专利名称：矿井低压供电系统选择性漏电保护装置及保护方法
技术领域：
本发明涉及漏电保护技术，应用于矿井中性点不接地的低压供电系统选择性漏电保护。
背景技术：
煤矿生产主要在井下进行，大部分供电线路采用电缆供电，由于井下空间狭小，环境恶劣，阴暗潮湿，所以供电电缆的受潮和机械损伤都很容易使电缆发生单相漏电故障。因单相漏电而出现过电压的机率也就变大，加上井下电缆潮湿和易受到硬压挤碰、电缆绝缘情况比地面上差，承受过电压的能力也就变差。当煤矿供电电网发生单相漏电故障特别是单相接地时，在接地处极易引起电弧接地过电压，很可能击穿供电电缆的绝缘薄弱处，造成两相接地短路并且还可能导致瓦斯、煤尘爆炸，甚至使电气雷管提前引爆。此外，漏电流还容易导致人身触电事故，影响煤矿生产安全，长期漏电流的存在也会烧毁电气设备。煤矿井下低压供电系统的常用漏电保护方法有附加直流源法、零序电流幅值比较法、群体比幅比相法、零序功率方向法等。附加直流源法是在三相电网中附加一个独立的直流电源，使之作用于三相电网和大地之间，然后测量流过三相对地的绝缘电阻上的直流电流值的大小变化反映电网对地绝缘电阻的变化来进行漏电事故的检测；零序功率方向法就是通过判断零序功率的方向来判断故障线路。由于大多数矿井低压供电系统多采用单一的漏电保护方法，所以目前选择性漏电保护在我国矿井下低压供电系统使用中误动、拒动的现象时有发生，严重影响了煤矿的安全生产。同时由于上级选择性保护装置动作存在延时，使得靠近电源的选择性漏电保护装置动作时间较长，所以在该范围内人身触电的危险性就越高。
发明内容
本发明是为了避免上述技术存在的不足之处，提出一种应用于矿井中性点不接地的低压供电系统选择性漏电保护装置及保护方法。本发明的选择性漏电保护装置采用的技术方案是输电电缆通过干式变压器连接总馈电开关保护装置；总馈电开关保护装置的输出通过分节点分别连接四个分支馈电开关保护装置，四个分支馈电开关保护装置、总馈电开关保护装置分别连接上位机且三者之间均采用现场总线连接；四个分支馈电开关保护装置分别连接相应的四个零序电流采样和调理电路；总馈电开关保护装置通过其不同的端口分别连接绝缘电阻的连续采样电路、执行机构控制电路、零序电压采样和调理电路及显示器和键盘电路模块；总馈电开关保护装置包括数字信号处理器，各分支馈电开关保护装置均包括有处理器。本发明的选择性漏电保护方法采用的技术方案是是有如下步骤1)在总馈电开关保护装置处的三相电网中附加一个直流电源，使之作用于三相电网和大地之间，测量流过三相对地的绝缘电阻ι·Σ上的直流电流值；2)零序电压采样和调理电路采集绝缘电阻1^上的直流取样信号Us、零序电压Utl，绝缘电阻的连续采样电路11检测绝缘电阻Γ ；当电网正常时，根据公Srs=U*Rs/Us-ER实时显示电网的绝缘情况，以检测是否发生漏电事故；U为直流电源两端电压、Σ R为三相电抗器每相线圈的直流电阻并联值Ra)、R为三相电抗器的等效电阻、&为取样电阻、&为接地电阻之和；3)零序电流采样和调理电路分别采集四个分支馈电开关保护装置所在支路的零序电流Itl信号，当绝缘电阻r Σ降到动作值后，总馈电开关保护装置将零序电压U0的值发送给各个分支馈电开关保护装置，各分支馈电开关保护装置根据采集的零序电流Itl的值，再结合支路零序功率公式已=IciiUcik-IcikUcii进行判断，当已>0 判断为故障支路，当Ρ/0时，判断为非故障支路扎是零序功率，U01,U0E, I01, Ioe分别是零序电压U0和零序电流Itl的虚部和实部。本发明与现有技术相比的优点在于
1、本发明的各级分支馈电保护装置中处理器的通信采用基于RS-485接口的 PR0FIBUS-DP现场总线。该总线具有多点双向通信能力，允许多个处理器连在同一个总线上，解决了单一传输技术不能满足数据和电源的传送在同一根电缆上进行的问题。RS-485 接口的抗共模干能力增强，能有效抑制长距离传输中的噪声干扰，即抗噪声干扰性好。该总线的数据最高传输速率为10Mbps，最远传输距离可达1500m，满足了矿井低压供电系统的要求，相比其它接口形式的总线，降低了成本，提高了性价比。2、本发明采用附加直流电源法和零序功率方向选线判据相结合的选择性漏电保护方法，利用附加直流电源法测量漏电电流值的大小，并通过零序功率方向的判据选线原理判断漏电线路，这两种方法的综合可以有效地避免传统方法如零序电流幅值比较法、群体比幅比相法等无法对漏电故障线路作出有效选择的弊端，又可以对漏电故障进行有效选线，最大程度地缩小因漏电保护造成的断电范围，在真正意义上实现对漏电故障进行有选择性、有范围性的切除。该选择性漏电保护系统中的各级保护装置皆为瞬动型，可以实现无级差的漏电保护，使漏电保护系统的纵向选择性更合理、更完善。3、本发明总馈电开关保护装置所采用的TMS320F28335型数字信号处理器是TI公司的一款32位的TMS320C2 (系列浮点DSP控制器，与以往的定点DSP相比，该器件的精度高，成本低，功耗小，性能高，外设集成度高，数据以及程序存储量大，A/D转换更精确快速等。它采用内部1.9V供电，外部3. 3V供电，因而功耗大大降低。且主频高达150MHz，处理速度快，是那些需要浮点运算便携式产品的理想选择。这种数字处理器与传统的的单片机相比具有CPU运算能力强、响应中断时间短、通信接口丰富及增强型的外设模块等特点。4、本发明分支馈电开关保护装置选用的处理器是Microchip公司生产的 PIC16F877A芯片，这款单片机外围电路简单，转换精度高。并且其存储器组织体系结构为 “哈佛”结构，其程序存储器和数据存储区在物理空间上完全独立，读取指令的总线和存取数据的总线也完全分开。由于总线独立，读取指令和存取操作可以同时进行，大大提高了单片机内的数据流量和代码的运行效率。
图1为应用于矿井中性点不接地的低压供电系统选择性漏电保护装置图中1.总馈电开关保护装置；2、3、4、5.分支馈电开关保护装置；6.干式变压器； 7.输电电缆；8.现场总线；9.上位机；11.绝缘电阻的连续采样电路；12.执行机构控制电路；13.显示器和键盘电路模块；14.零序电压采样和调理电路；21、31、41、51.零序电流采样和调理电路；Kl.分节点求2、1(3、1(4、1(5.输出节点。
具体实施例方式在图1中，6KV的输电电缆7通过隔爆干式变压器6后，在隔爆干式变压器6的出线电缆中连接总馈电开关保护装置1，总馈电开关保护装置1的输出通过分节点Ki分成四路低压输电线路，分出的四路低压输电线路中分别设置四个分支馈电开关保护装置2、3、4、 5，四路低压输电线路均采用输电电缆7供电，四路低压输电线路的输出节点分别为K2、K3、 Κ4、Κ5。四个分支馈电开关保护装置2、3、4、5、总馈电开关保护装置1分别连接上位机9， 四个分支馈电开关保护装置2、3、4、5、总馈电开关保护装置1和上位机9之间均采用基于 RS-485的PR0FIBUS-DP现场总线8进行通信连接。四个分支馈电开关保护装置2、3、4、5分别连接相应的零序电流采样和调理电路21、31、41、51。总馈电开关保护装置1通过其不同的端口分别连接绝缘电阻的连续采样电路11、执行机构控制电路12、零序电压采样和调理电路14以及显示器和键盘电路模块13。总馈电开关保护装置1包括有TMS320F28335型数字信号处理器，TMS320F28335型数字信号处理器是TI公司的一款32位的TMS320C2 (系列浮点DSP控制器，显示器和键盘电路模块13连接该数字信号处理器TMS320F28335的接口。各分支馈电开关保护装置2、3、 4、5均包括有处理器，处理器采用Microchip公司生产的PIC16F877A芯片，零序电流采样和调理电路21、31、41、51分别连接各处理器，采样的零序电流信号进入调理电路进行处理后输入处理器。图1所示的漏电保护装置采用附加直流电源和零序功率方向选线判据相结合的方法实现漏电保护。采用基于RS-485接口的PR0FIBUS-DP现场总线进行通讯，采用附加直流电源法和零序功率方向选线判据法相结合的选择性漏电保护方法，利用附加直流电源法测量漏电电流值的大小，并通过零序功率方向的判据选线原理判断漏电线路。包括设置总馈电开关保护装置检测是否发生漏电，再由分支馈电开关保护装置分别检测零序功率的方向，判断发生漏电故障的线路。任意时刻，首先总馈电开关保护装置处利用附加直流电源法测量漏电电流值的大小，判断出是否漏电，如有漏电，再通过各分支馈电开关保护装置检测零序功率的方向，故障线路的分支馈电开关保护装置得到总线仲裁，并将消息发出，由上位机记录事故报警信息。总馈电开关保护装置和其他各分支馈电开关保护装置正常工作。在总馈电开关保护装置1处的三相电网中附加一个独立的直流电源，使之作用于三相电网和大地之间，然后测量流过三相对地的绝缘电阻上的直流电流值的大小变化，反映电网对地绝缘电阻1^的变化。零序电压采样和调理电路14对直流电源流过三相对地的的绝缘电阻上的直流取样信号Us、零序电压U0进行实时采集；绝缘电阻的连续采样电路11 对绝缘电阻1^进行实时检测。当电网正常时，根据公式ι·Σ=υ* ν^-Σ R实时显示电网的绝缘情况，这样就可以检测是否发生漏电事故。其中，U为独立的直流电源两端电压、Σ R为三相电抗器每相线圈的直流电阻并联值Ra)、R为三相电抗器的等效电阻、&为取样电阻、Re 为接地电阻之和。零序电流采样和调理电路21、31、41、51分别采集四个分支馈电开关保护装置2、 3、、4、5所在支路的零序电流Itl信号，并对信号进行数据处理。当绝缘电阻ι·Σ降到动作值后，总馈电开关保护装置1将零序电压Utl的值发送给各个分支馈电开关保护装置2、3、4、5，各分支馈电开关保护装置2、3、4、5则根据采集的零序电流Itl的值，再结合支路零序功率公式Pr=IraUtlirIc^ra进行判断，当P,>0判断为故障支路，当P/0时，判断为非故障支路，且故障支路的&值远大于非故障支路的&值，这个判据准确且可靠。其中，&是零序功率，Ura、 U0E、I0I> Ioe分别是零序电压U0和零序电流Itl的虚部和实部。 当分节点Kl处发生漏电故障时，总馈电开关保护装置1接收到各分支馈电开关保护装置2、3、4、5的闭锁信号后，总馈电开关保护装置1无延时地动作于跳闸，同时向上位机 9发出故障信息；当分支线路的任一处(如输出节点K2、K3、K4、K5的任一处)发生漏电故障时，总馈电开关保护装置1处的微处理器TMS320F28335将零序电压Utl的值传给各分支馈电开关保护装置2、3、4、5中的处理器，并由各处理器PIC16F877A负责选线判据的计算，根据选线判据法确定出故障支路后，无延时地动作于跳闸，同时向上位机9发出故障信息；若总馈电开关保护装置1经过预定的延时(150ms)后，尚未收到分支馈电开关保护装置2、3、4、5 的动作信号，则由总馈电开关保护装置1无选择性地动作于跳闸，从而起后备保护作用，同时向上位机9发出故障信息。
权利要求
1. 一种矿井低压供电系统选择性漏电保护装置，输电电缆(7)通过干式变压器(6)连接总馈电开关保护装置(1 )，其特征是总馈电开关保护装置(1)的输出通过分节点(Kl)分别连接四个分支馈电开关保护装置(2、3、4、5)，四个分支馈电开关保护装置(2、3、4、5)、总馈电开关保护装置(1)分别连接上位机(9)且三者之间均采用现场总线(8)连接；四个分支馈电开关保护装置(2、3、4、5)分别连接相应的四个零序电流采样和调理电路(21、31、41、 51)；总馈电开关保护装置(1)通过其不同的端口分别连接绝缘电阻的连续采样电路(11)、 执行机构控制电路(12)、零序电压采样和调理电路(14)及显示器和键盘电路模块(13)；总馈电开关保护装置(1)包括数字信号处理器，各分支馈电开关保护装置(2、3、4、5)均包括有处理器。
2. 一种如权利要求1所述的选择性漏电保护装置的保护方法，其特征是具有如下步骤1)在总馈电开关保护装置(1)处的三相电网中附加一个直流电源，使之作用于三相电网和大地之间，测量流过三相对地的绝缘电阻1·Σ上的直流电流值；2)零序电压采样和调理电路14采集绝缘电阻γ 上的直流取样信号仏、零序电压Utl，绝缘电阻的连续采样电路(11)检测绝缘电阻；当电网正常时，根据公式rs=U*Rs/U- Σ R 实时显示电网的绝缘情况，以检测是否发生漏电事故；U为直流电源两端电压、Σ R为三相电抗器每相线圈的直流电阻并联值Ra)、R为三相电抗器的等效电阻、Rs为取样电阻、Re为接地电阻之和；3)零序电流采样和调理电路(21、31、41、51)分别采集四个分支馈电开关保护装置(2、 3、4、5)所在支路的零序电流Itl信号，当绝缘电阻r Σ降到动作值后，总馈电开关保护装置 (1)将零序电压Utl的值发送给各个分支馈电开关保护装置(2、3、4、5)，各分支馈电开关保护装置(2、3、4、5)根据采集的零序电流Itl的值，再结合支路零序功率公式P^IciiUcik-IcikUcii进行判断，当Pr>0判断为故障支路，当Ρ/0时，判断为非故障支路；Pr是零序功率；UQI、U0R、I01, Ioe分别是零序电压Utl和零序电流Itl的虚部和实部。
全文摘要
本发明公开一种矿井低压供电系统选择性漏电保护装置及保护方法，四个分支馈电开关保护装置、总馈电开关保护装置分别连接上位机且三者之间均采用现场总线连接；四个分支馈电开关保护装置分别连接相应的四个零序电流采样和调理电路；总馈电开关保护装置分别连接绝缘电阻的连续采样电路、执行机构控制电路、零序电压采样和调理电路及显示器和键盘电路模块；采用附加直流电源法和零序功率方向选线判据相结合的选择性漏电保护方法，利用附加直流电源法测量漏电电流值的大小，并通过零序功率方向的判据选线原理判断漏电线路，这两种方法的综合最大程度地缩小因漏电保护造成的断电范围，使漏电保护系统的纵向选择性更合理和完善。
文档编号H02H7/26GK102185296SQ20111010706
公开日2011年9月14日 申请日期2011年4月27日 优先权日2011年4月27日
发明者周超, 孙玉坤, 张婷婷, 朱熀秋, 魏杰 申请人:江苏大学