一种附加直流电源漏电保护器的研制.pdf

第 4期 2 0 1 0 年 4月 工矿 自 动化 I n dus t r y a n d M i ne Aut oma t i o n NO ． 4 Ap r ．2 0 1 0 文章 编号 1 6 7 1 2 5 1 X 2 0 1 0 0 4 --0 0 2 2 0 3 一 种附加直流电源漏电保护器的研制 高 赘 西安科技大学电气与控制工程学院， 陕西 西安7 1 0 0 5 4 摘要 分析了煤矿井下中性点不接地供 电系统对地绝缘 电阻的基本要求， 给 出了附加直流电源检测对地 绝缘 电 阻的原 理与保 护方法 ； 在 此基础 上介 绍 了一种 附加 直流 电源漏 电保 护器 的软 、 硬 件设计 方案 。实验和 实际运行结果表明， 该 附加直流电源漏电保护器误差较小， 能够满足煤矿井下电网的漏电保护要求。 关键词 矿井；电网；漏电保护；附加直流 电源；绝缘电阻；单片机 中 图分 类号 T D 6 1 1 ． 5 文献标识 码 B De v e l o p me n t o f a Le a k a g e Pr o t e c t o r wi t h Ad d i t i o n a l DC So u r c e GA0 Yu n Sc ho o l o f El e c t r i c a l a n d Co n t r o l En g i ne e r i n g o f Xi a n U n i v e r s i t y of Sc i e n c e a n d Te c hn o l o gy， Xi a n 7 1 0 0 5 4，Ch i n a Abs t r a c t Ba s i c r e qu i r e m e nt s o f i n s ul a t i o n r e s i s t a n c e be t we e n i s o l a t e d ne ut r a l p owe r s up p l y s y s t e m o f c o a l mi ne u n de r gr o u nd a nd gr ou nd we r e a n a l y z e d a nd pr i n c i pl e a nd pr o t e c t i o n me t ho d of d e t e c t i ng i ns u l a t i o n r e s i s t a nc e by a d di t i o n a l DC s o ur c e we r e gi ve n．On t he b a s i s ， a d e s i g n s c h e me o f s o f t wa r e a nd ha r d wa r e o f l e a k a g e pr ot e c t o r wi t h a d di t i o n a l DC s o u r c e wa s i nt r o d uc e d．Th e r e s ul t s o f e x p e r i m e nt a nd a c t u a l r u n n i n g s h o we d t h a t t h e l e a k a g e p r o t e c t o r h a s s ma l l e r r o r a n d c a n me e t r e q u i r e me n t o f l e a k a g e pr ot e c t i o n o f un d e r g r o und po we r n e t wo r k． Ke y wo r ds mi n e， p o we r n e t wo r k， l e a ka ge p r o t e c t i on， a d d i t i o n a l DC s o u r c e，i ns ul a t i o n r e s i s t a n c e， s i n gl e c hi p mi c r o c o m p ut e r 收稿 日期 2 0 0 9 1 2 0 8 基金项目 陕西教育厅资助项 目 0 9 J K5 6 8 作者简介 高赞 1 9 5 7 一 ， 男， 陕西兴平人， 博士 ， 教授 ， 主要研 究方 向为控制理论 与控制工 程、 煤矿供 电网继电保 护等 。E ma i l x k d g a o y u n x u s t ． e d u ． C r l 0 引言 煤矿井下供电系统的安全运行是煤矿安全生产 的重要保障， 其中漏 电保护是井下安全供电的三大 保护 过流 、 漏 电保护和保护接地 之一 ， 是防止瓦斯 图 8 计 算某方 向位移的程序流程 设计完成 ， 测试结果表明其测量精度可达0 ． 0 1 mm， 且性 能稳 定 ， 准 确性好 。 参考文献 I- 1 ] 王庆有． C C D应 用技 术 [ M] ． 天 津 天津 大学 出版社 ， 200 0 ． [ 2 ] 周 立 功． L P C 9 0 0系 列 F l a s h单 片机 应 用 技 术 [ M] ． 北京 北京航空航天大学 出版社 ， 2 0 0 4 ． [ 3 ] 胡 渝 ， 荣健． C C D的发展现状及展望l- J ] ． 仪器仪表 学报 ， 2 0 0 5 ， 2 6 8 7 1 8 - 7 2 0 ． [ 4 ] 蔡文贵， 李永远， 许振华． C C D技术及应用[ M] ． 北京 电子工业出版社 ， 1 9 9 2 ． [ 5 ] 童诗 白， 华成英． 模 拟 电子 技术基 础 [ M] ． 北 京 高等 教育 出版社 ， 2 0 0 1 ． 2 0 1 0年第 4 期 高 赘 一种附加直流电源漏电保护器的研制 2 3 煤尘爆炸、 人身触 电以及设备 安全运行 的重要措 施L 1 q] 。漏电保护是在供 电线路对地绝缘发生损坏 或出现人身触电现象时迅速切 断电源， 从 而避免事 故的发生。煤矿井下低压供电网的漏电保护多采用 零序电流方 向 选 择性 保 护和 附加 直流 电源保 护_ 2 这两种方式。选择性漏 电保护只适应于放射 性多支路的接线方式 ， 用于断开发生漏 电故障的支 路 。如果在于线或单一支路 中发生漏电故障， 由于 零序电流的方向由母线 流向支路， 则选择性漏 电保 护就不起作用l_ 4 ] ， 降低了供电的可靠性 。针对上述 问题 ， 本文利用附加直流电源可以检测绝缘 电阻的 原理设计了一种以单片机为核心的漏电保护器 ， 经 过实验 和实 际运 行达 到 了满 意的效果 。 1 附加 直流 电源漏 电保 护原 理 1 ． 1 保 证人 身安 全 的绝缘 电阻 由于 我 国煤 矿 井 下 采 用 中性 点 不接 地 供 电方 式 ， 当只考虑电网对地的绝缘电阻时， 其供 电系统原 理 如图 1 所示 。 C B A 图 1 中性 点 不 接 地 供 电 系统 原 理 图 1中， r 一， I B r c r ， 分别为各相对地绝缘 电阻。当人触及 A相或 A相的对地绝缘损坏后 设 A相对地阻抗为 R ， 当R r时， 则三相电网的对 地电压不再对称 ， 于是 电网上就 出现 了零 序 电压 U 0 。设 J 为流 过人体 的 电流 ， 则有 UA． 1 一 Uo 3 UA UA ， 1 、 一 1 一 3 R r R R - 4 - r ／ 3 u 一 般认 为 ， 3 0 mA 为人 身触 电 电流 的安 全极 限 值。在煤矿井下， 通常取人身电阻值 R 一1 k Q。由 式 1 可知 ， 在相电压和人身 电阻确定的条件下， 当 人触及 A相或 A相的对地绝缘损坏后， 提高绝缘电 阻就可以减小流过人身的电流或者人地电流。由上 述条 件可 知 ， 对 于 煤 矿 井 下 相 电 压 分 别 为 3 8 0 V、 6 6 0 V和 1 1 4 0 V的电网， 为了保证流过人身的电 流不超过安全极限值， 则每相对地 的绝缘 电阻最少 为 1 9 k fi、 3 5 k Q 和 6 3 k fi。因此 ， 通 过 检测 电网绝 缘电阻的大小可以实现漏电保护。 1 ． 2 附加直 流 电源漏 电保护 原理 在电网与地之间施加一个直流电源。当电网与 地之间的绝缘电阻发生变化时， 就会引起直流 回路 电流的变化 ， 从而可以间接地计算出电网对地 的绝 缘电阻， 其附加直流漏电保护原理如图 2 所示。 图 2附加 直 流 漏 电保 护 原 理 附加直 流电源 电压为 己 ， 的正极 接 地 ， 直 流 电 流经 三相绝缘 电阻 设 并联 等 效 电阻 为 r 、 电抗 器 S K、 分压 电阻 R。 和 R 。 。 后 回到直流 电源 的负极， U ， 为 R o z 上的电压。从图 2可知电网的对地绝缘电 阻为 D r r z一 一 Ro 1 R0 z Rs K 2 1 式 中 Rs K 为三相 电抗 器 S K 的等效 电阻 。 为了保证人身安全 ， 结合式 1 ， 对于相 电压分 别为 3 8 0 V、 6 6 0 V和 1 1 4 0 V的井下低压供电网来 说， 最少分别为 6 ． 3 3 k Q、 1 1 ． 7 k 0和 2 1 k Q。 对于直流回路来说， r 为三相电网对地的并联 等效电阻。由并联 电路 可知， 若 三相 中的一 相或 两相对地绝缘电阻下降时 ， r 的值小于三相绝缘电 阻同时下降时的值。因此 ， 检测 r 的值就可以检测 任意相 或三相同时 对地的绝缘电阻值， 从而可以 实现根据电网对地绝缘电阻的漏电保护。 2 附加 直流 电源 漏 电保 护器 的设 计 2 ． 1 硬 件 电路设 计 附加直流电源漏电保护器的硬件 电路如图 3 所 示 ，由 单 片 机AT 8 9 C 5 2 E ] 、A／ D 转 换 芯 片 A D5 7 4 A『 6 ] 、 采样保持器 L F 3 9 8以及输出驱动控制 电路等组成。 输入信号 图 2中的 。 经电阻分压和线性光 耦隔离单元后 电压 送人 L F 3 9 8 ， 采样保持信号 由 AT 8 9 C 5 2的 P 1 ． 2端输出， AD 5 7 4 A的片选信号 由 AT 8 9 C 5 2的 P 1 ． 0端给 出。漏 电控制信号通过 AT 8 9 C 5 2 的P 1 ． 7 端输 出， 经光耦隔离推动继电器 2 4 工矿 自动化 2 0 1 0年 4月 GND 竺 - t 占 R D }r D Il 4 ． P 0 ．4 P 0 ．7 一宙 Dj～D7 4 P0-3～P0．O 卜1__[ I --1’d t-_ BlPOFF 。。 Vcc 光 ADJ T 审 D旷D3 耦 6 IN P U T I L A G C E R D F - 一 WR 线 “J 二 - 占． R E F IN R ／C 一 I 5 Vl L RE F OUT CS P1 ．O 性 OUTPUT 鬃 隔 LoGlC Ao P1．7 离 Lrj lO lD2厍G AD574A P1．6 P12 s 图 3 附加直流电源漏电保护器 的硬件电路 工作， 同时通过 AT 8 9 C 5 2的 P 1 ． 6端信号驱动发光 二极管输 出报警信 号。由于 电阻 R R R。 R 。 ， 所 以它 们对 电压 U 的影响可 以忽略不计 。 2 ． 2 软 件设计 该保护器软件的主要功能是实时采集直流电路 的分压信号， 根据式 2 计算出电网的对地绝缘电阻 值， 根据绝缘电阻的大小判断是否发生漏电故障， 若 为漏电故障则发出断电控制信号切断电源并发出报 警信号。如前所述 ， 软件可根据电网相电压的不 同 设定不同的绝缘电阻保护值 。 3 实验与现 场测试 由上面的分析可知， 当电网对地的绝缘 电阻下 降到会对人身造成伤害时认为发生漏电故障。实验 测得 当图 2中的 r 、 r B 、 ， - 由C 3 ～ 0变化 时 ， “ 由小 到大变化 ， 经线性光耦 隔离后 的电压 按 比例随 “ 变化 。实 验 中， 取 图 2中 的 C o 一 2 0 ． 4 7 F， U 一 3 6 V ， R0 1一 Ro 2一 R3 1 0 kQ， Rl一 1 0 0 k Q ， R z 5 0 k Q， R s K O ． 1 2 k Q， 则 式 2 变为 Lr r r 一 一 R 3 U 2 式 中 k 2 ． 7 5 ； R 一2 0 ． 1 2 k Q。 取电源线 电压 U 一3 8 0 V， 所得实验 数据如 表 1 所示 ， 其中 。为采样所得数据。从表 1可看 出， 该直流电源漏 电保护器的最大误差小于4 ， 可以满足要求。 表 1 电源线电压 U 一3 8 0 V时的实验数据 经过实验 室测试 和现 场试 运 行 ， 该保 护器 达 到 了设计 要求 ， 取 得 较好 的 效果 。若 改 变绝缘 电阻 的 动作 值 ， 可 适 用 于 井 下 3 8 0 V／ 6 6 0 V／ 1 1 4 0 V等 不同等级的电网中， 安装在馈电开关或漏电保护装 置 中。 4 结语 在干线或单支路接线方式的煤矿井下供电网络 中， 采用附加直流电源的方法可以检测电网的对地 绝缘电阻， 从而实现漏电保护。在多支路接线方式 的煤矿井下供电网络 中， 由于多支路的对地 电阻是 并联关系， 并随并联支路的多少变化， 所以采用附加 直流 电源的方法 就不能 获取 电网对地 的准确绝缘 电 阻值 ， 该方法就失去意义。附加直流电源的方法测 出的是直流电阻， 被测对象是交流电网。另外 ， 上述 方法忽略了电网对地电容的影响， 所 以该方法存在 一 定 的误差 。 参考文献 [ 1 ] 杨发 长． 浅析 煤矿 井下 低压 供 电系统 [ J ] ． 科 技 情报 开发与经济 ， 2 0 0 7 ， 1 7 2 4 2 7 4 2 7 6 ． [ 2 ] 胡 天禄． 矿 井 电网 的漏 电保 护 [ M] ． 北 京 煤 炭工 业 出版社 ， 1 9 8 7 1 - 1 5 4 ． [ 3 ] 卢恩贵． 浅谈漏电保护技术的研究与发展[ J ] ． 煤矿 安全 ， 2 0 0 7 2 4 0 4 4 ． [ 4 ] 高 赞． 一种 选择性漏 电保护 器的研制 [ J ] ． 仪器 仪表 学报 ， 2 0 0 8 ， 2 7 6 1 4 9 1 5 1 ． I s ] 杜 树 春 ， 张体 才． 单 片机 与 外 围器 件 接 口实例 详 解 [ M] ． 北京 中国电力出版社 ， 2 0 0 9 ． [ 6 ] 王福瑞． 单 片微机测 控系统设 计大全 [ M] ． 北 京 北京 航空航天大学 出版社 ， 1 9 9 8 2 5 3 2 6 0 ．