基于单片机的矿用馈电开关智能控制器的研制.pdf

西安科技大学硕士学位论文矿用馈电开关智能控制器的研制姓名：赵大帅申请学位级别：硕士专业：机械电子工程指导教师：郝迎吉 论文题目：矿用馈电开关智能控制器的研制 专 业：机械电子工程 硕 士 生：赵大帅 (签名)指导教师：郝迎吉 (签名)摘 要 针对我国中性点不接地分支式矿井供电系统的特点，研制了矿用智能馈电开关智能控制器，它采用将交流采集、故障检测与控制相分离的设计方案，较好地解决了现有矿用馈电装置故障动作速度慢的缺点；采用附加直流和零序电压与零序电流相位相结合的方法，较好的解决了现有馈电开关选择性漏电检测可靠性、稳定性差的问题，另外还增加了自适应、自调节功能。课题内容主要包括理论分析、硬件设计、软件设计和抗干扰设计四大部分：首先是理论分析，包括：建立矿井低压电网的故障模型，通过仿真和优化，得出选择性漏电检测的理论依据，并阐述了其他故障检测的方法。其次是硬件电路设计，包括：电源模块设计、交流采集模块设计、人机接口模块设计、附加直流模块设计、选择性漏电模块设计、控制模块设计和通信模块设计。再次是软件设计，包括：主程序设计、电网参数采集与显示程序设计、故障检测程序设计、自适应自调节程序设计和通信程序设计；最后是抗干扰设计，包括：硬件抗干扰设计和软件抗干扰设计。此外，保护装置还采用中文液晶菜单操作，使馈电开关操作更具人性化；设计的 RS485 和 CAN 工业通信总线，方便在地面组成矿井低压电网监控系统。为了解决选择性漏电的问题，保护装置创造性的选择附加直流和零序电压与零序电流相位相结合的方法，同时采取硬件和软件双重滤波和选择性算法，较好的解决选择性问题。为了验证设计的装置的可靠性、稳定性以及电网故障模型的正确性，课题对样机进行了相关实验分析。通过实验数据验证本课题理论的可行性，设计合理性；通过生产厂家实验，基本符合做进一步工业性实验的要求，为尽早研制出一种新型矿用馈电开关奠定了基础。关 键 词：馈电开关；智能控制器；选择性漏电；自适应；自调节 研究类型：应用研究 Subject ：Development of the Intelligent Controller of the Feed Switch in Mine Specialty ：Mechatronic Engineering Name ：Zhao Dashuai (Signature)Instructor：Hao Yingji (Signature)ABSTRACT For neutral ungrounded solidly and branch power supply system，the intelligent controller of the mine intelligent feeder switch is developed in the paper.The designaspects of separateing AC acquisition and fault detection and control is adopted,the defect of slow speed of action is resolved preferably;the method of combinating the additional DC and the phase position of the zero sequence voltage and zero sequence current is adopted,the defect of poor reliability and stability of selective leakage protection is resolved preferably,in addition,the function of self-adaption and self-regulation is aggrandized.The research topics include theoretical analysis、software design、hardware design and EMI design.Firstly,theoretical analysis consists of theoretical analysis and calculation,establishment of low-voltage electric breakdown model of mine,selective theoretical basis of leakage detection from simulation and majorization and expounding the other fault detection methods.Secondly,hardware design consists of power supply module design,AC acquisition module design,HMI module design,additional DC model design,leakage protection module design,control module design and communication module design.Again,software design consists of main program design,electrical network parameter acquisition and display program design,fault detect program design,self-adaption and self-regulationis program design and communication program design.Finally,EMI design consists of hardware EMI design and software EMI design.in addition,the protector equitment adopts LCD menu operation,which makes the equitment more humane;the RS485 and CAN Industrial communication buses make it convenience to compose the low-voltage electric monitoring system of mine.So as to resolve the problem of leakage protection,the method of combinating the additional DC and the phase position of the zero sequence voltage and zero sequence current is adopted creatively,at the same time,hardware filter、software filter and selectivity algorithm are adopted,which resolve the problem of leakage protection.In order to test and verify the reliability and the stability of the equipment and the accuracy of the power network model,many experimental programs are designed.The detailed data explains the accuracy of the theory,the rationality of the design;through the manufacturer experiment,it basically conform to perform an experiment further more,and lay the foundation of developing a new type feed switch in mine.Key word：Feed switch Intelligent controller Selective leakage protection Self-adaption Self-regulation Thesis ：Applied Research 1 绪论 1 1 绪论 1.1 矿井供电及供电设备 1.1.1 井下供电系统概述 矿井供电系统是将发电厂或附近区域变电站的电源，通过输送、变压和配送，到矿井下用电设备的一个整体供电网络，为用户提供电能。煤矿井下低压电网可能造成的危害主要表现在以下几个方面：1.采区低压电缆的漏电，使电气设备进一步损坏，形成短路，还可能导致人身触电和瓦斯煤尘的爆炸。2.电气设备发生一相碰壳事故时，易发生触电事故。3.电气设备的相间短路及电缆的绝缘老化均会引起两相或三相短路，如不及时排除，将导致电气设备的严重损坏，甚至引起矿井火灾或造成瓦斯、煤尘爆炸的重大事故。4.电气设备的长期过负荷运行，会使电气设备因过热而烧坏，以及使电缆老化，形成漏电或短路，同样也会造成瓦斯、煤尘的爆炸。据有关资料统计，在煤矿瓦斯、煤尘爆炸事故中，因火花引起的事故约占 50%；在煤矿发生的触电事故中，井下触电死亡人数约占 64%；在井下电气着火事故中，低压橡套电缆着火所占比例最大。因此，矿井供电必须采取有效措施，达到安全、可靠、经济和技术结合的要求，满足矿井安全生产的需要，在煤矿井下供电系统中主要采取适用三大保护装置的措施，即过流保护、漏电保护和保护接地。而作为煤矿供电设备的重要组成部分的馈电开关的引入正是为了实现上述三大保护【17】【19】。1.1.2 国内外馈电开关的发展现状 1.国内馈电开关的发展现状 国内的低压馈电开关，从保护的硬件来看，主要经历了机电式、半导体式和微型计算机式等发展阶段。上世纪 50 年代以前，我国矿用低压馈电开关主要是从苏联引进，后来虽然对其进行了改进，但直到目前为止，我国在册使用的馈电开关大部分还处于 50年代水平的仿苏系列(DW80 系列)，技术性能差，分断能力低，寿命短，故障多，保护不完善，且分断容量小，配套能力很差。70 年代末我国引进一大批国外产品，有德国、英国、波兰、美国和日本的产品，但由于有些国家井下供电方式与我国不同，致使进口设备没能发挥其应有的作用。另外西安科技大学硕士学位论文 2 其价格昂贵，配件周期长，严重制约我国煤矿煤炭工业的发展。在 上 世 纪 90 年 代 初，我 国 在 进 行 外 来 技 术 的 基 础 上 自 行 开 发 了BKD1-400Z/600(380)Z(F)矿用隔爆型真空馈电开关，该产品是国家“七五”攻关项目。这种开关的保护系统属于半导体式，尽管在保护性能和动作指标上都明显优于机电式保护装置，但由于所用元件的分散性，在可靠性和保护性能方面仍不能满足生产实际需要。随着单片机技术的发展，最近几年国内自主研发的基于单片机技术的馈电开关不断涌现，不仅具有很好的人机交互功能，并且其故障检测与控制的可靠性和稳定性也有了很大提高【16】。2.国外馈电开关发展现状 早在上世纪二三十年代，德国、英国等采煤技术发达的国家先后开展了矿井电气安全的研究工作。经过几十年的发展，国外在这个领域的研究取得了很大进步，智能隔爆型电气设备在煤矿井下得到了广泛的应用。最近几年，微型计算机在煤矿井下的应用发展较快，从北京国际煤炭博览会上看，1995 年国外防爆开关实现微机测控的仅有英国 Allenwest 公司等少数几个厂家，到 1997年国，大部分国外厂家的馈电开关与磁力启动器均已采用微机测控。例如，英国 Brush变压器公司生产的移动变电站和 Baldwin&Francis 公司生产的磁力控制站，均采用微型计算机作为中央控制单元，实现了漏电、短路、过载、欠压等多项保护功能；德国西门子公司生产的 Siprotec4 系列多功能保护继电器，不仅具有完善的保护功能，而且能够提供友好的人机界面【16】。1.1.3 馈电开关工作原理以及缺陷 矿用隔爆开关适用于含有瓦斯或煤尘等爆炸危险环境的矿井中，作为配电开关使用，是煤矿井下低压供电系统的重要组成部分，其关键作用是当馈电回路发生短路、过载、漏电、断相、欠压等情况下，可以自动切断故障电路，避免火灾或爆炸事故，不仅如此，煤矿井下的运输、提升设备、声光信号装置、电控保护系统等，均需要隔爆开关(行程开关、限位开关、拉线开关、打点器、井门开关等)控制和操作，在煤矿井下使用量大，并且分布面广，另外，煤矿井下采掘工作面及回风巷粉尘大、温度及湿度高、环境恶劣，开关在此安装使用维护难度大，稍有疏忽即可出现失爆。其性能好坏直接影响着煤矿井下的生产安全和生产效率。自从二十世纪八十年代单片机进入中国以来，在各个行业得到了广泛应用，在煤炭行业一样得到很好应用。目前国内利用单片机制造的煤矿井下智能供电设备和保护设备的厂商的馈电开关纷纷涌现，并在煤矿下得到使用。但是目前的馈电开关都是采用集交流信号采集和故障判断和动作与一身的智能馈电装置，如此繁重的任务使它很难达到MT189-88 标准中规定的故障动作速度。因此国内煤矿馈电开关还存在很多缺陷：1 绪论 3 1.故障动作速度较慢。煤矿中的故障要求馈电开关在一定的时间之内必须动作，否则可能导致危险。因此目前馈电开关的动作速度慢成为煤矿安全的一大隐患。2.安全性、可靠性不能满足要求。传统的井下采区变电站大多数采用常规的设备，尤其是二次设备中的继电保护和自动装置、远动装置等采用电磁型或晶体管式，结构复杂，可靠性不高，本身又没有故障自诊断的能力【17】。3.不适应煤矿电力系统快速计算和实时控制的要求。传统的井下变电站或馈电开关，一次系统的运行工况，由于运动功能不全，一些遥测、遥信无法实时送到调度中心；而且参数采集不齐，不准确。井下变电站本身又缺乏自动控制和遥控手段，因此无法进行实时控制，不利于煤矿电力系统的安全稳定运行【16】。4.自适应、自调节能力差。由于不同煤矿的环境不同，所导致的故障条件有所差异，需要进行调节，但是目前的馈电开关都是人为调节的，凭经验并没有依据。5.开关设备通信能力差，不利于进行有效的远程监控管理。这也是众多煤矿井下电气设备普遍存在的现象，更是国内馈电开关有待解决的难题【17】。本文针对目前国内馈电开关存在的问题进行研究，提高矿井安全作业系数和煤矿企业生产效率。1.2 矿井供电系统 1.2.1 矿井供电系统模型 我国是一个产煤大国，煤炭为主要能源。目前我国的矿井供电系统多采用分支式结构15。如图 1.1 所示：目前国内矿井的供电采用电缆供电，且供电系统多采用三相中性点不接地系统，因此供电线路与地之间存在分布电容，不同的煤矿环境不同，供电电缆的长度不同导致分布电容大小也不相同。矿井下的设备较多，目前矿井供电系统多采用分支式供电，供电线路进入矿井后，分成若干条支路对设备进行供电。西安科技大学硕士学位论文 4 图 1.1 矿井供电系统模型 1.2.2 目前矿井供电系统存在的问题 如图 1.1 所示的矿井供电系统模型，在没有馈电开关的时候，若一条支路出现故障，则不能判断哪条支路出现故障，而只能将整个供电系统断开，这不仅不能保证安全，同时不利于生产，也不便于故障排除和维修。另外若供电线路发生单相接地漏电，漏电时间超过一定时间或漏电电流达到一定数值，则可能引起火花，发生爆炸事故；对于三相中心点不接地系统，单相漏电将导致供电线路对地有电压，漏电电阻越小，供电线路带电电压越高，可能引起人身触电事故。目前矿井电网大多采用中性点不接地系统，而中性点不接地系统中的单相漏电引起的事故占到井下事故的 80%。因此处理供电线路单相漏电事故成为馈电开关的关键功能915。为了提高矿井的生产效率，在一条支路出现故障而其他线路没有故障的时候，只断开故障支路，而非故障支路正常工作的目的，在每个支路安装馈电开关，检测该支路的工作情况，并做出相应的动作。1.3 课题研究的意义 综上所述，我国是一个产煤大国，矿井的低压用电设备很多；而由于矿井供电系统又经常出现故障，这对矿井安全、高效生产有很大影响。保证矿井安全供电有利于矿井生产的安全性和高效性。馈电开关是用于给矿井设备供电的装置，它具有检测故障并切断电源的功能。不仅1 绪论 5 具有短路保护、过流保护、过载保护、欠压保护、漏电闭锁、缺相和不平衡检测功能，同时还具有选择性漏电保护功能。由于目前矿井用的馈电开关都是集采集和故障检测与处理于一身的保护装置，系统在进行采集的同时还要进行故障检测与处理，这样就会使故障动作时间较长，会有发生事故的危险。并且不同的矿井的环境不同，分布电容不同，漏电参数也不尽相同，所以使馈电设备对不同的矿井环境有自调节、自适应性也是有必要的。因此本文就是针对上面的问题进行分析，采用将交流信号采集和故障检测与动作相分离的方案进行设计。其中交流信号的采集由电网计量芯片完成，故障的判断和处理由主控制芯片完成。这样将交流信号采集和故障处理分开，有效地提高故障动作速度。并且对漏电检测的自调节、自适应功能进行了设计，使其对不同的矿井环境具有较好的适应能力。1.4 论文的主要工作 本文针对目前矿用馈电开关故障动作慢，对不同的矿井环境不具有自适应、自调节能力等问题进行分析，采用将交流信号采集和故障检测与动作相分离的方案进行设计，解决了故障动作慢的问题；对选择性漏电进行了理论分析和软件仿真；另外，本文还对馈电开关的短路保护、过流保护、过载保护、欠压保护、漏电闭锁、缺相和不平衡，以及选择性漏电和自适应、自调节等功能进行了硬件和软件设计；另外还进行了抗干扰方面的设计。1.5 小结 本章介绍了矿井低压供电系统的结构，并对馈电开关的工作原理和发展现状做了介绍，分析了目前矿用馈电开关存在的问题，针对目前矿井供电系统的需求，研制一套具有短路保护、过流保护、过载保护、欠压保护、漏电闭锁、缺相和不平衡，以及选择性漏电和自适应、自调节等功能的漏电保护开关，解决目前馈电开关动作速度慢，不具有自调节、自适应能力的问题。西安科技大学硕士学位论文 6 2 矿井低压电网故障模型及保护理论 2.1 矿井低压电网漏电特征及选择性漏电保护原理 目前矿井普遍采用中性点不接地系统进行供电19，其漏电电流分布特点如图 2.1所示。图中给出了我国煤矿低压辐射式电网的典型模型，它有 L1、L2、L3三条支路构成，ZT1、ZT2、ZT3分别为安装在各支路的零序电流互感器。设每条支路各相对地分布电容相等，分别以集中参数 C1、C2、C3表示。当 L3支路的 C 相发生接地故障时(0dR=)，全电网 C 相对地电位均为零。而中性点的 图 2.1 中性点不接地电网系统单相漏电电容电流分布特点 电位 nCVV=，B 相、C 相对地电压变为线电压，即：=+=1503jCBCCBBnBeVVVVVVV 式(2.1)=+=1503jCACCAAnAeVVVVVVV 式(2.2)2 矿井低压电网故障模型及保护理论 7 各个支路的 B、A 相对地电容电流为：CjVCjVIBCBB=式(2.3)CjVCjVIACAA=式(2.4)所以各支路对地的容性电流和为：CjVCjVVIIIIInACBCAB=+=+=3)(321 式(2.5)相位超前零序电压 90。由图 2-1 可知，非漏电支路 L1，L2的零序电流为该支路对地的电容电流1I、2I，而漏电支路 L3的零序电流为 3I=-(1I+2I+3I)+3I=-(1I+2I)=-6CjVn 式(2.6)漏电支路的零序电流滞后零序电压 90。由以上分析可知：?流过非漏电支路零序电流互感器的电流为本支路的电容电流，其相位超前零序电压90。?流过漏电支路零序电流互感器的电流是其它所有非漏电支路电容电流之和，其相位滞后零序电压 90。?漏电支路的零序电流是其他非漏电支路的零序电流之和。2.2 零序电压信号分析 矿井供电线路漏电大多是经漏电电阻接地，并非对地短接接地，因此需要分析零序电压、零序电流与漏电电阻的关系。单相供电线路经过漏电电阻 R 接地时，零序电压与 R 的关系：假设漏电电电阻为 R，各相的分布电容相等为 C，令CZ1=，nV为零序电压，AV=BV=CV为相电压。由结点电压法可得：RZVZVRZVZVZVRZZVCCCBAn/)/12(=+=+式(2.7)西安科技大学硕士学位论文 8 图 2.2 单支路单相经漏电电阻 R 接地漏电原理图 即：=+CnVZRZZRZZRZZRZV)/()/()/()/(2(式(2.8)又RZZRRZ+=/所以：ZRZVVCn+=3 式(2.9)所以当漏电阻值越小时，零序电压就越大。极限情况，当 R=0 时，零序电压等于相电压。由式 2.5、式 2.6 知，零序电流与零序电压成正比，所以零序电流与漏电电阻成反比。当漏电电阻最小为零时，零序电压和零序电流达到最大值。2.3 电网漏电仿真 针对选择性漏电问题，采用 MATLAB 仿真软件中 Simulink 的电网仿真模块SimPowerSystems 进行选择性漏电仿真，并从中得到中性点不接地分支式电网供电系统中单相漏电时零序电压和零序电流的关系，及漏电电阻和零序电压的关系。下图为SimPowerSystems对中性点不接地电网分支式供电系统单相漏电情况的仿真原理图。其中：电网系统电压：660V；频率：50Hz；分布电容：1uF；漏电电阻 10K 欧姆；2 矿井低压电网故障模型及保护理论 9 图 2.3 中性点不接地分支式电网供电系统单相漏电仿真原理图 为了便于对漏电支路和非漏电支路的电量信息进行对比，每一支路都用一个三通道示波器显示各支路的零序电压、零序电流和附加直流的信息。结果如下：电网没有漏电的情况下三条支路的电量信息：图 2.4 电网没有漏电情况支路一电量信息 西安科技大学硕士学位论文 10 图 2.5 电网没有漏电情况支路二电量信息 图 2.6 电网没有漏电情况支路三电量信息 2 矿井低压电网故障模型及保护理论 11 当电网支路一单相对地 10K 欧姆电阻接地时的电量信息：图 2.7 电网支路一 10K 漏电情况支路一电量信息 图 2.8 电网支路一 10K 漏电情况支路二电量信息 西安科技大学硕士学位论文 12 图 2.9 电网支路一 10K 漏电情况支路三电量信息 从上面对中性点不接地分支式电网供电系统的仿真结果中可以得到以下结论：?当电网没有漏电时，各支路既没有零序电压也没有零序电流，附加直流采样电阻上没有电压。?当电网单相漏电时，各个支路既有零序电压也有零序电流，附加直流采样电阻上有电压信号。其中漏电支路的零序电压超前零序电流 90，附加直流采样电阻上的电压为附加直流电压和零序电压在附加直流采样电阻上电压的叠加；而非漏电支路的零序电压则滞后零序电流 90，附加直流采样电阻上的电压亦为附加直流电压和零序电压在附加直流采样电阻上电压的叠加。此结论与 2.4 节中的理论计算的结论相一致。2.4 选择性漏电故障检测概述 选择性漏电保护原理通常不外乎有以下几种：零序电流比幅法、零序电流相对相位法、附加直流电源法、群体比幅比相法、零序功率方向法、零序电流有功功率法、五次谐波分量法、各次谐波平方和法、首半波法、小波分析法、拉路法、注入信号寻迹法、注入变频信号法和基于模式的识别方法。除了以上 14 种方法外，还有诸如最大法、静态 DESIR 法、动态 DESIR 法、DDA 选线法、零序能量法和基于负序电流的选线方法等。2 矿井低压电网故障模型及保护理论 13 多年运行实践表明，以往的选线装置多依靠某一种保护原理，发生漏电故障时经常会造成选择性无法实现，当发生漏电故障时，断开的不仅仅是故障支路，经常总开关也会伴随断开，造成矿井供电系统的大面积瘫痪。利用故障后的稳态分量进行检测，存在的主要问题是接地稳态分量太小，常导致选线装置不能正确动作，而且该方法对中性点经消弧线圈接地电网失效。暂态分量法的主要问题在于暂态过程非常迅速，信号难以捕捉，且受外界干扰影响大，使得实际应用中遇到许多困难。谐波法的问题是谐波含量较小，且在有间歇性电弧现象时不稳定。以下我们对这些选线方法加以分析，来选择合适的选线方法【13】。1.零序电流比幅法零序电流比幅法 利用故障线路零序电流大于非故障线路零序电流的特点，区分出故障和非故障线路，从而构成有选择性的保护。这种原理在某一线路远远长于其它线路(即其分布电容与系统总的分布电容相差不大时)的情况下较难满足选择性的要求。同时，当接地点过渡电阻较大时，电容电流较小，装置可能发生拒动现象。该方法不适用于谐振接地电网。2.群体比幅比相法群体比幅比相法 该方法是先对零序电流进行比较，选出几个幅值较大的作为候选(希望通过选大的电流来避免“时针效应”，但实际上不能完全避免)，然后在此基础上进行相位比较，选出方向与其它不同的，即为故障选线.该方法在一定程度上解决了前两种方法存在的问题，但同样不能排除电流互感器不平衡电流及过渡电阻大小的影响。3.零序功率方向法零序功率方向法 零序功率方向保护原理利用故障线路零序电流滞后零序电压90，非故障线路零序电流超前零序电压90的特点来实现的。目前采用这一原理实现故障选线的装置在实际电网中应用较多，但是对于只有两支路的供电系统，两支路的零序功率相等，无法进行选择性漏电判断。4.五次谐波分量法五次谐波分量法 检测五次谐波大小和方向的方法基于以下理论:由于故障点、线路设备的非线性影响，故障电流中存在着谐波信号，根据谐波在整个系统内的分布和保护的要求，使用五次谐波分量为益。由于消弧线圈是按照基波整定的，即有L、1/C，所以SL)1/SC，即消弧线圈对五次谐波的补偿作用仅相当于工频时的1/25，可忽略它对五次谐波产生的补偿效果。因此可根据故障线路的五次谐波电流比非故障线路的都大，且方向相反的特点达到选线目的。该方法的缺点是五次谐波含量较小(小于故障电流 的10%)，且在有间歇性电弧现象时不稳定。5.各次谐波平方和法各次谐波平方和法 各次谐波平方和法是先将零序故障电流中的3、5、7等谐波分量求和，然后比较各条线路电流幅值的大小，选出幅值最大的即为接地线路。该 法虽然能在一定程度上克西安科技大学硕士学位论文 14 服单次谐波信号小的缺点，却不能从根本上解 决问题，因为负荷中的五次谐波源、电流互感器中不平衡电流和过渡电 阻的大小，均会影响选线精度。6.首半波法首半波法 首半波原理是基于接地故障发生在相电压接近最大值瞬间这一假设，它利用故障线路暂态零序电流和电压初始阶段极性有一段时间相反的 特点实现选线。但故障发生在相电压过零值附近时，首半波电流的暂态分量值很小，所以该原理不能反映相电压较低时的接地故障。且受接地过渡电阻影响较大同时也存在工作死区。7.小波分析法小波分析法 小波分析可对信号进行精确分析，特别是对暂态突变信号和微弱信号的变化较敏感，能可靠地提取故障特征。根据小波变换的模极大值理论可知，出现故障和噪声会导致信号奇异，而小波变换的模极大值点对应着采样数据的奇异点，由于噪声的模极大值随着尺度的增加而衰减，所以经过适当的尺度分解后，即可忽略噪声影响得到较理想的暂态短路信号，小波变换是把一个信号分解成不同尺度和位置的小波之和，利用合适的小波和小波基对暂态零序电流的特征分量进行小波变换后，易看出故障线路上暂态零序电流特征分量的幅值包络线高于非故障线路的，且其特征分量的相位也与非故障线路相反，这样就能构造出利用暂态信号的选线判据。8.拉路法拉路法 小电流接地系统发生单相接地故障时，继电保护装置发出报警信号，此时断路器不跳闸。值班人员听到报警信号后，逐次断开各线路的断路器，当断开某一线路时，若报警信号不消失，则表明该线路不是故障 线路，立即合上断路器，恢复供电;若报警信号消失，则该线路即为故障线路。此方法的缺点是故障后需短时停电才能确定故障支路，与小电流接地系统供电可靠性高的优点相违背。9.注入信号寻迹法注入信号寻迹法 利用单相接地时原边被短接、暂时处于不工作状态的故障相电压互感器向接地线路注入一个特定的电流信号(不同于故障时线路中己有的信号特征)，由于注入信号会沿着接地线路经接地点注入大地，用信号电流探测器在开关柜后对每一条出线进行探测，探测到注入信号的线路即故障线路。该方法利用处于不同工作状态的接地相电压互感器注入信号，不增加一次侧设备，不影响系统运行，但注入信号的强度受电压互感器容量限制，接地电阻较大时线路上分布电容会对注入的信号分流，给选线和定点带来干扰;如果接地点存在间歇性电弧现象，注入的信号在线路中将不连续且会破坏信号特征，给检测带来困难。10.注入变频信号法注入变频信号法 对注入信号寻迹法高阻接地时存在的问题，注入变频信号法可较好地解决。其原理是考虑故障后位移电压大小的不同，选择是向消弧线圈电压互感器副边注入谐振频率恒2 矿井低压电网故障模型及保护理论 15 流信号，还是向故障相电压互感器副边注入频率为70Hz的恒流信号，然后监视各出线上注入信号产生的零序电流相角、阻尼率的变化，比较各出线阻尼率的大小，再计及线路受潮及绝缘老化等因素可选出故障线路但当接地电阻较小时，信号电流大部分都经故障线路流通，导致非故障线路上阻尼率误差较大。11.基于模式识别的选线方法基于模式识别的选线方法 其原理是将故障后各线路的零序电流看成某类故障的一个模式，通过神经网络对样本的训练与学习判断此故障模式所属类别选线。此方法本质上是对信息的并行处理，具有较强的自适应性和容错性，比传统的群体比幅、比相的选线方法更为有效，即有更高的精度。但此种理论仍不成熟，实现困难，有待进一步研究。目前随配电自动化技术的发展，为选线技术提出了新的要求，需要研究基于就地测量量的保护方法。现场运行表明:上述方法都或多或少的存在一定的局限性，如:(1)单相接地时，接地电容电流的暂态分量往往较其稳态值大几倍到几十倍，若能提取暂态信号中的特征分量则有望显著提高选线精度。(2)目前，在能获得零序电流情况下的选线理论是比较完善的，但我国电力系统中只装设两相CT的架空出线的数量很大，在许多情况下难于获得零序电流，多数选线方法失效。虽然负序电流选线可以发挥效应，但这种方法会受到不对称负荷和单相冲击负荷的影响。所以对只有两相装CT的出线适用的选线原理还有待于进一步研究。(3)近年来，利用各种故障信息，把各种保护综合起来考虑的方法，如信息融合技术等正在引起人们的关注，这些研究刚刚起步，占主导的仍是最基本的故障选线方法。12.零序电压零序电流相位法零序电压零序电流相位法 零序电压和零序电流相位法是根据该支路零序电压和零序电流的相位判断该支路是否漏电的。漏电支路的零序电压超前零序电流90，而非漏电支路的零序电压滞后零序电流90。由于漏电支路和非漏电支路的零序电压和零序电流存在 90的关系，因此很容易对漏电支路和非漏电支路进行区分。但是，国标中规定，电网的漏电与否是依据漏电电阻的大小来确定的，对380V、660V和1140V电网的漏电电阻规定为：7K欧姆、11K欧姆和22K欧姆。当电网的漏电电阻没有达到国标中规定的漏电电阻值时，零序电压和零序电流也是存在的，因此仅仅根据零序电压和零序电流的相位来进行电网选择性漏电判断是不合适的。13.附加直流电源法附加直流电源法 附加直流电源法是在供电线路中附加一直流电源，如图 2.10 所示：电源的一端经过电阻 R1和零序电抗器接电网，而另一端经过采样电阻 R2接大地。当电网单相漏电时，直流电源、电阻 R1、R2、零序电抗器可漏电电阻 Rd 与大地形成一个回路，这样采样电阻 R2上就会有电压信号，根据关系：1221dURURRR=+可以算出 Rd 的值。当电网不漏西安科技大学硕士学位论文 16 电时，直流电源、电阻 R1、R2、零序电抗器与大地形不成回路，这样采样电阻 R2上没有电压信号。ABCR1R2Rd矿用设备UU1 图 2.10 附加直流电源法检测漏电电阻阻值原理图 但是，由 2.3 节的仿真可以看出：当电网发生漏电时，无论是漏电支路还是非漏电支路，采样电阻上都会有电压信号，因此不能根据附加直流电源法来进行选择性漏电的判断。基于上面的分析，附加直流电源法可以很好的判断电网是否漏电，但是不能据此进行选择性漏电判断；而零序电压和零序电流的相位法可以很好地进行选择性漏电判断但是不能仅仅据此来确定电网是否达到国标规定的漏电水平。将附加直流电源法和零序电压和零序电流相位法相结合就可以很好地进行电网选择性漏电判断。2.5 故障检测技术 2.5.1 过载保护理论 由于矿井下的设备基本上是电机驱动的，所以研究馈电开关的保护理论就要从电机的过载保护研究，以下都是从电机保护的角度来进行研究的。当电机过载时，电动机的的发热量 Q 与流过绕组的电流满足下列平衡关系：()tIFdtIQ=2 式(2.10)式中：dtI2项是绝热时的总发热量()tIF电动机散发的总热量 2 矿井低压电网故障模型及保护理论 17()IF单位时间散热的修正系数 准确的电机保护数学模型都是建立在热模型的基础上的，电动机热模型是同时考虑了电机定子绕组发热、定子铁心发热以及转子发热过程的动态模型。目前的电机保护大多是根据电流与时间的反时限特性曲线实现对电机的保护。这种方法比较简单,能满足大多数电机保护的要求。但是,这种方法在处理电机冷态过载和热态过载时存在着一定的困难。如图2.11所示：时间(S)图 2.11 电机过载曲线 图2.11中分别列出了电机在冷态和热态时过载时间和过载倍数的关系。式2.10中的数学模型的准确计算通常是用计算机或者用高级语言来编写单片机的源程序，但是这两种方法程序量大，系统运行的速度比较慢。实际应用中电机保护的动作时间并不需要完全和数学模型相吻合，但是要保证在理论数学模型曲线的保护区域内部，如图2.11中热态过载曲线与X、Y轴组成的区域，并且尽量逼近理论值。本文在程序的算法中采用了函数拟合的原理，用A、B、C三段不同斜率的线形函数逼近热态时的过载曲线，在每一个线形区间范围内采用反时限原理。考虑到信号检测处理的误差和数据传输的时间延迟，保护的实际动作时间比理论值要稍快一点，因此本文采用的曲线拟合方案是可行的。过载保护的保护范围设定为：1.05设定ImaxI8设定I,当实际最大电流大于或等于8倍设定电流判断为短路，小于或等于1.05倍设定电流判断为正常【21】。由上面对电机过载保护的理论分析，可以将这一理论应用在馈电开关的过载保护上。2.5.2 缺相和相间电流不平衡保护理论 缺相是指由于某种原因三相电的某一相断路，而造成的三相电动机在两相供电的情况下工作，这种情况将导致流过电动机的定子的电流大于额定电流，电动机发热，最终将烧毁电机。而不平衡是由于流过电机三相绕组的电流大小不平衡而导致的电机发热。相间不平衡及缺相的计算公式如下：西安科技大学硕士学位论文 18 ()pIII%100minmax=式(2.11)式中：maxI三相中最大电流，minI三相中最小相电流，pI 三相平均电流。电机的相间不平衡采用反时限动作原理，即 数越大，动作的时间越短。考虑到电机本身的因素和测量值的误差，为 15%时开始累加，当 150 时，馈电开关立即动作，故障记忆显示为缺相，否则故障现象为不平衡。通过数学模型计算，当电机一相电流为零，其余两相相等但大于零时，为 150；当两相不相等，但大于零时，大于 150。因此，把缺相时的 定为 150 是合适的【21】。2.5.3 短路保护理论 电机的短路判别建立在过载数学模型的基础上，当(/)8MAXII额定，既过载8倍时判断为短路或电机绕组短路，溃电开关立即动作，动作反应时间小于100ms。短路倍数值可以根据实际情况修改【21】。2.5.4 欠压保护理论 欠压是由于电网电压严重下降导致电机转速降低或停止转动，而导致电机发热，烧毁电机。一般认为当电网电压下降到额定电压的75