專利名稱：礦井低壓供電系統(tǒng)選擇性漏電保護(hù)裝置及保護(hù)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及漏電保護(hù)技術(shù)，應(yīng)用于礦井中性點不接地的低壓供電系統(tǒng)選擇性漏電保護(hù)。
背景技術(shù)：
煤礦生產(chǎn)主要在井下進(jìn)行，大部分供電線路采用電纜供電，由于井下空間狹小，環(huán)境惡劣，陰暗潮濕，所以供電電纜的受潮和機械損傷都很容易使電纜發(fā)生單相漏電故障。因單相漏電而出現(xiàn)過電壓的機率也就變大，加上井下電纜潮濕和易受到硬壓擠碰、電纜絕緣情況比地面上差，承受過電壓的能力也就變差。當(dāng)煤礦供電電網(wǎng)發(fā)生單相漏電故障特別是單相接地時，在接地處極易引起電弧接地過電壓，很可能擊穿供電電纜的絕緣薄弱處，造成兩相接地短路并且還可能導(dǎo)致瓦斯、煤塵爆炸，甚至使電氣雷管提前引爆。此外，漏電流還容易導(dǎo)致人身觸電事故，影響煤礦生產(chǎn)安全，長期漏電流的存在也會燒毀電氣設(shè)備。煤礦井下低壓供電系統(tǒng)的常用漏電保護(hù)方法有附加直流源法、零序電流幅值比較法、群體比幅比相法、零序功率方向法等。附加直流源法是在三相電網(wǎng)中附加一個獨立的直流電源，使之作用于三相電網(wǎng)和大地之間，然后測量流過三相對地的絕緣電阻上的直流電流值的大小變化反映電網(wǎng)對地絕緣電阻的變化來進(jìn)行漏電事故的檢測；零序功率方向法就是通過判斷零序功率的方向來判斷故障線路。由于大多數(shù)礦井低壓供電系統(tǒng)多采用單一的漏電保護(hù)方法，所以目前選擇性漏電保護(hù)在我國礦井下低壓供電系統(tǒng)使用中誤動、拒動的現(xiàn)象時有發(fā)生，嚴(yán)重影響了煤礦的安全生產(chǎn)。同時由于上級選擇性保護(hù)裝置動作存在延時，使得靠近電源的選擇性漏電保護(hù)裝置動作時間較長，所以在該范圍內(nèi)人身觸電的危險性就越高。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明是為了避免上述技術(shù)存在的不足之處，提出一種應(yīng)用于礦井中性點不接地的低壓供電系統(tǒng)選擇性漏電保護(hù)裝置及保護(hù)方法。本發(fā)明的選擇性漏電保護(hù)裝置采用的技術(shù)方案是輸電電纜通過干式變壓器連接總饋電開關(guān)保護(hù)裝置；總饋電開關(guān)保護(hù)裝置的輸出通過分節(jié)點分別連接四個分支饋電開關(guān)保護(hù)裝置，四個分支饋電開關(guān)保護(hù)裝置、總饋電開關(guān)保護(hù)裝置分別連接上位機且三者之間均采用現(xiàn)場總線連接；四個分支饋電開關(guān)保護(hù)裝置分別連接相應(yīng)的四個零序電流采樣和調(diào)理電路；總饋電開關(guān)保護(hù)裝置通過其不同的端口分別連接絕緣電阻的連續(xù)采樣電路、執(zhí)行機構(gòu)控制電路、零序電壓采樣和調(diào)理電路及顯示器和鍵盤電路模塊；總饋電開關(guān)保護(hù)裝置包括數(shù)字信號處理器，各分支饋電開關(guān)保護(hù)裝置均包括有處理器。本發(fā)明的選擇性漏電保護(hù)方法采用的技術(shù)方案是是有如下步驟1)在總饋電開關(guān)保護(hù)裝置處的三相電網(wǎng)中附加一個直流電源，使之作用于三相電網(wǎng)和大地之間，測量流過三相對地的絕緣電阻ι·Σ上的直流電流值；2)零序電壓采樣和調(diào)理電路采集絕緣電阻1^上的直流取樣信號Us、零序電壓Utl，絕緣電阻的連續(xù)采樣電路11檢測絕緣電阻Γ ；當(dāng)電網(wǎng)正常時，根據(jù)公Srs=U*Rs/Us-ER實時顯示電網(wǎng)的絕緣情況，以檢測是否發(fā)生漏電事故；U為直流電源兩端電壓、Σ R為三相電抗器每相線圈的直流電阻并聯(lián)值Ra)、R為三相電抗器的等效電阻、&為取樣電阻、&為接地電阻之和；3)零序電流采樣和調(diào)理電路分別采集四個分支饋電開關(guān)保護(hù)裝置所在支路的零序電流Itl信號，當(dāng)絕緣電阻r Σ降到動作值后，總饋電開關(guān)保護(hù)裝置將零序電壓U0的值發(fā)送給各個分支饋電開關(guān)保護(hù)裝置，各分支饋電開關(guān)保護(hù)裝置根據(jù)采集的零序電流Itl的值，再結(jié)合支路零序功率公式已=IciiUcik-IcikUcii進(jìn)行判斷，當(dāng)已>0 判斷為故障支路，當(dāng)Ρ/0時，判斷為非故障支路扎是零序功率，U01,U0E, I01, Ioe分別是零序電壓U0和零序電流Itl的虛部和實部。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的優(yōu)點在于
1、本發(fā)明的各級分支饋電保護(hù)裝置中處理器的通信采用基于RS-485接口的 PR0FIBUS-DP現(xiàn)場總線。該總線具有多點雙向通信能力，允許多個處理器連在同一個總線上，解決了單一傳輸技術(shù)不能滿足數(shù)據(jù)和電源的傳送在同一根電纜上進(jìn)行的問題。RS-485 接口的抗共模干能力增強，能有效抑制長距離傳輸中的噪聲干擾，即抗噪聲干擾性好。該總線的數(shù)據(jù)最高傳輸速率為10Mbps，最遠(yuǎn)傳輸距離可達(dá)1500m，滿足了礦井低壓供電系統(tǒng)的要求，相比其它接口形式的總線，降低了成本，提高了性價比。2、本發(fā)明采用附加直流電源法和零序功率方向選線判據(jù)相結(jié)合的選擇性漏電保護(hù)方法，利用附加直流電源法測量漏電電流值的大小，并通過零序功率方向的判據(jù)選線原理判斷漏電線路，這兩種方法的綜合可以有效地避免傳統(tǒng)方法如零序電流幅值比較法、群體比幅比相法等無法對漏電故障線路作出有效選擇的弊端，又可以對漏電故障進(jìn)行有效選線，最大程度地縮小因漏電保護(hù)造成的斷電范圍，在真正意義上實現(xiàn)對漏電故障進(jìn)行有選擇性、有范圍性的切除。該選擇性漏電保護(hù)系統(tǒng)中的各級保護(hù)裝置皆為瞬動型，可以實現(xiàn)無級差的漏電保護(hù)，使漏電保護(hù)系統(tǒng)的縱向選擇性更合理、更完善。3、本發(fā)明總饋電開關(guān)保護(hù)裝置所采用的TMS320F28335型數(shù)字信號處理器是TI公司的一款32位的TMS320C2 (系列浮點DSP控制器，與以往的定點DSP相比，該器件的精度高，成本低，功耗小，性能高，外設(shè)集成度高，數(shù)據(jù)以及程序存儲量大，A/D轉(zhuǎn)換更精確快速等。它采用內(nèi)部1.9V供電，外部3. 3V供電，因而功耗大大降低。且主頻高達(dá)150MHz，處理速度快，是那些需要浮點運算便攜式產(chǎn)品的理想選擇。這種數(shù)字處理器與傳統(tǒng)的的單片機相比具有CPU運算能力強、響應(yīng)中斷時間短、通信接口豐富及增強型的外設(shè)模塊等特點。4、本發(fā)明分支饋電開關(guān)保護(hù)裝置選用的處理器是Microchip公司生產(chǎn)的 PIC16F877A芯片，這款單片機外圍電路簡單，轉(zhuǎn)換精度高。并且其存儲器組織體系結(jié)構(gòu)為 “哈佛”結(jié)構(gòu)，其程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲區(qū)在物理空間上完全獨立，讀取指令的總線和存取數(shù)據(jù)的總線也完全分開。由于總線獨立，讀取指令和存取操作可以同時進(jìn)行，大大提高了單片機內(nèi)的數(shù)據(jù)流量和代碼的運行效率。


圖1為應(yīng)用于礦井中性點不接地的低壓供電系統(tǒng)選擇性漏電保護(hù)裝置圖中1.總饋電開關(guān)保護(hù)裝置；2、3、4、5.分支饋電開關(guān)保護(hù)裝置；6.干式變壓器； 7.輸電電纜；8.現(xiàn)場總線；9.上位機；11.絕緣電阻的連續(xù)采樣電路；12.執(zhí)行機構(gòu)控制電路；13.顯示器和鍵盤電路模塊；14.零序電壓采樣和調(diào)理電路；21、31、41、51.零序電流采樣和調(diào)理電路；Kl.分節(jié)點求2、1(3、1(4、1(5.輸出節(jié)點。
具體實施例方式在圖1中，6KV的輸電電纜7通過隔爆干式變壓器6后，在隔爆干式變壓器6的出線電纜中連接總饋電開關(guān)保護(hù)裝置1，總饋電開關(guān)保護(hù)裝置1的輸出通過分節(jié)點Ki分成四路低壓輸電線路，分出的四路低壓輸電線路中分別設(shè)置四個分支饋電開關(guān)保護(hù)裝置2、3、4、 5，四路低壓輸電線路均采用輸電電纜7供電，四路低壓輸電線路的輸出節(jié)點分別為K2、K3、 Κ4、Κ5。四個分支饋電開關(guān)保護(hù)裝置2、3、4、5、總饋電開關(guān)保護(hù)裝置1分別連接上位機9， 四個分支饋電開關(guān)保護(hù)裝置2、3、4、5、總饋電開關(guān)保護(hù)裝置1和上位機9之間均采用基于 RS-485的PR0FIBUS-DP現(xiàn)場總線8進(jìn)行通信連接。四個分支饋電開關(guān)保護(hù)裝置2、3、4、5分別連接相應(yīng)的零序電流采樣和調(diào)理電路21、31、41、51。總饋電開關(guān)保護(hù)裝置1通過其不同的端口分別連接絕緣電阻的連續(xù)采樣電路11、執(zhí)行機構(gòu)控制電路12、零序電壓采樣和調(diào)理電路14以及顯示器和鍵盤電路模塊13?？傪侂婇_關(guān)保護(hù)裝置1包括有TMS320F28335型數(shù)字信號處理器，TMS320F28335型數(shù)字信號處理器是TI公司的一款32位的TMS320C2 (系列浮點DSP控制器，顯示器和鍵盤電路模塊13連接該數(shù)字信號處理器TMS320F28335的接口。各分支饋電開關(guān)保護(hù)裝置2、3、 4、5均包括有處理器，處理器采用Microchip公司生產(chǎn)的PIC16F877A芯片，零序電流采樣和調(diào)理電路21、31、41、51分別連接各處理器，采樣的零序電流信號進(jìn)入調(diào)理電路進(jìn)行處理后輸入處理器。圖1所示的漏電保護(hù)裝置采用附加直流電源和零序功率方向選線判據(jù)相結(jié)合的方法實現(xiàn)漏電保護(hù)。采用基于RS-485接口的PR0FIBUS-DP現(xiàn)場總線進(jìn)行通訊，采用附加直流電源法和零序功率方向選線判據(jù)法相結(jié)合的選擇性漏電保護(hù)方法，利用附加直流電源法測量漏電電流值的大小，并通過零序功率方向的判據(jù)選線原理判斷漏電線路。包括設(shè)置總饋電開關(guān)保護(hù)裝置檢測是否發(fā)生漏電，再由分支饋電開關(guān)保護(hù)裝置分別檢測零序功率的方向，判斷發(fā)生漏電故障的線路。任意時刻，首先總饋電開關(guān)保護(hù)裝置處利用附加直流電源法測量漏電電流值的大小，判斷出是否漏電，如有漏電，再通過各分支饋電開關(guān)保護(hù)裝置檢測零序功率的方向，故障線路的分支饋電開關(guān)保護(hù)裝置得到總線仲裁，并將消息發(fā)出，由上位機記錄事故報警信息?？傪侂婇_關(guān)保護(hù)裝置和其他各分支饋電開關(guān)保護(hù)裝置正常工作。在總饋電開關(guān)保護(hù)裝置1處的三相電網(wǎng)中附加一個獨立的直流電源，使之作用于三相電網(wǎng)和大地之間，然后測量流過三相對地的絕緣電阻上的直流電流值的大小變化，反映電網(wǎng)對地絕緣電阻1^的變化。零序電壓采樣和調(diào)理電路14對直流電源流過三相對地的的絕緣電阻上的直流取樣信號Us、零序電壓U0進(jìn)行實時采集；絕緣電阻的連續(xù)采樣電路11 對絕緣電阻1^進(jìn)行實時檢測。當(dāng)電網(wǎng)正常時，根據(jù)公式ι·Σ=υ* ν^-Σ R實時顯示電網(wǎng)的絕緣情況，這樣就可以檢測是否發(fā)生漏電事故。其中，U為獨立的直流電源兩端電壓、Σ R為三相電抗器每相線圈的直流電阻并聯(lián)值Ra)、R為三相電抗器的等效電阻、&為取樣電阻、Re 為接地電阻之和。零序電流采樣和調(diào)理電路21、31、41、51分別采集四個分支饋電開關(guān)保護(hù)裝置2、 3、、4、5所在支路的零序電流Itl信號，并對信號進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。當(dāng)絕緣電阻ι·Σ降到動作值后，總饋電開關(guān)保護(hù)裝置1將零序電壓Utl的值發(fā)送給各個分支饋電開關(guān)保護(hù)裝置2、3、4、5，各分支饋電開關(guān)保護(hù)裝置2、3、4、5則根據(jù)采集的零序電流Itl的值，再結(jié)合支路零序功率公式Pr=IraUtlirIc^ra進(jìn)行判斷，當(dāng)P,>0判斷為故障支路，當(dāng)P/0時，判斷為非故障支路，且故障支路的&值遠(yuǎn)大于非故障支路的&值，這個判據(jù)準(zhǔn)確且可靠。其中，&是零序功率，Ura、 U0E、I0I> Ioe分別是零序電壓U0和零序電流Itl的虛部和實部。 當(dāng)分節(jié)點Kl處發(fā)生漏電故障時，總饋電開關(guān)保護(hù)裝置1接收到各分支饋電開關(guān)保護(hù)裝置2、3、4、5的閉鎖信號后，總饋電開關(guān)保護(hù)裝置1無延時地動作于跳閘，同時向上位機 9發(fā)出故障信息；當(dāng)分支線路的任一處(如輸出節(jié)點K2、K3、K4、K5的任一處)發(fā)生漏電故障時，總饋電開關(guān)保護(hù)裝置1處的微處理器TMS320F28335將零序電壓Utl的值傳給各分支饋電開關(guān)保護(hù)裝置2、3、4、5中的處理器，并由各處理器PIC16F877A負(fù)責(zé)選線判據(jù)的計算，根據(jù)選線判據(jù)法確定出故障支路后，無延時地動作于跳閘，同時向上位機9發(fā)出故障信息；若總饋電開關(guān)保護(hù)裝置1經(jīng)過預(yù)定的延時(150ms)后，尚未收到分支饋電開關(guān)保護(hù)裝置2、3、4、5 的動作信號，則由總饋電開關(guān)保護(hù)裝置1無選擇性地動作于跳閘，從而起后備保護(hù)作用，同時向上位機9發(fā)出故障信息。
權(quán)利要求
1. 一種礦井低壓供電系統(tǒng)選擇性漏電保護(hù)裝置，輸電電纜(7)通過干式變壓器(6)連接總饋電開關(guān)保護(hù)裝置(1 )，其特征是總饋電開關(guān)保護(hù)裝置(1)的輸出通過分節(jié)點(Kl)分別連接四個分支饋電開關(guān)保護(hù)裝置(2、3、4、5)，四個分支饋電開關(guān)保護(hù)裝置(2、3、4、5)、總饋電開關(guān)保護(hù)裝置(1)分別連接上位機(9)且三者之間均采用現(xiàn)場總線(8)連接；四個分支饋電開關(guān)保護(hù)裝置(2、3、4、5)分別連接相應(yīng)的四個零序電流采樣和調(diào)理電路(21、31、41、 51)；總饋電開關(guān)保護(hù)裝置(1)通過其不同的端口分別連接絕緣電阻的連續(xù)采樣電路(11)、 執(zhí)行機構(gòu)控制電路(12)、零序電壓采樣和調(diào)理電路(14)及顯示器和鍵盤電路模塊(13)；總饋電開關(guān)保護(hù)裝置(1)包括數(shù)字信號處理器，各分支饋電開關(guān)保護(hù)裝置(2、3、4、5)均包括有處理器。
2. 一種如權(quán)利要求1所述的選擇性漏電保護(hù)裝置的保護(hù)方法，其特征是具有如下步驟1)在總饋電開關(guān)保護(hù)裝置(1)處的三相電網(wǎng)中附加一個直流電源，使之作用于三相電網(wǎng)和大地之間，測量流過三相對地的絕緣電阻1·Σ上的直流電流值；2)零序電壓采樣和調(diào)理電路14采集絕緣電阻γ 上的直流取樣信號仏、零序電壓Utl，絕緣電阻的連續(xù)采樣電路(11)檢測絕緣電阻；當(dāng)電網(wǎng)正常時，根據(jù)公式rs=U*Rs/U- Σ R 實時顯示電網(wǎng)的絕緣情況，以檢測是否發(fā)生漏電事故；U為直流電源兩端電壓、Σ R為三相電抗器每相線圈的直流電阻并聯(lián)值Ra)、R為三相電抗器的等效電阻、Rs為取樣電阻、Re為接地電阻之和；3)零序電流采樣和調(diào)理電路(21、31、41、51)分別采集四個分支饋電開關(guān)保護(hù)裝置(2、 3、4、5)所在支路的零序電流Itl信號，當(dāng)絕緣電阻r Σ降到動作值后，總饋電開關(guān)保護(hù)裝置 (1)將零序電壓Utl的值發(fā)送給各個分支饋電開關(guān)保護(hù)裝置(2、3、4、5)，各分支饋電開關(guān)保護(hù)裝置(2、3、4、5)根據(jù)采集的零序電流Itl的值，再結(jié)合支路零序功率公式P^IciiUcik-IcikUcii進(jìn)行判斷，當(dāng)Pr>0判斷為故障支路，當(dāng)Ρ/0時，判斷為非故障支路；Pr是零序功率；UQI、U0R、I01, Ioe分別是零序電壓Utl和零序電流Itl的虛部和實部。
全文摘要
本發(fā)明公開一種礦井低壓供電系統(tǒng)選擇性漏電保護(hù)裝置及保護(hù)方法，四個分支饋電開關(guān)保護(hù)裝置、總饋電開關(guān)保護(hù)裝置分別連接上位機且三者之間均采用現(xiàn)場總線連接；四個分支饋電開關(guān)保護(hù)裝置分別連接相應(yīng)的四個零序電流采樣和調(diào)理電路；總饋電開關(guān)保護(hù)裝置分別連接絕緣電阻的連續(xù)采樣電路、執(zhí)行機構(gòu)控制電路、零序電壓采樣和調(diào)理電路及顯示器和鍵盤電路模塊；采用附加直流電源法和零序功率方向選線判據(jù)相結(jié)合的選擇性漏電保護(hù)方法，利用附加直流電源法測量漏電電流值的大小，并通過零序功率方向的判據(jù)選線原理判斷漏電線路，這兩種方法的綜合最大程度地縮小因漏電保護(hù)造成的斷電范圍，使漏電保護(hù)系統(tǒng)的縱向選擇性更合理和完善。
文檔編號H02H7/26GK102185296SQ20111010706
公開日2011年9月14日 申請日期2011年4月27日 優(yōu)先權(quán)日2011年4月27日
發(fā)明者周超, 孫玉坤, 張婷婷, 朱熀秋, 魏杰 申請人:江蘇大學(xué)