基于 intel80cl96 k b 單片機(jī)控制的6 k v 爆開關(guān)綜合保護(hù)系統(tǒng)

1、<p><b>　　摘 要</b></p><p>　　煤礦井下6 k V電網(wǎng)防爆開關(guān)是礦井供電系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備，它負(fù)責(zé)向工作面和掘進(jìn)面的工機(jī)械提供電能。長期以來現(xiàn)場所使用的這種開關(guān)載流能力小、保護(hù)簡單、故障率高，直接影礦井供電的可靠性、安全性和連續(xù)性，因此研究高性能的6 k V 防爆開關(guān)綜合保護(hù)系統(tǒng)對(duì)提高供電質(zhì)量、保障人身安全，完善電網(wǎng)保護(hù)不僅具有重要的現(xiàn)實(shí)意義而且具有較高的經(jīng)濟(jì)

2、價(jià)值。</p><p>　　本文深入系統(tǒng)地研究了基于 Intel80Cl96 K B 單片機(jī)控制的6 k V 爆開關(guān)綜合保護(hù)系統(tǒng)，主要內(nèi)容如下:</p><p>　　針對(duì)大型及特大型礦井供電系統(tǒng)中性點(diǎn)普遍采用消弧線圈接地方式的現(xiàn)狀，回顧了國內(nèi)外礦用高壓防爆開關(guān)保護(hù)系統(tǒng)的發(fā)展歷史，分析了目前國內(nèi)高壓饋電開關(guān)保護(hù)系統(tǒng)所存在的問題，提出了“ 基于零序電壓基波啟動(dòng)，五次諧波功率方向比較”的選擇性漏

3、電保護(hù)原理，設(shè)計(jì)了相應(yīng)的五次諧波提取電路和功率方向鑒別電路。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:該保護(hù)原理不僅適用于中性點(diǎn)絕緣的供電系統(tǒng)，而且適用于中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地的供電系統(tǒng)，提高了選擇性漏電的動(dòng)作可靠性，保證了動(dòng)作值的穩(wěn)定性。</p><p>　　通過分析6 k V電纜絕緣監(jiān)視保護(hù)的特點(diǎn)， 提出了在高壓電纜監(jiān)視線與接地線之間附加直流電源并利用V / F 轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)監(jiān)視保護(hù)的新方法，設(shè)計(jì)了相應(yīng)的電路。實(shí)驗(yàn)證明:該方法可有效地檢測電纜

4、的絕緣狀祝，并實(shí)現(xiàn)了電纜短路故障時(shí)的超前切斷功能。</p><p>　　以8 O C 1 9 6 K B單片機(jī)為中央控制單元，設(shè)計(jì)了一種新型智能化高壓開關(guān)綜合保護(hù)系統(tǒng)。該系統(tǒng)能自動(dòng)判斷短路、過載、過壓、欠壓 漏電等故障，并對(duì)高壓電纜的絕緣水平進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，大屏幕液晶顯示器實(shí)現(xiàn)了電網(wǎng)參數(shù)的輪流顯示， 通過撥碼盤輸入系統(tǒng)各項(xiàng)整定參數(shù)，真正實(shí)現(xiàn)了保護(hù)系統(tǒng)數(shù)字化。</p><p>　　綜合保護(hù)系統(tǒng)

5、直接對(duì)傳感器二次交流信號(hào)高速采樣，利用傅立葉算法獲取所需電壓、電流等參數(shù)， 然后對(duì)需控量進(jìn)行監(jiān)視、分析、統(tǒng)計(jì)和判斷，從而使可信度、可靠性得到保障。</p><p>　　本文分析了工業(yè)生產(chǎn)環(huán)境存在的千擾源及所產(chǎn)生干擾信號(hào)的特征，針對(duì)不同特征的干擾信號(hào)，制定了相應(yīng)的硬件、軟件防治措施.該測控系統(tǒng)性能穩(wěn)定，動(dòng)作可靠，且易于操作，具有傳統(tǒng)保護(hù)系統(tǒng)無法比擬的實(shí)用性和可靠性。</p><p>　　關(guān)鍵

6、詞: 綜合保護(hù) 微機(jī)控制 高壓防爆開關(guān) 高壓電網(wǎng)</p><p><b>　　選擇性漏電保護(hù)</b></p><p><b>　　ABSTRACT </b></p><p>　　The high-voltage flameproof switchgear is a key apparatus for 6kV-power S

7、upply system in underground mines. The switchgear is used for supplying Power energy to HV working machinery or next IV distribution station in coalface. However , there have been many disadvantages with the HV flamepro

8、of switchgear widely used in underground for long time , such as smaller breaking capacity ,simpler protection system and higher fault probability , which impairs the reliability , safety and continuity of u</p>&

9、lt;p>　　According to the present actual underground power system which neutral point is grounded through arc suppression, coil in many supper big shaft, the development history and present situation of synthetic protec

10、tion system used in HV flameproof switchgear are reviewed, and on the basis of an alyzing the problems existed in high voltage flameproof switchgear, the selective leakage protective method based on the detecting harmoni

11、c direction of zero sequence</p><p>　　currentaswellasthevalueofzerosequencevoltageisproposedinthispaper,</p><p>　　andatthesametime,harmoniesextractingschematicandtransformingcircuitarealsodesign

12、ed.</p><p>　　It has been proved by tests inour resultsthatthisprotectivemethod</p><p>　　issuitablenotonlyforneutralpointinsulatedsystem,but also forneutralpoint</p><p>　　groundedsys

13、temthrougharcsuppressioncoil.</p><p>　　A protectivemethodbasedonVoltage-Frequency-Converterand</p><p>　　additionalDCmeasuringtheinsulationbetweenmonitorwireandgroundlines</p><p>　　o

14、fHVdoublescreencableisdevelopedandrealizedbyanaloganddigital</p><p><b>　　1 緒論</b></p><p>　　K e y Wa r d s : s y n t h e t i c p r o t e c t i o n m i c r o c o m p u t e r c o

15、 n t r o l</p><p>　　H V f l a m e p r o o f s w i t c h g e a r H V d i s t r i b u t i o n n e t w o r k s</p><p>　　s e l e c t i v e l e a k a g e p r o t e c t i o n</p><p

16、>　　1.1研究高壓防爆開關(guān)綜合保護(hù)的意義</p><p>　　隨著煤礦現(xiàn)代化程度的不斷提高和井下高壓供電距離的增加，對(duì)煤礦井下供電系統(tǒng)可靠性、安全性和連續(xù)性的要求越來越高;同時(shí)，由于煤礦井下工作環(huán)境惡劣，負(fù)荷波動(dòng)大，工況很不穩(wěn)定，瓦斯煤塵積聚、滴水冒頂事故等會(huì)使電氣設(shè)備絕緣強(qiáng)度逐漸降低。同時(shí)由于操作人員維護(hù)不當(dāng)或操作錯(cuò)誤、輸電線路的導(dǎo)線斷裂等原因，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)漏電及單相接地故障。接地故障若不及時(shí)排除，電網(wǎng)各

17、相線會(huì)運(yùn)行在線電壓下，長期運(yùn)行將導(dǎo)致絕緣擊穿，甚至發(fā)生三相或兩相短路事故。單相接地、相間短路故障發(fā)生時(shí)產(chǎn)生的電弧能量會(huì)引起瓦斯、煤塵爆炸，直接危及人身安全和礦井生產(chǎn)。為了避免事故的發(fā)生，保障人身安全，有效減小事故范圍，研究高性能的高壓防爆開關(guān)綜合保護(hù)系統(tǒng)具有重要的現(xiàn)實(shí)意義和重大的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。</p><p>　　高壓開關(guān)綜合保護(hù)是煤礦井下高壓供電系統(tǒng)終端線路的主保護(hù)，它起到了保護(hù)高壓電纜和變壓器的作用。對(duì)于電纜和變

18、壓器發(fā)生短路、過流、漏電和電纜損壞等故障都能起到保護(hù)作用，從而能夠保證其控制的整個(gè)高壓線路的供電安全。因此高壓防爆開關(guān)綜合保護(hù)系統(tǒng)的好壞將直接影響到煤礦井下供電的安全性和可靠性。</p><p>　　1.2高壓開關(guān)綜合保護(hù)系統(tǒng)的基本要求</p><p>　　根據(jù)礦井供電系統(tǒng)在礦井生產(chǎn)中的核心作用，參考 煤《礦安全規(guī)程》，安裝于高壓防爆饋電開關(guān)中的綜合保護(hù)系統(tǒng)應(yīng)滿足以下四項(xiàng)基本要求：<

19、/p><p>　　選擇性 保護(hù)的動(dòng)作應(yīng)具有選擇性。即它是有選擇地切除電網(wǎng)中發(fā)生故障的支路，而保證非故障支路供電的連續(xù)性，盡量縮小中斷供電的范圍。</p><p>　　可靠性 保護(hù)系統(tǒng)能準(zhǔn)確判斷故障，可靠執(zhí)行命令;但當(dāng)其它支路發(fā)生故障時(shí)，本支路保護(hù)不應(yīng)發(fā)出跳閘命令，即不產(chǎn)生誤動(dòng)的現(xiàn)象。</p><p>　　快速性 本支路發(fā)生故障后，保護(hù)系統(tǒng)應(yīng)快速動(dòng)作，防止故障范圍擴(kuò)大，降

20、低電氣設(shè)備的損壞程度。</p><p>　　靈敏度 保護(hù)系統(tǒng)應(yīng)具有較強(qiáng)反應(yīng)故障的能力。即不論在保護(hù)范圍的始端端發(fā)生故障，保護(hù)系統(tǒng)均應(yīng)準(zhǔn)確反應(yīng)還是在保護(hù)范圍的末，甚至在后備保護(hù)范圍發(fā)生故障時(shí)，也應(yīng)具有一定的反應(yīng)能力。</p><p>　　鑒于保護(hù)系統(tǒng)在礦井供電系統(tǒng)中的重要作用，多年來，廣大科技工作人員都非常重視這一領(lǐng)域的研究，高壓綜合保護(hù)是礦井供電系統(tǒng)保護(hù)中的一種，多年來經(jīng)過了數(shù)次更新?lián)Q代，

21、但從現(xiàn)場運(yùn)行的情況看，這些保護(hù)系統(tǒng)誤動(dòng)和拒動(dòng)的現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生，不能完全滿足供電系統(tǒng)保護(hù)的四項(xiàng)基本要求，所以其保護(hù)性能仍然有待進(jìn)一步完善和提高。</p><p>　　1.3高壓開關(guān)綜合保護(hù)系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)</p><p>　　1.3.1高壓開關(guān)綜合保護(hù)系統(tǒng)發(fā)展過程</p><p>　　早期的高壓開關(guān)是油開關(guān)，僅有電流互感器和電壓互感器，保護(hù)功能簡單，主要元件為過

22、流繼電器和高壓熔斷器。自從五十年代引進(jìn)國外高壓防爆開關(guān)以來，其綜合保護(hù)系統(tǒng)的發(fā)展大致經(jīng)歷了兩個(gè)階段:模擬電路階段和以模擬電路為主、數(shù)字電路為輔的階段，以國營汾西機(jī)器廠生產(chǎn)的BGP7.6型高壓真空配電裝置和德國8SN,型高壓開關(guān)箱為典型代表。兩個(gè)階段的高壓開關(guān)綜合保護(hù)對(duì)煤礦井下的供電安全都起到了一定的積極作用。但是由于它們主要采用模擬電路，電路參數(shù)的分散性大，易受環(huán)境的干擾，影響了綜合保護(hù)系統(tǒng)可靠性的提高。</p><

23、p>　　目前現(xiàn)場使用最多的是集成電路型，如沈陽市天行電子有限公司生產(chǎn)的GZBJ-3型高壓綜合保護(hù)裝置集成電路型保護(hù)具有功耗小、特性好、 J性能穩(wěn)定、體積小、使用方便等特點(diǎn)，對(duì)高壓綜合保護(hù)系統(tǒng)的更新?lián)Q代起到了一定的推動(dòng)作用。近年來，隨著計(jì)算機(jī)檢測技術(shù)的飛速發(fā)展，集成電路型保護(hù)所存在的問題和不足暴露的越來越明顯:電路復(fù)雜、硬件成本高 、操作復(fù)雜、自動(dòng)化程度低等，這些缺點(diǎn)限制了它的進(jìn)一步發(fā)展。而單片機(jī)控制以其優(yōu)良的性能，在現(xiàn)代控制領(lǐng)域掀

24、起一場新的革命。自從1984年5月12日由楊奇遜教授主持研制的第一套微機(jī)保護(hù)系統(tǒng)在河北馬頭電廠投入運(yùn)行以來，微機(jī)型繼電保護(hù)的發(fā)展已經(jīng)歷了十幾年的歷史，而且在電力系統(tǒng)中顯示出不可替代的重要作用。實(shí)踐證明，微機(jī)保護(hù)依賴其強(qiáng)大的計(jì)算能力和邏輯判斷能力，能夠?qū)崿F(xiàn)許多傳統(tǒng)保護(hù)不能實(shí)現(xiàn)的功能，并 且它具有非常高的可靠性和準(zhǔn)確性。同別的控制領(lǐng)域一樣，礦用高壓開關(guān)的保護(hù)也進(jìn)入了微機(jī)保護(hù)時(shí)代。但在煤礦井下，微機(jī)保護(hù)尚沒有成功地推廣。從技術(shù)和經(jīng)濟(jì)角度考慮，

25、現(xiàn)在煤礦己經(jīng)具備用微機(jī)構(gòu)成保護(hù)系統(tǒng)的條件，因此礦用高壓開關(guān)的繼電保護(hù)、顯示、控制必然走向智能化。本課題正是適應(yīng)這一發(fā)展趨勢(shì)而提出的。</p><p>　　1.3.2國內(nèi)外高壓開關(guān)綜合保護(hù)系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀</p><p>　　1)國內(nèi)高壓開關(guān)綜合保護(hù)系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀</p><p>　　目前國內(nèi)現(xiàn)場所使用的高壓開關(guān)綜合保護(hù)系統(tǒng)大部分仍采用集成電路 型，工程技術(shù)人員就保護(hù)單

26、元的設(shè)計(jì)，不斷提出新的優(yōu)化方案。沈陽市天行電子有限公司生產(chǎn)的GZBJ-3型高壓綜合保護(hù)系統(tǒng)，用于3-10kV級(jí)中性點(diǎn)不接地供電系統(tǒng)中，它采用小規(guī)模集成電路組成故障判斷單元，磁保持故障記憶元件記憶最近發(fā)生的故障類別。該保護(hù)系統(tǒng)由電源模塊、短路模塊、漏電模塊、絕緣監(jiān)視模塊組成，有利于故障鑒別和維護(hù)，但其過載延時(shí)采用R.C器件，延時(shí)不準(zhǔn)確。漏電保護(hù)采用零序電流功率方向保護(hù)原理，僅適用于電網(wǎng)中性點(diǎn)絕緣的供電系統(tǒng)中。</p><

27、;p>　　北京安華順誠電子工程有限公司生產(chǎn)的SDZB系列多功能高壓饋電綜合保護(hù)器4[1，采用先進(jìn)的計(jì)算機(jī)數(shù)字技術(shù)，是10kV.6kV.3.3kV各變壓器中性點(diǎn)不接地供、變電系統(tǒng)及中性點(diǎn)接地欠補(bǔ)償系統(tǒng)中電力開關(guān)專用多功能綜合保護(hù)器，具有短路、過流、絕緣監(jiān)視和功率方向型漏電保護(hù)功能，目前己占有相當(dāng)?shù)氖袌龇蓊~。但其整定值分檔可調(diào)，沒有實(shí)現(xiàn)連續(xù)整定，采用數(shù)碼管顯示，顯示內(nèi)容只有電壓和電流，缺乏良好的人機(jī)界面，另外還存在缺乏自診斷的功能。&

28、lt;/p><p>　　我國現(xiàn)有高壓綜合保護(hù)產(chǎn)品的測試與實(shí)際使用結(jié)果表明：</p><p>　　· 各廠家高壓綜合保護(hù)系統(tǒng)漏電保護(hù)均存在不同程度的拒動(dòng)和誤動(dòng)現(xiàn)象，保護(hù)中所采用的選擇性漏電保護(hù)原理僅適用于中性點(diǎn)絕緣的供電系統(tǒng)，對(duì)中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地的供電系統(tǒng)不能實(shí)現(xiàn)選擇性漏電保護(hù)功能。</p><p>　　· 過載保護(hù)動(dòng)作時(shí)間不準(zhǔn)確，反時(shí)限特性不理想。

29、</p><p>　　· 短路或漏電保護(hù)固有動(dòng)作時(shí)間長，實(shí)時(shí)性差。</p><p>　　· 零序電流互感器( Z S C T ) 靈敏度差， 只有少數(shù)型號(hào)的高壓綜合保護(hù)系統(tǒng)其零序電流互感器二次輸出波形不發(fā)生畸變。</p><p>　　· 其它如保護(hù)不能自檢，保護(hù)傳感器選擇不合適，缺乏必要的抗干擾措施等均有存在。</p>&

30、lt;p>　　2)國外商壓開關(guān)綜合保護(hù)系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀</p><p>　　本世紀(jì)二三十年代，采煤技術(shù)發(fā)達(dá)的德國、前蘇聯(lián)和英國等國家先后開展井電氣安全的研究工作。八十多年來，這個(gè)領(lǐng)域的研究不斷取得新的進(jìn)步，隔爆型、本質(zhì)安全型電氣設(shè)備在煤礦井下逐步得到了廣泛的應(yīng)用。</p><p>　　西門子公司的8SN2型高壓防爆開關(guān)中的保護(hù)單元，采用分立元件、 模擬電路，具有短路保護(hù)、漏電保護(hù)和絕緣

31、監(jiān)視保護(hù)功能，是一種比較完善的保護(hù)系統(tǒng)，并可實(shí)現(xiàn)就地或遠(yuǎn)方控制。</p><p>　　近幾年，英國、德國等西方主要產(chǎn)煤國在高壓繼電保護(hù)方面均趨于利用計(jì)算機(jī)功能多、可靠性高的優(yōu)點(diǎn)，大量采用計(jì)算機(jī)控制，使繼電保護(hù)具有多功能、智能化的優(yōu)點(diǎn)。國外許多公司都相繼推出了性能優(yōu)越的微機(jī)保護(hù)系統(tǒng)，如英國華萊公司的雙速開關(guān)保護(hù)系統(tǒng)，由8085CPU實(shí)現(xiàn)微機(jī)式保護(hù)，保護(hù)系統(tǒng)采用了模塊插件式結(jié)構(gòu)，由輸入板，主控板，輸出板，顯示板和電源

32、板組成。德國Siemens公司生產(chǎn)的Siprotec4系列多功能保護(hù)繼電器，不僅具有完善的保護(hù)功能，而且具有良好的人機(jī)界面。既能用于地面的供電系統(tǒng)，又能運(yùn)用于礦井供電系統(tǒng)</p><p>　　1.3.3商壓開關(guān)綜合保護(hù)系統(tǒng)的展望</p><p>　　近年來，隨著電力系統(tǒng)的發(fā)展和對(duì)安全運(yùn)行要求的提高，有時(shí)常規(guī)的繼電保護(hù)和故障診斷技術(shù)不能完全適應(yīng)不斷發(fā)展變化的電網(wǎng)運(yùn)行工況，于是研究人員提出了自

33、適應(yīng)繼電保護(hù)和智能故障診斷技術(shù)。人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò) (artificialneuralnetwork ,簡寫為ANN)技術(shù)已得到電力系統(tǒng)研究人員的高度重視和廣泛研究。ANN是由眾多的神經(jīng)元(neural)廣泛互連而成的網(wǎng)絡(luò)。在信號(hào)處理上與傳統(tǒng)的數(shù)字計(jì)算機(jī)有著根本的不同，它具有大規(guī)模并行分布處理、連續(xù)時(shí)間動(dòng)力學(xué)和網(wǎng)絡(luò)全局作用等特點(diǎn)，利用ANN的高度并行處理和近似推理，實(shí)現(xiàn)對(duì)電力系統(tǒng)運(yùn)行方式和故障類型的診斷和識(shí)別，可以實(shí)時(shí)實(shí)現(xiàn)難以用常規(guī)保護(hù)實(shí)現(xiàn)

34、的最優(yōu)算法;利用ANN的高度容錯(cuò)能力，可使保護(hù)具有更高的可靠性。更重要的是，ANN具有自適應(yīng)和自學(xué)習(xí)能力，能使保護(hù)和故障診斷具有更強(qiáng)的自適應(yīng)能力。</p><p>　　模糊控制器以模糊集合理論為基礎(chǔ)，模擬人的知識(shí)表達(dá)、知識(shí)推理方法，其基本組成部分包括:模糊化、模糊控制規(guī)則、模糊推理和精確化。模糊控制是一種類人智能控制，可以實(shí)現(xiàn)非線性控制，可以得到比常規(guī)控制更優(yōu)良的控制效果，能實(shí)現(xiàn)對(duì)復(fù)雜過程的控制。</p&g

35、t;<p>　　綜合利用模糊理論及人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)各自的特點(diǎn)形成的模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)已成為研究提高電力系統(tǒng)繼電保護(hù)可靠性、快速性、靈敏性及選擇性的一個(gè)重要發(fā)展方向。由于模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中已經(jīng)融入了模糊控制系統(tǒng)的所有信息，包括影響模糊控制器控制性能的所有參數(shù)，因此可通過對(duì)其權(quán)值和閥值的調(diào)整來實(shí)現(xiàn)對(duì)模糊控制系統(tǒng)參數(shù)的綜合優(yōu)化調(diào)整，提高控制器的控制精度， 保證系統(tǒng)的可靠運(yùn)行。</p><p>　　1.4新型徽機(jī)綜合保護(hù)

36、系統(tǒng)研究的必要性</p><p>　　我國礦井高壓供電系統(tǒng)屬于小電流接地運(yùn)行方式，一般由三級(jí)變電所組成:地面變電所、井下中央變電所和采區(qū)變電所。礦井地面變電所是礦山供電的樞紐，它擔(dān)負(fù)著向井上、下變配電的任務(wù)，它將35kV電壓降為6-10kV，向額定電壓為10kV及以下的用電設(shè)備供電。井下中央變電所一般設(shè)在靠副井的井底車場范圍內(nèi)，負(fù)責(zé)向下一級(jí)變電所分配電能。采區(qū)變電所是采區(qū)的供電樞紐，它接受井下中央 (配)電所送來

37、的高壓電能，變成低壓后，分配或直接配給采掘工作面配電點(diǎn)或用電設(shè)備。一般情況下，采區(qū)變電所將6kV高壓送到靠近用電負(fù)荷的移動(dòng)變電站后變成低壓，再送至配電點(diǎn)或用電設(shè)備，即供電方式為采區(qū)變電所一移動(dòng)變電站一工作面配電點(diǎn)</p><p>　　據(jù) 煤《礦安全規(guī)程》的要求，三級(jí)變電所均須裝設(shè)有選擇性漏電保護(hù)系統(tǒng)。早在60年代，我國就開始對(duì)礦井高壓電網(wǎng)漏電保護(hù)原理和系統(tǒng)進(jìn)行研究。迄今為止，保護(hù)原理有附加直流檢測法、零序電流法、

38、零序電壓法、功率方向法等多種，相應(yīng)也先后開發(fā)研制出幾代產(chǎn)品。這些系統(tǒng)都不同程度地在礦井高壓電網(wǎng)的安全供電中發(fā)揮過積極作用。但是，由于受電力電子技術(shù)，微電子技術(shù)等相關(guān)領(lǐng)域科技水平的限制，以及對(duì)井下高壓電網(wǎng)運(yùn)行規(guī)律認(rèn)識(shí)不足，使得過去這些漏電保護(hù)系統(tǒng)動(dòng)作可靠性較差、誤判率較高。另外，隨著煤礦生產(chǎn)用電量的不斷增加，井下供電系統(tǒng)的供電方式及對(duì)供電系統(tǒng)的技術(shù)要求也在發(fā)生變化。根據(jù)60年代對(duì)數(shù)十對(duì)礦井電網(wǎng)單相接地電流實(shí)測，僅有極個(gè)別礦井電網(wǎng)的單相接地

39、電流超過20A的限值; 1988年由煤炭部組成的專家組又對(duì)各國統(tǒng)煤礦的供電系統(tǒng)進(jìn)行了抽樣調(diào)查，調(diào)查結(jié)果表明:單相接地電流超過20A的礦井己占總數(shù)的51.6%;1992 年又上升為63.2%。目前，單相接地電流超限的礦井已高達(dá)70%以上，其中半數(shù)以上大于30A，最高可達(dá)70A，如此大的接地電流使得間歇性電弧不能自動(dòng)熄滅，產(chǎn)生危險(xiǎn)的電弧接地過電壓，使單相接地故障擴(kuò)大為兩相接地短路</p><p>　　目前己定型生產(chǎn)的

40、綜合保護(hù)系統(tǒng)大多只適用于中性點(diǎn)絕緣系統(tǒng)。在電網(wǎng)中 性點(diǎn)加裝消弧線圈后，其單相接地故障電流可能比非故障線路的還小，且相位在過補(bǔ)償時(shí)與非故障支路相同，如此便導(dǎo)致這些零序電流型和零序功率方向型的保護(hù)系統(tǒng)不能滿足選擇性的要求。因此，適用于不同接地方式，特別是適用于井下高壓供電系統(tǒng)使用的選擇性漏電保護(hù)系統(tǒng)急待開發(fā)研制，它對(duì)提高煤礦井下供電安全性、可靠性和連續(xù)性具有非常重要的意義。</p><p>　　過去絕大多數(shù)保護(hù)都是靠

41、低壓側(cè)執(zhí)行跳閘等動(dòng)作，低壓側(cè)保護(hù)的優(yōu)點(diǎn)是電壓低，繼電保護(hù)方便、容易。但存在以下缺點(diǎn)：</p><p>　　隨著移動(dòng)變電站容量的增大，低壓側(cè)電流增大。這是因?yàn)榈蛪吼侂婇_關(guān)的電壓不超過1140V，變電站容量增大時(shí)的低壓側(cè)電流增大。例如容量增大到1600kVA，低壓電流達(dá)到800A，正常情況下操作已經(jīng)比較困難。如果發(fā)生短路，短路電流成倍增大，實(shí)現(xiàn)保護(hù)難度更大。</p><p>　　變壓器內(nèi)部發(fā)生

42、短路時(shí)，由于分?jǐn)嚯娏餍?，低壓?cè)無法檢測，如果高壓側(cè)沒有設(shè)置保護(hù)系統(tǒng)，影響中間電路正常運(yùn)行。</p><p>　　采用高壓開關(guān)保護(hù)把變壓器及被保護(hù)線路看作一個(gè)整體，高壓側(cè)電壓高，但電流小，從現(xiàn)代變電站實(shí)際情況考慮，在高壓側(cè)保護(hù)具有重要的經(jīng)濟(jì)意義。另外，微機(jī)保護(hù)在開發(fā)過程中，充分發(fā)揮了計(jì)算機(jī)的靈活、快速、準(zhǔn)確的特點(diǎn)，使繼電保護(hù)技術(shù)得以不斷完善和進(jìn)步，在功能和性能上都顯著優(yōu)于傳統(tǒng)的模擬式保護(hù)。其主要原因在于:</

43、p><p>　　·繼電保護(hù)功能由硬件和軟件聯(lián)合確定; </p><p>　　·微機(jī)具有較強(qiáng)的邏輯判斷和計(jì)算功能: </p><p>　　·具有較強(qiáng)的記憶功能和快速反應(yīng)能力; </p><p>　　·具有強(qiáng)大的通訊功能，可實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化管理。</p><p>　　這些優(yōu)點(diǎn)都是傳統(tǒng)繼電保護(hù)無

44、法比擬的。</p><p>　　針對(duì)以上情況，研制礦用隔爆型高壓開關(guān)綜合保護(hù)系統(tǒng)，將微機(jī)保護(hù)推廣應(yīng)用于我國煤礦井下，進(jìn)一步提高保護(hù)性能，滿足煤礦生產(chǎn)需要，是本課題的研究目標(biāo)。</p><p>　　1.5本文研究的主要內(nèi)容：</p><p>　　·通過實(shí)驗(yàn)研究礦井高壓電網(wǎng)各種運(yùn)行方式下漏電的故障特征，在此基礎(chǔ)上采用 “零序電壓啟動(dòng)、提取電網(wǎng)零序電壓五次諧波與

45、零序電流五次諧波進(jìn)行比相”來完成選擇性漏電保護(hù)，以適應(yīng)煤礦井下不同中性點(diǎn)接地方式下不同漏電故障特征值的情況。研究能滿足這一功能要求的硬件電路; </p><p>　　·研究礦井高壓電網(wǎng)供電系統(tǒng)的各種保護(hù)原理，在此基礎(chǔ)上，對(duì)供電系統(tǒng)中的故障狀態(tài)進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn); </p><p>　　·研究測控系統(tǒng)各種特征參量的檢測方法和檢測技術(shù)，提出綜合保護(hù)系統(tǒng)的總體方案，確定系統(tǒng)的采樣方

46、式及相應(yīng)的算法。 </p><p>　　·開發(fā)以單片機(jī)80C196KB為核心的測控系統(tǒng)，建立大屏幕液晶顯示系統(tǒng)和通訊系統(tǒng)。 </p><p>　　·對(duì)煤礦井下惡劣環(huán)境下的各種干擾源進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，提出針對(duì)性的抗干擾措施，以提高測控綜合保護(hù)系統(tǒng)的工作可靠性。</p><p>　　2. 6kV供電系統(tǒng)的保護(hù)原理</p><p&g

47、t;<b>　　2.1概述</b></p><p>　　煤《礦安全規(guī)程》規(guī)定:井下高壓變電站應(yīng)裝設(shè)短路、過載、欠壓保護(hù)，為保證有選擇性地切除漏電故障，應(yīng)設(shè)有選擇性漏電保護(hù)，在使用屏蔽電纜的場合，還應(yīng)設(shè)置絕緣監(jiān)視保護(hù)</p><p>　　本章首先分析了現(xiàn)有高壓綜合保護(hù)系統(tǒng)各種保護(hù)的工作原理及其所存在的問題，針對(duì)這些問題，針對(duì)性地提出了解決方案，特別是對(duì)于中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈

48、接地供電系統(tǒng)的選擇性漏電保護(hù)，提出了采用零序基波電壓啟動(dòng)，五次諧波功率方向比較的保護(hù)方案，有效地解決了這種供電系統(tǒng)中原選擇性漏電保護(hù)的誤動(dòng)和拒動(dòng)問題。</p><p><b>　　2.2短路保護(hù)</b></p><p>　　2.2.1高壓電網(wǎng)的短路故障特征</p><p>　　短路是指供電系統(tǒng)中不等電位的導(dǎo)體在電氣上被短接，各種類型的短路故障是

49、煤礦井下最常見的故障之一。短路故障包括:三相短路、兩相短路、兩相接地短路，以及變壓器繞組匝間短路。</p><p>　　在高壓綜合保護(hù)中，對(duì)各種短路故障都應(yīng)采取電流速斷保護(hù)。電網(wǎng)正常運(yùn)行時(shí)，輸電線路上通過負(fù)荷電流，發(fā)生相間短路時(shí)通過短路電流，短路電流往往比負(fù)荷電流大得多。所以短路保護(hù)一般都采用電流檢測原則，以電流的幅值作為判據(jù)，根據(jù)短路時(shí)通過保護(hù)系統(tǒng)的電流大小來選擇動(dòng)作電流的大小，以動(dòng)作電流的大小來控制保護(hù)系統(tǒng)的

50、保護(hù)范圍。但這一種判據(jù)有時(shí)不夠可靠，會(huì)形成保護(hù) “盲區(qū)”。</p><p>　　6kV供電系統(tǒng)短路保護(hù)示意圖如圖2-1所示，圖中:T為電源變壓器，、、為各支路斷路器，,為電動(dòng)機(jī)。變壓器到的電纜截面積小，距離長;到的電纜截面積大，距離近。處發(fā)生短路故障時(shí)的最小兩相短路電流，可能會(huì)小于處最大起動(dòng)電流，即 </p><p><b>　　<</b></p>

51、<p>　　為了有效地區(qū)分上述情況下的起動(dòng)電流和短路電流，保證系統(tǒng)最遠(yuǎn)端發(fā)生短路時(shí)，保護(hù)具有足夠高的靈敏度，系統(tǒng)采用 “相敏保護(hù)”原理。</p><p>　　2.2.2短路保護(hù)原理</p><p>　　“相敏保護(hù)”的基本出發(fā)點(diǎn)是既檢測短路電流的大小，同時(shí)又檢測短路回路的阻抗角，兩者相 “與”。一般來說，起動(dòng)時(shí)的功率因數(shù)較小，而短路時(shí)的功率因數(shù)較高。利用這一點(diǎn)，通過檢測電流滯后電

52、壓的相位來區(qū)分起動(dòng)電流和短路電流，這在軟件上是很容易實(shí)現(xiàn)的.但相敏保護(hù)也并不是完全可靠的，若是在變壓器出口處短路，因?yàn)樽儔浩鲀?nèi)阻Rb很小，其阻抗主要表現(xiàn)為電感Xb，即有: </p><p>　　Xb>>Rb </p><p>　　這時(shí)變壓器出口處短路時(shí)的功率因數(shù)很小，一般小于0.2，相敏保護(hù)也存在一定的“死區(qū)”。為了消除這一弊端，

53、這種情況下需采取另外一種附加措施:即當(dāng)線路電流特別大時(shí)，不管相位角如何，短路保護(hù)都應(yīng)該動(dòng)作。</p><p>　　高壓開關(guān)所控制和保護(hù)的線路是煤礦井下電網(wǎng)的高壓終端線路，具有線路一變壓器組的接線特點(diǎn)，線路和變壓器可以看成是一個(gè)元件，因此，短路保護(hù)可以整定為保護(hù)整個(gè)線路(包括變壓器)。短路保護(hù)的整定值必須 大于變壓器的尖峰負(fù)荷，而對(duì)于變壓器低壓側(cè)出線端在最小運(yùn)行方式下發(fā)生兩相短路故障時(shí)短路電流能夠滿足靈敏度的要求，

54、從而確保短路保護(hù)能保護(hù)整個(gè)線路。同時(shí)，短路保護(hù)的整定值應(yīng)該考慮到變壓器的勵(lì)磁涌流和電機(jī)的起動(dòng)電流。變壓器在正常工作狀態(tài)和外部故障時(shí)的勵(lì)磁涌流很小，但是，變壓器空載投入或外部故障切除后電壓恢復(fù)的暫態(tài)過程中，勵(lì)磁電流大大增加，其數(shù)值可達(dá)變壓器額定電流的6-8倍，因此在整定時(shí)勵(lì)磁涌流是一個(gè)必須考慮的因素。</p><p>　　通過上面的分析可知，相敏保護(hù)以兩個(gè)電氣參量為取樣量，提高了動(dòng)作的可靠性。尤其是當(dāng)短路電流較小而

55、功率因數(shù)較大的情況下，動(dòng)作更準(zhǔn)確。再配合輔助判據(jù)，使得短路故障的判別比較準(zhǔn)確和可靠。</p><p>　　2.3過負(fù)荷 (過載)保護(hù)</p><p><b>　　2.3.1過載特性</b></p><p>　　過載是一種非正常運(yùn)行狀態(tài)，一定范圍或一定時(shí)間內(nèi)的過載是允許的，但長時(shí)間過載是不允許的。長時(shí)間過負(fù)荷會(huì)導(dǎo)致電纜的熱量積聚，其電氣絕緣水平會(huì)

56、逐漸下降，最終導(dǎo)致絕緣擊穿，設(shè)備損壞。熱量的集聚與電流及時(shí)間兩個(gè)因素有關(guān)。</p><p>　　過載的判別方法采取電流取樣原則，過載電流一般比短路電流小。</p><p>　　過載保護(hù)的實(shí)現(xiàn)采用反時(shí)限動(dòng)作特性，過載倍數(shù) (實(shí)際電流/額定工作電流，Ig/Ie)越高，允許過載的時(shí)間越短。</p><p>　　過載整定范圍經(jīng)查證得知整定范圍定為0.6-1.2倍額定電流間整

57、定，整定誤差不超過10%。按ZBK3506-89的規(guī)定 “標(biāo)準(zhǔn)電子式過流反時(shí)限繼電保護(hù)系統(tǒng)延時(shí)在0.5-1.6s之間連續(xù)可調(diào)”，因此，綜合保護(hù)系統(tǒng)的過載延時(shí)定為0.5-1.6s</p><p>　　過載反時(shí)限特性與設(shè)備、線路的實(shí)際過載特性有關(guān)，過載反時(shí)限特性 </p><p>　　曲線如圖2-2所示。</p><p><b>　　2.3.2熱積累</

58、b></p><p>　　由于電網(wǎng)的負(fù)荷波動(dòng)大，使線路中電流發(fā)生變化。在過載過程中，有時(shí)本次延時(shí)保護(hù)還沒有動(dòng)作時(shí)，過載特性即發(fā)生變化，使保護(hù)返回，重新計(jì)時(shí)，造成熱量的積累，這樣連續(xù)過載使得熱量不能立刻完全散走，還有可能出現(xiàn)斷續(xù)過載，在熱量沒有完全散走的情況下，保護(hù)重新計(jì)時(shí)，造成設(shè)備 (如電纜)和開關(guān)出現(xiàn)熱積累，所以熱量積累的問題必須加以考慮。為了描述高壓綜合保護(hù)的熱積累效應(yīng)問題，定義熱積累系數(shù)C，按下式計(jì)算

59、: </p><p>　　式中: 一由冷態(tài)時(shí)測得的3倍過載動(dòng)作時(shí)間，s; </p><p>　　-3倍斷續(xù)過載最后動(dòng)作時(shí)間，s。</p><p>　　我們先看一下各種過負(fù)荷情況，然后討論解決的方法。 </p><p>　　對(duì)于圖2-3中的情況，過負(fù)荷始終保持一個(gè)過負(fù)荷倍數(shù)值，根據(jù)實(shí)際情況確定相應(yīng)的時(shí)間整定值，并按此反時(shí)限規(guī)律決定跳閘的時(shí)間。

60、</p><p>　　對(duì)于圖2-4中的情況，過負(fù)荷一段時(shí)間，未達(dá)到動(dòng)作時(shí)限前返回正常狀態(tài)，依據(jù)經(jīng)驗(yàn)，恢復(fù)正常后經(jīng)過3倍過負(fù)荷的時(shí)間，開關(guān)才可能恢復(fù)到原來的額定溫升狀態(tài)。在程序中，過負(fù)荷的時(shí)間可計(jì)時(shí)為，在達(dá)到正常合閘以前，按一定的倍數(shù)關(guān)系對(duì)倒計(jì)時(shí)。例如:過負(fù)荷時(shí)，每次循環(huán)增加3，回到正常后每次循環(huán)減去1。當(dāng)又回到0時(shí)，表示又回到原來的溫升。</p><p>　　對(duì)圖2-5中的情況，過負(fù)荷情況

61、比較復(fù)雜。在過負(fù)荷倍數(shù)為八的情況下，過負(fù)荷一段時(shí)間，還有可能又回到正常的狀態(tài)。對(duì)于這種情況，我們采用了將第一次過負(fù)荷的時(shí)間折合到第二次過負(fù)荷的時(shí)間中，即第一次過負(fù)荷的時(shí)間相當(dāng)于第二次過負(fù)荷時(shí)間的熱積累。在折合過程中，必須考慮熱積累系數(shù)C,</p><p>　　總之，過載保護(hù)既要考慮熱積累，又要保證正常工作而不頻繁斷電。</p><p>　　總之，過載保護(hù)既要考慮熱積累，又要保證正常工作而不

62、頻繁斷電。</p><p>　　2.4欠壓、過壓保護(hù)</p><p>　　在正常情況下，配電線路和開關(guān)設(shè)備等對(duì)地絕緣，只承受相電壓。由于某些原因，電網(wǎng)的電磁能量發(fā)生突變，造成電壓異常升高，出現(xiàn)危及設(shè)備絕緣的電壓稱為過電壓。而電壓過低則稱為欠電壓。</p><p>　　當(dāng)實(shí)際電壓等于或大于118%額定電壓時(shí)，判定為過電壓。實(shí)際電壓等于或低于65%額定電壓時(shí)，判定為欠電

63、壓。二者均屬不正常工作狀態(tài)。</p><p>　　欠壓保護(hù)還可以作為短路保護(hù)的后備保護(hù)，當(dāng)發(fā)生非金屬性短路故障時(shí)，母線上的電壓有可能不為0，這時(shí)通過欠壓保護(hù)實(shí)現(xiàn)短路保護(hù)后備保護(hù)。</p><p>　　系統(tǒng)通過直接交流采樣，判斷操作過電壓的范圍，進(jìn)而確定是否發(fā)生欠壓或過壓不正常狀態(tài)。高壓開關(guān)中還采用壓敏電阻吸收瞬時(shí)操作過電壓，保證過電壓不超過額定相電壓 (峰值)的2.5倍。壓敏電阻是一種以氧

64、化鋅為主要成分的非線性電阻。當(dāng)過電壓超過預(yù)先選定的壓敏電阻動(dòng)作電壓時(shí)，壓敏電阻就顯示出低阻特性，使存在于負(fù)載回路中的能量通過壓敏電阻釋放掉。待過電壓波過去后，壓敏電阻又自動(dòng)恢復(fù)原來的高阻特性。實(shí)驗(yàn)證明，氧化鋅壓敏電阻的動(dòng)作可靠，保護(hù)效果較好，并且體積較小，費(fèi)用低。10kV的氧化鋅壓敏電阻使用在6kV的線路中，過電壓可限制在2.5倍相電壓以下。</p><p>　　2 . 5 選擇性漏電保護(hù)</p>

65、<p>　　2 . 5 . 1礦井高壓電網(wǎng)漏電故障特征</p><p>　　《煤礦安全規(guī)程》規(guī)定煤礦井下高壓電網(wǎng)必須采用中性點(diǎn)絕緣方式供電，但是正如緒言中指出的那樣，為限制超標(biāo)的單相接地電容電流，有些礦井電網(wǎng)特別是大型礦井電網(wǎng)中性點(diǎn)采用了消弧線圈接地方式，這將影響原有選擇性漏電保護(hù)系統(tǒng)的正常工作。本節(jié)對(duì)電網(wǎng)兩種中性點(diǎn)接地方式下的漏電故障特性進(jìn)行分析、比較，并對(duì)目前使用的高壓選擇性漏電保護(hù)系統(tǒng)的原理進(jìn)行歸

66、納總結(jié)，然后就消弧線圈補(bǔ)償對(duì)目前通用的選擇性漏電系統(tǒng)產(chǎn)生的影響進(jìn)行分析，提出一種合理、有效的保護(hù)方案。</p><p>　　2.5.2漏電故障暫態(tài)特性</p><p>　　根據(jù)己有的研究結(jié)果，礦井高壓電網(wǎng)漏電故障的暫態(tài)過程有如下特征:</p><p>　　電流瞬態(tài)有效值L匕穩(wěn)態(tài)有效值大，瞬時(shí)值更大:</p><p>　　消弧線圈補(bǔ)償時(shí)，在脫諧

67、度P<10%的前提下，穩(wěn)態(tài)電流補(bǔ)償效果明顯而暫態(tài)電流得不到補(bǔ)償，故障支路的暫態(tài)電流是系統(tǒng)各支路電容電流的總和，且其方向與非故障支路電流方向相反。</p><p>　　根據(jù)上述特征，可以利用鑒別首半波電流的大小和方向選出故障支路，因?yàn)闀簯B(tài)電流尚未被補(bǔ)償，所以不受中性點(diǎn)接地方式的影響。但是暫態(tài)電流大小受接地瞬間電壓初始相位的影響很大，當(dāng)漏電故障剛好發(fā)生在線電壓零值附近時(shí)，暫態(tài)電流很小可能導(dǎo)致誤判。</p&

68、gt;<p>　　2. 5.3選擇性漏電保護(hù)原理</p><p>　?。?）不同接地方式對(duì)保護(hù)系統(tǒng)性能的選擇</p><p>　　由前面對(duì)故障特性的分析可知，不同接地方式下漏電時(shí)的故障特征有 所不同，選擇性漏電保護(hù)系統(tǒng)的性能必須與之相適應(yīng)。中性點(diǎn)絕緣供電系統(tǒng)由于具備前述的三個(gè)特征，故障線路與非故障線路的電流大小、方向墳可以區(qū)別，所以己有的零序電流型、功率方向型保護(hù)均能滿足選擇

69、性要求。對(duì)于經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)，由于補(bǔ)償?shù)淖饔檬蛊鋯蜗嘟拥毓收想娏骺赡鼙确枪收现愤€小，且方向隨補(bǔ)償狀態(tài)的變化而變化，因此，己有的零序電流型、功率方向型保護(hù)原理已不能滿足選擇性的要求。</p><p>　　為了能夠同時(shí)適應(yīng)各種中性點(diǎn)運(yùn)行方式電網(wǎng)選擇性漏電的要求，本文提出采用諧波比相的原理，它利用漏電時(shí)零序電壓和零序電流高次諧波分量之間的關(guān)系來滿足漏電選擇性的要求。下面以消弧線圈接地系統(tǒng)為例加以說明。</p&

70、gt;<p>　　在變壓器中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地的電網(wǎng)中，消弧線圈的電感電流主要補(bǔ)償電容電流的基波成分，由于電感的感抗和電容的容抗隨著電流頻率的變化而變化。設(shè)基波的角頻率為，當(dāng)完全補(bǔ)償時(shí)，基波感抗和容抗的關(guān)系為，然而，此時(shí)五次諧波感抗和容抗的關(guān)系為，可見對(duì)五次諧波成分而言，其感抗是基波分量的5倍，而容抗則是基波分量的I/5。單相接地時(shí)，通過故障支路的五次諧波電容電流 </p><p>　　由以上分析可

71、知，無論處于完全補(bǔ)償還是欠補(bǔ)償或過補(bǔ)償狀態(tài)下，在電網(wǎng)發(fā)生接地故障時(shí)，5次諧波電容電流均不能被補(bǔ)償?shù)?，它們?cè)陔娋W(wǎng)中的分布規(guī)律與基波電流在中性點(diǎn)對(duì)地絕緣的電網(wǎng)中的分布規(guī)律相同。實(shí)際中由于消弧線圈本身也可能飽和，有可能會(huì)大些，但仍然遠(yuǎn)不能補(bǔ)償五次諧波電容電流。這是本文提出 “零序電壓基波啟動(dòng)，五次諧波比相”的選擇性漏電保護(hù)的理論基礎(chǔ)。</p><p>　　2)高壓電網(wǎng)諧波特性</p><p>　

72、　諧波型選擇性漏電保護(hù)能夠工作的最基本條件就是電網(wǎng)中必須有諧波電流和電壓存在，而電網(wǎng)的實(shí)際情況也正能滿足這個(gè)要求。</p><p>　　電網(wǎng)中之所以有高次諧波存在，主要是由于交流發(fā)電機(jī)定子和轉(zhuǎn)子之間氣隙中的磁感應(yīng)強(qiáng)度做不到嚴(yán)格按照正弦分布，致使在發(fā)電機(jī)繞組中感應(yīng)出的電動(dòng)勢(shì)也不可能是嚴(yán)格的正弦波，其中含有一定數(shù)量的諧波成分。此外，變壓器的鐵心屬非線性電感元件，即使加在線圈兩端的電壓是固定頻率的正弦波，因受鐵心磁飽和

73、的影響，變壓器勵(lì)磁電流中也包含高次諧波分量。這些高次諧波電流流經(jīng)電機(jī)繞組和線路阻抗，就產(chǎn)生了高次諧波電壓，顯然諧波是電網(wǎng)中所固有的現(xiàn)象。其中以三次、五次諧波成分較大， 由于三次諧波受變壓器接線組別的影響，更因其方向一致，使得相間沒有三次諧波電壓，而五次諧波不受此影響。當(dāng)發(fā)生漏電故障時(shí)，電網(wǎng)中零序電壓及零序電流的五次諧波成分同樣具有前面總結(jié)的三個(gè)特點(diǎn)，故可以提取出來作為保護(hù)的檢測物理量，即構(gòu)成諧波型漏電保護(hù)。</p><

74、;p>　　電網(wǎng)中五次諧波含量僅是基波的1~2%左右，而零序電壓中5次諧滋分量略大一些，但基本上也不超過基波的2%.</p><p>　　由此可見，電網(wǎng)中雖存在5次諧波，但其數(shù)量很小且幅值穩(wěn)定性較差，這樣的諧波信號(hào)中極易混入干擾成分，從而對(duì)信號(hào)處理電路的精度和抗干擾性能提出更為苛刻的要求。這也就是諧波檢測原理應(yīng)用受到限制的主要原因之一。迄今為止，基于諧波檢測的保護(hù)都是利用計(jì)算機(jī)對(duì)所有饋出線的物理量進(jìn)行順序處理

75、集中選線，僅用于地面變電所。</p><p>　　3)井下高壓隔爆開關(guān)中選擇性漏電保護(hù)原理的確定</p><p>　　以上論述表明，利用漏電故障時(shí)電網(wǎng)中零序電壓和零序電流5次諧波成分所具有的分布規(guī)律可以實(shí)現(xiàn)選擇性漏電保護(hù)，而且與中性點(diǎn)接線方式無關(guān)。在進(jìn)一步研究諧波特性中發(fā)現(xiàn)，無論是零序電壓還是零序電流的5 次諧波成分，其相位穩(wěn)定性較好，而幅度波動(dòng)性較大，若取其幅值作為判斷故障支路的依據(jù)勢(shì)必

76、降低保護(hù)的可靠性。另外，零序電壓幅值的穩(wěn)態(tài)特性也不受中性點(diǎn)接線方式的影響(中性點(diǎn)直接接地電網(wǎng)除外)，并且其穩(wěn)定性比5次諧波成分好得多。但是由前面的分析可知，在相同的接地電阻下零序電壓隨電網(wǎng)對(duì)地分布電容的不同而有明顯變化。綜合考慮各種因素，設(shè)計(jì)中采用了零序電壓基波作為漏電保護(hù)啟動(dòng)信號(hào)，同時(shí)用硬件電路提取零序電壓和零序電流5次諧波進(jìn)行比相，當(dāng)零序電壓超過整定值時(shí)，啟動(dòng)軟件對(duì)比相結(jié)果進(jìn)行檢測，以確定是否為故障支路。為了適應(yīng)不同電網(wǎng)的要求，將零

77、序電壓整定值做成多檔可調(diào)，可以根據(jù)電網(wǎng)大小進(jìn)行選擇，這樣可保證系統(tǒng)動(dòng)作值的穩(wěn)定性。</p><p><b>　　2.6本章小結(jié)</b></p><p>　　本章系統(tǒng)地分析了短路、過載、過壓、欠壓等保護(hù)原理，以及不同中性點(diǎn)接地方式下電網(wǎng)零序電壓與零序電流的變化規(guī)律，結(jié)果表明:在中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地的6kV電網(wǎng)中，發(fā)生單相接地故障時(shí)，流過故障點(diǎn)的零序電流基波成分幾乎為零，

78、并不存在中性點(diǎn)絕緣時(shí)電網(wǎng)中故障支路和非故障支路零序電流的相位關(guān)系。通過理論分析和計(jì)算，提出了“啟動(dòng)于零序電壓基波，動(dòng)作于五次諧波比相”的選擇性漏電保護(hù)方案;通過給6kV電纜的監(jiān)視線與地線間施加直流電壓，可以有效地檢測電纜的絕緣狀況，并實(shí)現(xiàn)電纜短路故障時(shí)的超前切斷功能。</p><p>　　3高壓綜合保護(hù)系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì) </p><p>　　基于對(duì)礦井6kV電網(wǎng)各種保護(hù)原理的分析，本章根據(jù)電

79、網(wǎng)保護(hù)的功能要求和技術(shù)指標(biāo)對(duì)保護(hù)系統(tǒng)的硬件電路進(jìn)行了方案設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)以實(shí)用化為目標(biāo)，其原則為:第一，努力提高系統(tǒng)的可靠性和動(dòng)作的準(zhǔn)確性;第二， 從用戶的角度出發(fā)，方便安裝、調(diào)試、運(yùn)行、維護(hù):第三，在滿足要求的前提下，盡量簡化硬件系統(tǒng)，降低系統(tǒng)的成本。 </p><p>　　3.1保護(hù)系統(tǒng)的功能 </p><p>　　高壓綜合保護(hù)系統(tǒng)是高壓開關(guān)中的重要組成部分，它應(yīng)該獨(dú)立完成對(duì)于6kV電網(wǎng)中所

80、有物理量的檢測、計(jì)算、判斷和處理，并且與上位機(jī)能夠?qū)崿F(xiàn)高效可靠的通訊，即要實(shí)現(xiàn) “計(jì)量、監(jiān)控、保護(hù)”的 “三統(tǒng)一”功能。其具體功能如下: </p><p>　　(I)數(shù)據(jù)采集功能 </p><p>　　模擬量采集，即實(shí)時(shí)測量電網(wǎng)交流電流及交流電壓有效值，對(duì)三相電壓、兩相電流及零序電壓進(jìn)行采樣，作為判斷故障區(qū)域的信息，采樣方式 為交流采樣。 </p><p>　　頻率

81、量采集，提取零序電壓與零序電流的五次諧波分量進(jìn)行比相，通過單片機(jī)HIS.1端口采集比相后的頻率信號(hào)，從而判斷是否發(fā)生單相接地故障:監(jiān)視保護(hù)中的取樣信號(hào)經(jīng)過壓頻變換，其頻率信號(hào)經(jīng)HIS.0端口進(jìn)入單片機(jī)，經(jīng)過比較判斷是否發(fā)生短接或斷線故障。 </p><p>　　(2)人機(jī)聯(lián)系功能 </p><p>　　采用撥碼盤輸入各項(xiàng)參數(shù)整定值，可實(shí)現(xiàn)無級(jí)整定;另外，通過大屏幕液晶顯示器實(shí)時(shí)顯示當(dāng)前電網(wǎng)

82、電壓、負(fù)荷電流值及發(fā)生故障時(shí)的故障狀態(tài)和故障參數(shù)。 </p><p><b>　　(3)保護(hù)功能 </b></p><p>　　對(duì)于電網(wǎng)中的短路故障，要求速斷保護(hù);對(duì)變壓器、電機(jī)或其它負(fù)載出現(xiàn)過載時(shí)，施行反時(shí)限延時(shí)保護(hù):采用附加直流電源法對(duì)雙屏蔽電纜的屏蔽芯線、屏蔽地線實(shí)行短路和斷路監(jiān)視保護(hù);提取零序電壓、零序電流五次諧波硬件比相，結(jié)合零序電壓基波采樣值，對(duì)單相接地故

83、障實(shí)行選擇性漏電保護(hù);對(duì)進(jìn)線電壓不足額定值的65%時(shí)采取欠壓保護(hù)，對(duì)進(jìn)線電壓超過額定值的118%時(shí)采取過壓保護(hù)。 </p><p><b>　　(4)通訊功能 </b></p><p>　　通過RS232，RS485接口可與上位機(jī)或PC機(jī)進(jìn)行串口通信。 </p><p><b>　　(5)自檢功能 </b></p&g

84、t;<p>　　為了發(fā)揮微機(jī)智能化系統(tǒng)的優(yōu)越性，減少系統(tǒng)出錯(cuò)的可能性。當(dāng)硬件發(fā)生故障，系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)能自動(dòng)發(fā)現(xiàn)，及時(shí)報(bào)警，并進(jìn)行相應(yīng)處理，避免造成事故。主要的自檢對(duì)象有:對(duì)于RAM,EPROM,A/D轉(zhuǎn)換器、接口芯片及撥碼盤等硬件進(jìn)行自檢;對(duì)于繼電器和斷路器執(zhí)行命令的狀況進(jìn)行自檢.</p><p>　　3.2保護(hù)系統(tǒng)總體設(shè)計(jì) </p><p>　　微機(jī)式高壓開關(guān)綜合保護(hù)系統(tǒng)的硬件結(jié)

85、構(gòu)是根據(jù)以上對(duì)保護(hù)的要求而設(shè)計(jì)的，其原理框圖如圖4-1所示。整個(gè)系統(tǒng)由以下幾部分構(gòu)成: </p><p>　　(1)微機(jī)控制單元:用于實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、計(jì)算、邏輯判斷、定時(shí)等功能。 </p><p>　　(2)模擬量輸入單元:用于采集計(jì)算電網(wǎng)A.B.C三相電壓，A.C兩相電流及零序電壓。 </p><p>　　(3)選擇性漏電保護(hù)單元:用以提取零序電壓、零序電流五次諧波

86、， 硬件比相對(duì)中性點(diǎn)絕緣電網(wǎng)系統(tǒng)或中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地電網(wǎng)中的接地故障進(jìn)行選擇性漏電保護(hù)。 </p><p>　　(4)絕緣監(jiān)視保護(hù)單元:采用附加直流電源檢測原理，被測信號(hào)經(jīng)壓頻轉(zhuǎn)換完成對(duì)雙屏蔽電纜屏蔽線及接地線之間斷路或短路故障保護(hù)。 </p><p>　　(5)開關(guān)量輸入、輸出單元:開關(guān)量輸入單元取自相應(yīng)設(shè)備的輔助常開接點(diǎn)，用于識(shí)別現(xiàn)場開關(guān)的狀態(tài)。需要輸入的開關(guān)量有:真空斷路器的合閘、

87、分閘情況;開關(guān)量輸出單元包括用于控制真空斷路器的開關(guān)量和保護(hù)發(fā)生故障時(shí)的報(bào)警信號(hào)。 </p><p>　　(6)人機(jī)接口單元:用于定值的輸入，操作方式的確定，電網(wǎng)工作參數(shù)、工作狀態(tài)、故障類型的顯示。</p><p><b>　　(7)通訊單元 </b></p><p>　　(8)電源部分:將100V電源變?yōu)橄到y(tǒng)所需的5V, 士12V, 24V直

88、流電源。 </p><p>　　3.2.1中央處理單元 </p><p>　　微機(jī)控制單元是測控系統(tǒng)的核心部分，它承擔(dān)著數(shù)據(jù)采集、計(jì)算、邏輯判斷、定時(shí)、存儲(chǔ)等工作。它主要包括:中央處理單元 (CPU)、實(shí)時(shí)時(shí)鐘、復(fù)位電路、只讀存儲(chǔ)器 (EPROM)、隨機(jī)存儲(chǔ)器 (RAM)及總線緩沖器等。 </p><p>　　1)微處理器的選擇 </p><p&

89、gt;　　在單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，首先要考慮的就是CPU的選擇。目前市場上的單片機(jī)機(jī)型多種多樣，各有特點(diǎn)，一般而言，51系列的八位機(jī)和 96系列的十六位機(jī)是工控開發(fā)中應(yīng)用較為頻繁的機(jī)型，本系統(tǒng)在選擇CPU時(shí)，把這兩大系列作為重點(diǎn)對(duì)象。CPU的選擇考慮了如下因素: </p><p>　　(1)速度。應(yīng)滿足每周12點(diǎn)的采樣速度，也就是說，CPU應(yīng)能在5/3ms的采樣間隔內(nèi)足以完成必須完成的工作。另外，測量精度要求A

90、/I〕轉(zhuǎn)換器有10位以上的分辨率，所以宜選用16位單片機(jī)。 </p><p>　　(2)功能。應(yīng)能滿足系統(tǒng)提出的功能要求，考慮到現(xiàn)場的運(yùn)行環(huán)境和硬件成本，應(yīng)優(yōu)先考慮帶有片內(nèi)A/D的單片機(jī)?？紤]到較多的開關(guān)量輸入與開關(guān)量輸出，應(yīng)保證CPU有足夠的1/O接口。 </p><p>　　(3)開發(fā)環(huán)境。在功能與速度均能滿足要求時(shí)，優(yōu)先考慮選擇有開發(fā)經(jīng)驗(yàn)和有發(fā)展前景的機(jī)型，這樣既可以縮短開發(fā)周期，也

91、便于將來的功能擴(kuò)展。 </p><p>　　(4)通訊。必須考慮系統(tǒng)各部分之間的數(shù)據(jù)通訊，CPU應(yīng)有良好的兼容性。 </p><p>　　根據(jù)以上分析，結(jié)合國內(nèi)外實(shí)際情況及高壓開關(guān)綜合保護(hù)具體要求，系統(tǒng)選用性能價(jià)格比高的80C196KB單片機(jī)，既可滿足系統(tǒng)時(shí)實(shí)性能要求，又方便升級(jí)換代。 </p><p>　　80C196KB單片機(jī)的主要特點(diǎn): </p>

92、<p>　　(1)16位中央處理器采用了寄存器一寄存器結(jié)構(gòu)，CPU的操作直接面向256字節(jié)的寄存器空間，這些寄存器都具有累加器的特性。可使CPU對(duì)運(yùn)算數(shù)據(jù)進(jìn)行快速交換，并且提供了高速數(shù)據(jù)處理和頻繁的輸入輸出接口功能。支持位、字節(jié)和字操作，在部分指令中，還支持32位雙字的操作。 </p><p>　　(2)高效的指令系統(tǒng) 80C196KB單片機(jī)具有豐富的指令系統(tǒng)，不但運(yùn)算速度快，而且編程效率高，與MCS

93、51系列單片機(jī)相比，完成同樣任務(wù)，80C196KB單片機(jī)的速度要高5-6倍，而指令字節(jié)數(shù)僅為8031單片機(jī)的一半。另外，可對(duì)不帶符號(hào)和帶符號(hào)數(shù)進(jìn)行操作，并有16位乘法指令、32位除以16位的除法指令、符號(hào)擴(kuò)展指令、數(shù)據(jù)規(guī)格化指令等。 </p><p>　　(3)在單片機(jī)內(nèi)部，設(shè)計(jì)有一個(gè)8通道的10位A/D轉(zhuǎn)換器，可對(duì)八路的采樣時(shí)間和轉(zhuǎn)換時(shí)間進(jìn)行切換。 </p><p>　　(4)脈沖調(diào)制輸

94、出可提供脈寬調(diào)制信號(hào)，作為D/A的輸出，直接驅(qū)動(dòng)某些電機(jī)。 </p><p>　　(5)80C196KB全雙工串行口具有可以同時(shí)發(fā)送和接收的全雙工串行功能。它有4種工作方式。很方便地用于I/O擴(kuò)展、CRT設(shè)備通信以及多機(jī)處理通信。串行口內(nèi)置專門的波特率發(fā)生器。 </p><p>　　(6)高速輸入/輸出器無需CPU千預(yù)，高速輸入器可自動(dòng)地同時(shí)記錄8個(gè)事件，并能記下發(fā)生的時(shí)刻:而高速輸出器可

95、以按預(yù)先規(guī)定的時(shí)刻去觸發(fā)某一事件，任何時(shí)候，都可以懸掛起8個(gè)事件。 </p><p>　　(7)多用途接口80C196KB單片機(jī)有5個(gè)8位的I/O口。P0口既可以作為數(shù)字輸入口，也可用作AD轉(zhuǎn)換器的模擬輸入口。P1口為準(zhǔn)雙向輸入，輸出口。P2口作為標(biāo)準(zhǔn)I/O口和特殊功能口，如串行發(fā)送、接收，PWM輸出，外部中斷請(qǐng)求輸入等。 </p><p>　　(8)具有8個(gè)中斷源、2個(gè)16位定時(shí)器和4個(gè)

96、軟件定時(shí)器，以及一個(gè)16位的監(jiān)視器(Watchdogtimer). </p><p>　　(9)可動(dòng)態(tài)配置總線 80C196KB的總線可以動(dòng)態(tài)地配置成8位或 16位，以便適應(yīng)對(duì)外部寄存器進(jìn)行字節(jié)操作或字操作的不同需求。 </p><p>　　(10)80C196KB單片機(jī)有三種特殊工作方式，即待機(jī)方式、掉電方式和在線仿真方式。 </p><p>　　2)CPU系統(tǒng)及

97、其外圍電路 </p><p>　　CPU系統(tǒng)中，微處理器采用80C196KB，外圍電路采用兩片數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器6264，兩片程序存儲(chǔ)器27C64組成標(biāo)準(zhǔn)16位單片機(jī)系統(tǒng)，外圍電路還外擴(kuò)了兩片8255用于擴(kuò)展IO口。整個(gè)CPU單元都是數(shù)字化電路，結(jié)構(gòu)緊湊。 </p><p>　　CPU模塊電路的設(shè)計(jì)，是一個(gè)典型的16位單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)，本文將不對(duì)其原理設(shè)計(jì)作過多解釋，僅就下面幾個(gè)細(xì)節(jié)問題作必要的

98、闡述。</p><p><b>　　(1)資源分配 </b></p><p>　　80C196KB單片機(jī)采用的是程序存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器統(tǒng)一編址的普林斯頓結(jié)構(gòu)，具有一個(gè)邏輯上完全統(tǒng)一的存儲(chǔ)空間。在64K的存儲(chǔ)空間中，地址為OOOOH-OOFFH和1FFF-2080H間的存儲(chǔ)單元具有特殊用途，而其它的存儲(chǔ)器空間既可用作存放數(shù)據(jù)和程序，也可用1/O外設(shè)映象的存儲(chǔ)區(qū)。<

99、/p><p>　　單片機(jī)測控系統(tǒng)各模塊的資源分配如下: </p><p>　　EPROM 2000H-7FFFH RAM 8000H-0BFFFH </p><p>　　8255(1) A口: 0FFD8H B口:0FFDAH </p><p>　　C口:OFFDCH 控制口:0

100、FFDEH </p><p>　　8255(2) A口:OFFC1H B口:OFFC3H </p><p>　　C口:OFFC5H 控制口:OFFC7H </p><p><b>　　(2)時(shí)鐘信號(hào) </b></p><p>　　每個(gè)單片機(jī)工作都需要一個(gè)時(shí)鐘源作為基準(zhǔn)時(shí)鐘，它決定了單

101、片機(jī)的工作速度，80196KB時(shí)鐘頻率可選擇在6MHz與16MHz之間。這個(gè)時(shí)鐘源可由外界晶體和內(nèi)部電路構(gòu)成的晶體振蕩器產(chǎn)生，也可由外部時(shí)鐘直接提供。本文選擇了頻率為12MHz的晶振。 </p><p>　　80C196KB的狀態(tài)周期經(jīng)時(shí)鐘信號(hào)二分頻后獲得，它是芯片工作的基本時(shí)間單位。當(dāng)選用12MHz為振蕩器頻率時(shí)，80CI96KB的狀態(tài)周期為，這樣，單片機(jī)完成一條指令所需的最短時(shí)間就是4個(gè)狀態(tài)周期。 </

102、p><p>　　(3)可編程邏輯器件 </p><p>　　通用邏輯陣列GAL(GenericArrayLogic)是由美國Lattice公司推出的一種新型的PLD器件，是實(shí)現(xiàn)數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)的理想器件。在數(shù)字系統(tǒng)中，可用GAL代替標(biāo)準(zhǔn)的54/74系列的TTL器件或CD4000系列的CMOS器件，它具有許多優(yōu)點(diǎn): </p><p>　　a)增加系統(tǒng)設(shè)計(jì)的靈活性。采用GAL器

103、件，可以簡化邏輯功能，在一個(gè)芯片上，可實(shí)現(xiàn)多種邏輯關(guān)系，簡化了電路板的設(shè)計(jì)。 </p><p>　　b)縮小系統(tǒng)體積，提高系統(tǒng)的可靠性。據(jù)統(tǒng)計(jì)，一片GAL器件可代替4-12片中小規(guī)模的數(shù)字集成電路芯片。因此，系統(tǒng)中若使用GAL器件，可減小體積，提高可靠性。 </p><p>　　c)降低系統(tǒng)成本。僅從芯片價(jià)格來看，采用GAL器件并無明顯好處。但綜合考慮影響系統(tǒng)成本的多方面因素，采用GAL器

104、件可大大降低系統(tǒng)成本。 </p><p>　　d)提高系統(tǒng)的保密性. </p><p>　　e)提高系統(tǒng)速度，降低系統(tǒng)功耗。 </p><p>　　總之，GAL器件是一種理想的PLD器件，它可以取代大部分中小規(guī)模數(shù)字集成電路和PAL器件。其價(jià)格便宜.開發(fā)工具簡單，是實(shí)現(xiàn)數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)的優(yōu)選元件。特別是在系統(tǒng)研制中，GAL器件起著其它PLD器件無法比擬的重要作用。 &l

105、t;/p><p>　　本系統(tǒng)中所有的數(shù)字邏輯部分大多采用GAL16V8B來完成。編程軟件采用Fast Map完成。 </p><p>　　3.2.2模擬量輸入單元 </p><p>　　模擬量輸入對(duì)于高壓開關(guān)綜合保護(hù)系統(tǒng)來說是非常重要的，系統(tǒng)正確采集電網(wǎng)的物理參量，通過運(yùn)算來判斷電網(wǎng)目前的運(yùn)行狀況，以發(fā)出正確的控制信息。本設(shè)計(jì)中采用交流采樣技術(shù)，模擬量輸入的原理框圖如圖

106、4-2 所示。 </p><p><b>　　1)電壓形成回路 </b></p><p>　　電壓和電流互感器性能的優(yōu)劣直接影響采集信號(hào)的精度，關(guān)系到整個(gè)系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性，所以電壓形成回路部分電路的設(shè)計(jì)至關(guān)重要。 </p><p>　　綜合保護(hù)系統(tǒng)集保護(hù)、計(jì)量、控制于一體，計(jì)量要求精度高，保護(hù)、控制相對(duì)來說要求精度沒有計(jì)量高，所以用作保護(hù)和

107、計(jì)量的一次大電流互感器有兩個(gè)不同等級(jí)的變比。一次電流互感器將高壓電路中大電流變換為小電流，并將高壓和低壓電路隔離，使它們之間不存在電的直接聯(lián)系。在額定情況下，一次電流互感器輸出電流為5安，二次電流互感器一次側(cè)電流為5安，這樣使保護(hù)系統(tǒng)和二次回路設(shè)備的設(shè)計(jì)、制造標(biāo)準(zhǔn)化、系列化二次回路設(shè)備工作于小電流的情況下，不僅造價(jià)降低、維護(hù)方便，更重要的是保證了操作人員的安全。同樣電壓互感器將高壓轉(zhuǎn)換為低壓信號(hào)，使高壓與低壓信號(hào)隔離，保證安全并降低二次