专利名称：矿井高压电网选择性漏电保护系统的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种矿井高压电网选择性漏电保护系统，属于电网漏电保护系统技术领域。
背景技术：
矿井电网电气故障的70%是漏电故障。随着煤矿机械化程度的提高，采煤效率对供电可靠性的依赖越来越大。于是选择性漏电保护受到青睐。我国很早就开始对煤矿矿井高压电网漏电保护系统进行研究。迄今为止，保护系统的原理有零序电流法、零序电压法、功率方向法及小波分析法等多种。相应也先后开发研制出几代产品，由于受电力电子技术、微电子技术等相关领域科技水平的限制，以及对井下高压电网运行规律认识不足，使得过去这些漏电保护系统动作可靠性较差、误判率较高。目前多数煤矿矿井电网采用消弧 线圈接地的方式以降低接地电容电流。在电网中性点加装消弧线圈后，其单相接地故障电流可能比非故障线路的还小，且相位在过补偿时与非故障支路相同，如此便导致零序电流型和零序功率方向型的保护系统不能满足选择性的要求。
发明内容本实用新型针对以上问题的提出，而研制矿井高压电网选择性漏电保护系统，其动作可靠性好、误判率较低，保护系统能满足选择性的要求。本实用新型包括零序电流互感器，零序电流互感器及零序电压采集电路，电压采集电路与高精确度三相电能测量芯片ADE7758相连，ADE7758相连的串行外围接口与单片机的串行外围接口连接，零序电压互感器与零序电流互感器分别与五次谐波比相电路相连接，五次谐波比相电路通过单片机ICPl接口相连，单片机分别连接通信接口电路及报警及跳闸电路；其中五次谐波比相电路包括谐波提取电路、有源移相电路、波形变换电路和相位比较电路组成，谐波提取电路包括零序电流五次谐波提取电路及零序电压五次谐波提取电路，零序电流互感器的电流经过零序电压五次谐波提取电路后再用零序电压有源移相电路移相，零序电压有源移相电路输出波形经过零序电压变换电路进入相位比较电路，零序电流互感器的电流经过零序电流五次谐波提取电路，零序电流五次谐波提取电路的提取电流经过零序电流变换电路后进入相位比较电路，相位比较电路经过光电耦合电路与单片机相连，相位比较电路采用PLD器件GAL16V8B组成逻辑门电路，相位比较电路的输出信号光电耦合后接至单片机的输入捕获引脚ICP1，单片机的软件流程采用中断触发方式启动。本实用新型的原理零序电压基波作为漏电保护启动信号，同时用硬件电路提取零序电压和零序电流五次谐波进行比相，当零序电压超过整定值时，启动软件对比相结果进行检测，以确定是否为故障支路。发生单相漏电故障时，故障支路零序电流滞后于零序电压90°，零序电压经五次谐波提取得到五次谐波信号，经有源移相电路后移90°以后，零序电压五次谐波信号和零序电流五次谐波信号相位相同。经过正、负波形转换得到周期为4ms的方波信号。零序电流经五次谐波提取、波形变换后同样得到周期为4ms的脉冲序列。为了提高判断的可靠性和动作速度，分别提取零序电压五次谐波和零序电流五次谐波的正负半波输出信号两两进行相位比较。当发生故障时，经正变换与负变换电路后，分别同相位，比相电路输出点为周期为2ms的正脉冲。电网正常时，相位分别相反，输出低电平信号。微机系统最终通过判断脉冲宽度来完成选择性漏电保护功能。本实用新型以嵌入式AVR单片机Atmegal6为核心，系统电路包括零序电压、电流调理电路、零序电压采集电路、五次谐波比相电路、报警及跳闸电路及通信接口电路。本实用新型的有益效果本实用新型可大大提高煤矿井下高压电网漏电保护的动作性能。实验结果表明该保护原理不仅适用于中性点绝缘的供电 系统，而且适用于中性点经消弧线圈接地的供电系统，提高了选择性漏电的动作可靠性，保证了动作值的稳定性。系统工作稳定，动作可靠，显示准确。
图I是本实用新型框图；图2是谐波比相系统原理框图；图3是谐波比相系统各点波形图；图4是波形变换电路原理图；图中1.零序电流互感器，2.零序电压互感器，3.零序电流五次谐波提取电路，
4.零序电压五次谐波提取电路，5.零序电压有源移相电路，6.相位比较电路，7.光电耦合电路，8.零序电流变换电路，9.零序电压变换电路，13零序电压采集电路，14.五次谐波比相电路，15.单片机，16.通信接口电路，17.报警及跳闸电路，18.高精确度三相电能测量芯片ADE7758，19.谐波提取电路。
具体实施方式
图I所示，系统以嵌入式AVR单片机Atmegal6 15为核心，包括零序电流互感器1，零序电压互感器2、零序电压采集电路13、五次谐波比相电路14、报警及跳闸电路17及通信接口电路16，五次谐波比相电路14包括谐波提取电路19、有源移相电路5、零序电流变换电路8、零序电压变换电路9和相位比较电路6，零序电压采集电路13及高精确度三相电能测量芯片 ADE7758 18。图2所示，零序电压互感器2的电流经过零序电压五次谐波提取电路4后再用具有移相功能的零序电压有源移相电路5，零序电压有源移相电路5输出波形经过零序电压变换电路9进入相位比较电路6，零序电流互感器I的电流经过零序电流五次谐波提取电路3，零序电流五次谐波提取电路3的提取电流经过零序电流变换电路8后进入相位比较电路6，相位比较电路6经过光电耦合电路7与单片机15相连，由于采用了零序电压基波作为漏电保护启动信号，同时用硬件电路提取零序电压和零序电流5次谐波进行比相，当零序电压超过整定值时，启动软件对比相结果进行检测，以确定是否为故障支路。为了适应不同电网的要求，将零序电压整定值做成多档可调，可以根据电网大小进行选择，这样可保证系统动作值的稳定性。图3所示，发生单相漏电故障时，故障支路零序电流滞后于零序电压90° (波形f，a)。零序电压经五次谐波提取得到五次谐波信号(波形b)，经有源移相电路后移90° (波形C)以后，零序电压五次谐波信号和零序电流五次谐波信号相位相同。经过正、负波形转换得到周期为4ms的方波信号(波形d、e)。零序电流经五次谐波提取、波形变换后同样得到周期为4ms的脉冲序列(波形h、i)。为了提高判断的可靠性和动作速度，分别提取零序电压五次谐波和零序电流五次谐波的正负半波输出信号两两进行相位比较。当发生故障时，经正变换与负变换电路后，分别同相位，比相电路输出点为周期为2ms的正脉冲，如图2中j点所示。电网正常时，相位分别相反，j点输出低电平信号。微机系统最终通过判断脉冲宽度来完成选择性漏电保护功能。图4所示，本实用新型电路由谐波提取电路、有源移相电路、波形变换电路和相位比较电路组成。系统对谐波提取电路的要求有两点一是保证5次谐波信号有足够的增益，二是对其它频率成分有足够的衰减。谐波提取电路由带阻滤波器和窄带通滤波器组成。带阻滤波器中心频率为50HZ，用以抑制50HZ基波成份，采用双T带阻有源滤波器。窄带通滤波器中心频率为250HZ，允许5次谐波频率成分通过而抑制其它频率成分，本系统采用四阶双二次带通有源滤波器。在漏电故障状态下，零序电压超前于零序电流90°，在选择性漏电保护系统中，一般是对零序电压UO进行移相，本系统提出用有源移相器代替无源RC电 路对零序电压信号移相。利用移相电路，可以使零序电压相后移90°，与零序电流同相，为后面的相位比较电路作准备。波形变换电路直接向相位比较电路提供比相波形，增强了相位比较的容错能力。零序电压通道的波形变换电路输出方波，而零序电流通道输出窄脉冲。整个电路由正变换、反变换两部分组成，对信号正、负半波的处理过程相同。都是经过初级比较、积分和次级比较三个环节，可以通过改变次级比较电平来调节窄脉冲的宽度。比较器CPl为同相输入形式，CP2为反相输入形式，分别对正、负半周信号进行过零比较。电容Cl作为被变换信号的容性负载兼有净化信号的作用。RS为限流电阻，反向并联二极管Dl、D2用以对大信号限幅以保护比较器，Rl、R2为上拉电阻，C2、C3为积分电容，它们将两比较器输出的方波变换为锯齿波，输出的两路锯齿波分别由电阻R3、R4耦合到由比较器CP3和CP4构成的次级比较单元，在此与参考电平Vref比较。相位比较电路采用PLD器件GAL16V8B组成逻辑门电路对零序电压回路和零序电流回路输出的经过正反变化信号进行脉冲比较，其输出信号光电耦合后接至Atmegaie的输入捕获引脚ICP1，从而判断本支路是否发生单相接地故障。软件流程采用中断触发方式启动。正常情况下微机执行零序电压采集、显示及通信子程序。当零序电压大于整定值，ADE7758向单片机申请中断，在中断服务程序中检测相位比较电路的输出信号。以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式
，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
权利要求1.一种矿井高压电网选择性漏电保护系统，包括零序电流互感器(1)，零序电压互感器⑵及零序电压采集电路(13)，其特征在于电压采集电路(13)与高精确度三相电能测量芯片ADE7758(18)相连，ADE7758 (18)的串行外围接口与单片机(15)的串行外围接口连接，零序电流互感器⑴与零序电压互感器⑵分别与五次谐波比相电路(14)相连接，五次谐波比相电路(14)通过单片机(15) ICPl接口相连，单片机(15)分别连接通信接口电路(16)及报警及跳闸电路(17)。
2.根据权利要求I所述的一种矿井高压电网选择性漏电保护系统，其特征在于五次谐波比相电路(14)包括谐波提取电路(19)、有源移相电路(5)、零序电流变换电路(8)、零序电压变换电路(9)和相位比较电路(6)。
3.根据权利要求I所述的一种矿井高压电网选择性漏电保护系统，其特征在于谐波 提取电路(19)包括零序电流五次谐波提取电路(3)及零序电压五次谐波提取电路(4)。
4.根据权利要求3所述的一种矿井高压电网选择性漏电保护系统，其特征在于零序电压互感器(2)的电流经过零序电压五次谐波提取电路(4)后再经过具有移相作用的零序电压有源移相电路(5)，零序电压有源移相电路(5)输出波形经过零序电压变换电路(9)进入相位比较电路￠)，零序电流互感器(I)的电流经过零序电流五次谐波提取电路(3)，零序电流五次谐波提取电路⑶的提取电流经过零序电流变换电路⑶后进入相位比较电路(6)，相位比较电路(6)经过光电耦合电路(7)与单片机(15)相连。
5.根据权利要求4所述的一种矿井高压电网选择性漏电保护系统，其特征于相位比较电路(6)采用PLD器件GAL16V8B组成逻辑门电路，相位比较电路(6)的输出信号光电耦合后接至单片机(15)的输入捕获引脚ICP1。
6.根据权利要求I所述的一种矿井高压电网选择性漏电保护系统，其特征在于单片机(15)的软件流程采用中断触发方式启动。
专利摘要本实用新型公开了矿井高压电网选择性漏电保护系统，属于电网漏电保护系统技术领域。本实用新型包括零序电流互感器，零序电压互感器及零序电压采集电路，电压采集电路与高精确度三相电能测量芯片ADE7758相连，ADE7758的单片机通过SPI串行接口连接进行通信，零序电压互感器与零序电流互感器分别与五次谐波比相电路相连接，五次谐波比相电路通过单片机ICP1接口相连，单片机分别连接通信接口电路及报警及跳闸电路。本实用新型可大大提高煤矿井下高压电网漏电保护的动作性能。实验结果表明该保护原理不仅适用于煤矿井下中性点绝缘的供电系统，而且适用于中性点经消弧线圈接地的供电系统，提高了选择性漏电的动作可靠性，保证了动作值的稳定性。
文档编号H02H3/38GK202488094SQ20112048473
公开日2012年10月10日 申请日期2011年11月29日 优先权日2011年11月29日
发明者于为民, 刘忠富, 张维维, 李春杰, 薛原 申请人:大连民族学院