示。電網中的設備正常運行時，電網上的各相電壓和電阻是相等的。即：Ua=Ub=Uc=UΦ，ra=rb=rc=r其中，Ua、Ub、Uc分別表示電網中a、b、c三相的電壓，UΦ為電源的相電壓；ra、rb、rc表示三相分別對地的絕緣電阻，可以看做是一個星型負載[2]。三相對地電壓與電源處的相電壓相等，變壓器中性點對地的電壓U0=0。

圖1 礦井電網等效圖

當發生人員接觸短路故障時，假設人體的電阻為Rr，此時，人體電阻與C相的對地電阻并聯，C相對地電阻變為此時，A、B、C三相對地電阻不再對稱，此時，變壓器的中性點與地之間出現電位差，中性點對地電壓為U0，根據三相電壓之間的矢量關系和基爾霍夫電流定律，可計算出流過人體的電流

當發生單相接地故障時，接地相的對地電壓為0，其余兩相對地電壓為原來的 3倍，此時，這兩相上的用電設備將承受較高的電壓，可能會破壞電氣設備上的絕緣層。進而引發安全事故。

1.2 短路故障

短路故障是礦井低壓電網中最容易發生的故障之一，當系統中發生短路故障時，系統從安全運行的正常狀態，經過一個暫態過程，轉變為短路故障的穩定狀態，電流由正常值突然增大[3]，本文選取三相短路故障中的一相進行分析，供電系統單線示意圖如圖2所示，A端向B端供電，A處母線電壓為：u=Umsin（ωt+θ），d處出現短路時，電路中的電流增大，短路電流計算：假設該相中的電阻為R，電抗為L，電源容量無限大?？捎嬎愠龆搪冯娏鞯拇笮。?/p>

式中：Idzm為短路電流周期分量幅；Im為短路前負載電流的幅值；φ為短路前回路的阻抗角；θ為短路時電壓的初相角；φd為短路回路阻抗角；Ta為短路回路的時間常數。

圖2 供電系統單線示意圖

2 硬件電路設計

2.1 選擇性漏電保護方案設計

根據零序電流的方向，設計針對礦井低壓電網的漏電保護方案。電路硬件連接如圖3所示。漏電保護裝置監測本線路中的零序電流方向時，以移相前的U˙0為基準，I˙0和 U˙0相位不同時，該支路正常運行； I˙0和 U˙0相位相同時，斷路器跳閘，切斷本條線路的供電。中斷信號發出12 ms以后，如果絕緣電阻的阻值仍然沒有恢復到正常值，則判定為總開關和分開關之間，或者斷路器發生了拒動故障。發出跳閘信號，實現選擇性漏電保護[4]。

圖3 選擇性漏電保護示意圖

2.2 短路保護設計

該三相短路保護采取相敏保護原理。在礦井中，供電系統的運行方式為中性點絕緣運行，當電網中發生三相短路故障時，A、B、C三相中的電壓和電流大小相等、而相位不同。相敏保護中的相位檢測電路硬件結構如圖4所示，電壓互感器將輸入的線電壓U˙BC轉變轉變成為低電壓信號，經過移相、波形轉換，先后得到B相的相電壓U˙B和周期為2П的正脈沖序列。B相的電流I˙B，經過電流互感器和電流電壓的轉換后，再進行波形變換，得到周期為2П的正脈沖序列。得到的B相電壓和電流之后，將兩者進行比相計算，可以得到周期為П，脈寬為相位差的脈沖序列。

圖4 相位檢測硬件原理圖

針對礦井低壓電網中的不對稱故障，可以提取出電網中的負序電流。通過對負序電流幅值大小的判斷，就可以診斷電網中的不對稱故障。當系統中出現不對稱短路時，電路中的負序電流的大小是正常電流的 3倍。因此，當采集到的負序電流的幅值大小事正常值的 3倍時，可以判定發生了不對稱故障，進而通過繼電器執行動作，切斷電網中相關設備的電源。

2.3 通訊電路

為方便對礦井下的設備進行管理，實時掌握礦井中的設備運行情況。在系統中設計串口通信模塊，通過MAX3232芯片，將控制器上的TTL電平轉換為RS-232電平，利用RS-232協議進行數據的傳輸。該芯片的供電電壓為3.3 V，工作時的功耗低，不需要外加驅動電路，具有較高的可靠性[5-6]。

3 電源抗干擾設計

煤礦井下的設備工作環境復雜，存在著各種干擾信號，主要包括：浪涌電壓入侵；高頻電磁場干擾；線路的絕緣不良等。這些干擾信號可能會導致模擬信號的失真，控制信號發生混亂，嚴重時，可導致系統癱瘓。本文作者主要針對電源系統中存在的干擾，指定相關抗干擾措施，提高系統的工作可靠性。

為了防止電源系統引入干擾因素，電源抗感套供電配置如圖5所示，通過電壓互感器將初級電路和次級電路之間的信號進行隔離，提高共?？垢蓴_能力[8]。LPF的作用是吸收電路中的高次諧波，DCR是整流橋，使電路中的交流電壓變成直流電壓，供電給主控制器使用。

圖5 電源抗干擾供電配置

4 總結

以高性能單片機MSP430為中央控制單元，設計一種新型智能綜合保護系統，具有故障檢測、串口通訊、弱電信號輸出的功能。對礦井低壓電網的常見故障進行分析，得出漏電故障和短路故障發生時電路的電氣特性。設計選擇性漏電保護的硬件實現方案，利用相位檢測，判斷三相短路故障，提高礦井供電的可靠性。通過對電路中干擾源的特征分析，指定相應的抗干擾措施，增強系統工作的穩定性。