基于PIC16F877A 矿井低压电网选择性漏电保护的原理及其应用.pdf

Ξ 收稿日期2006 - 12 - 11 作者简介刘梅华1978 - ,女,安徽安庆人,硕士,主要从事电力系统通信的研究. 【电子与自动化】 基于PIC16F877A矿井低压电网选择性 漏电保护的原理及其应用 Ξ 刘梅华1,汪 东2,杨艳秋1 1. 重庆通信学院,重庆 400035; 2.重庆煤科院 瓦斯所,重庆 400037 摘要在分析目前矿井低压电网漏电保护系统的基础上,提出了以PIC16F877A为核心,基于附加 直流电源检测和零序功率方向的新型选择性漏电保护方案,简化了传统保护装置的设计,可以改 善井下低压电网漏电保护的动作性能.重点分析保护系统原理,并简要介绍了保护装置的实现, 本系统可以提高井下低压电网的安全性能. 关 键 词选择性;漏电保护;矿井低压电网;PIC16F877A 中图分类号TD611 文献标识码A文章编号1671 - 0924200702 - 0117 - 03 On the Principles and Applications of Selective Leakage2protection of Low Voltage Distribution Networks for Mines Based on PIC16F877A LIU Mei2hua1,WANGDong2,Y ANG Yan2qiu2 1. Chongqing Communication College , Chongqing 400035 , China ; 2. Gas Institute , Chongqing Coal Science Academy , Chongqing 400037 , China Abstract Based on the analysisof the present leakage2protection systemfor underground low voltage distri2 bution networks , this paper puts forward a new selective leakage2protection scheme based on additional DC power supply and direction of zero sequence power with PIC16F877A as the core , which simplifies the de2 sign of conventional protection devices and can enhance levels of safety for underground low voltage distri2 bution networks. This paper emphatically analyzes principles of protective systems , introduces the realiza2 tion of protection device briefly. This system can improve security of low voltage distribution networks. Key words selectivity; leakage2protection; mine low voltage distribution networks; PIC16F877A 0 引言 煤矿井下环境条件和生产条件都十分恶劣, 大部分为电缆供电,电缆线路经常发生单向漏电 或单向接地故障,会引起井下电气火灾、 瓦斯煤尘 爆炸、 电雷管提前引爆以及人身触电等重大事故, 设置完善的选择性漏电保护,采取切实可行的漏 电保护措施,可以减小因漏电而造成的停电事故 范围、 减小各用电负荷之间的相互影响,提高井下 第21卷 第2期 Vol.21 No.2 重 庆 工 学 院 学 报 Journal of Chongqing Institute of Technology 2007年2月 Feb.2007 供电系统的安全性和可靠性[1]. 我国煤矿井下低压电网的中性点全部为不接 地方式,如图1所示. 图1 矿井低压供电系统 一般为3级,即总自动馈电开关Q1、 分支馈电 开关Q2和磁力起动器Q33级,图中T为降压变压 器.选择性漏电保护装置一般设在总馈电开关和 分支馈电开关两处,而磁力起动器处一般仅设漏 电闭锁保护,亦即采用二级选择性漏电保护系统. 为保证选择性,上、 下级漏电保护装置之间通过延 时来实现动作的选择性,横向选择性多采用零序 功率方向保护原理来实现,但总自动馈电开关处 的漏电保护装置一般采用附加直流电源的保护原 理[2 - 3]. 1 漏电保护原理分析 漏电保护的主要目的是通过切断电源来防止 人身触电伤亡和漏电电流引爆瓦斯煤尘.漏电保 护原理的种类较多,从适用于井下低压电网的漏 电保护原理来看,主要有以下几种附加直流电源 的保护原理、 零序功率方向原理、 零序过流原理、 旁路接地保护原理.目前在现场使用的漏电保护 装置主要采用前两种原理. 1.1 总馈电开关的漏电保护原理 总馈电开关处的漏电保护装置负责全电网的 漏电保护和总漏电后备保护作用,可采用附加直 流电源的漏电保护原理,如图2所示.直流电流I 经Rs由电源U的正极流出入地,经绝缘电阻r进 人三相线路.再由三相电抗器L、 人为中性点Nm、 电阻R返回直流电源负极[4]. 其检测电流I可由式1求得 I U RL/3 RRSRErΣ U ∑RrΣ 1 式1中 RL为三相电抗器每相线圈的直流 电阻; RE为接地电阻; rΣ为三相电网对地总绝缘 电阻, rΣr/3.其中,仅rΣ为变量,故检测电流I 直接反映了电网的绝缘情况. 取样电阻上的电压Us可表示为 UsIRs U ∑RrΣRs 2 三相电网对地的总绝缘电阻可由式3计算 rΣ U UsRs -∑R3 电网正常运行时,根据式3可实现对电网绝 缘电阻的连续监测;当人身触电或发生漏电故障, 使r达到装置动作设定值时,迅速将电源切除.另 外,即使电网的绝缘电阻均匀下降,仍可将此故障 现象检测出来,这是附加直流电源漏电保护原理 的一大优点. 利用附加直流电源原理实现的漏电保护装置 不具备选择性功能[5].电网中任一处发生漏电故 障时该装置都要无选择性地动作.但对总馈电开 关而言,已经能满足漏电保护的要求. 图2 附加直流电源漏电保护原理图 1.2 分支线路的漏电保护原理 图3为图1所示电网K2点发生单向漏电故 障时的零序等效网络.分别为线路L1 ,L2 ,L3和总 馈电开关处线路的每项绝缘电阻和对地电容,用 集中参数表示;Rf为漏电故障点过渡电阻,故障发 生在电网A相. 设漏电故障发生时电网的零序电压为U0,规 定电流母线指向线路方向为正方向.则由图3可 得到流过非故障支路L1 ,L2和总自动馈电开关处 线路首端的零序电流分别为 3I01U0 3 r01 j3ωC01Ir01IC014 3I02U0 3 r02 j3ωC02Ir02IC025 3I03U0 3 r03 j3ωC03Ir03IC036 而流过故障支路L3首端的零序电流则为 3I03 -U0 3 r01 3 r02 3 r03 j3ω C 0Σ-C03 811重 庆 工 学 院 学 报 -Ir- I C01IC02IC03 7 式7中 C0Σ为全电网一相对地电容之和; C0ΣC1C2C3C4; IrIr1Ir2Ir4. 由式4～式7与图3可知,流过故障支路 L3首端的零序电流分2部分非故障支路绝缘电 阻产生的有功电流之和-Ir,其相位与零序电压差 180;非故障支路零序电容电流之和- I C01IC02 IC04 , 相位滞后于零序电压90.而流过非故障 支路首端的零序电流也包括2部分本支路绝缘 电阻产生的有功电流与零序电压同相位;本支路 对地电容产生的容性电流,相位超前零序电压 90. 由于故障支路和非故障支路的零序无功电流 分量相反,因此可利用此特点来实现选择性漏电 保护. 图3 单相漏电故障零序等效网络 2 选择性漏电保护的选线判据 传统的漏电保护装置采用比相电路来设计, 模拟电路构成,抗干扰能力差,无法实现装置的智 能化.为了实现保护装置的智能化,应该寻找新的 保护算法. 设电网零序电流I0,零序电压U0的相位角分 别为 фI,ф U,根据傅里叶算法可求得其值为 фI arctan I0I I0R ,ф U arctan U0I U0R 令 фф U-фI,则有 sinф 1 I 2 0II20R U 2 0IU20R I 0RU0I-I01U0R 8 式8中 U0I, U0R, I0I, I0R分别为U0, I0的虚 部和实部. 将零序电流I0超前移相90,以基波零序电压 U0为基准,将I0投影到与U0平行的平面上,构造 下列漏电保护选线判据方程 PrU01I01 cos ф 909 式9中U01, I01分别为U0, I0的模值,且有 U01U20RU20I, I01I20RI20I 由式8进一步化简式9得 PrI0IU0R-I0RU0I10 由式4～式7可知,对故障支路L3 PrU0ICΣ 对非故障支路L1其他非故障支路与此类 似 Pr -U0IC1 式中 ICΣ为IC01IC02IC04的模值; IC1为IC01 的模值. 显然,对应于故障支路总有Pr 0,而对非故 障支路则总有Pr 0,且故障支路的Pr值较非故 障支路大得多.从而可以利用式10准确、 可靠地 判断出故障支路[5 - 6]. 3 选择性漏电保护装置的实现 根据矿井低压电网情况,系统采用两级分布 式结构,分别在总自动馈电开关处和分支馈电开 关处,根据前文所述总馈电开关处采用附加直流 电源,分支馈电开关处采用零序电流原理,保护装 置原理如图4所示. 图4 漏电保护装置原理框图 本系统CPU选择微芯公司生产的PIC16F877A 芯片,这款单片机内含10位的A/ D转换器,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[7].由于总线独立,读取指令 和存取操作就可以同时进行,可以提高单片机内 的数据流量,提高代码的运行效率 . 下转第128页 911刘梅华,等基于PIC16F877A矿井低压电网选择性漏电保护的原理及其应用 相关资料;另一方面,要求学生对所讨论问题作简 要的报告,以加强学生对专业知识的认识和理解. 此外,平时成绩的评定也是评价一个学生综 合成绩的一个重要方面.平时成绩不仅包括平时 作业、 考勤,还包括参与导师科研课题,听取科研 报告、 讲座等方面内容. 3.5 加强师生间的交流 要处理好教学两个主体的关系,必须加强师 生间的相互交流.教学的对象是学生,只有了解了 学生的需求,教才是有目的性的教,学才是有积极 性的学.所以,教师还应该在课外不时地与学生进 行知识的交流,与学生多接触,积极通过各种渠 道,了解学生的学习状况,这样在课堂教学中才能 得到学生的积极配合,达到活跃课堂、 实现互动的 目的. 4 结束语 本文中以工科课堂教学为例,对课堂教学模 式和方法作了比较具体的阐述,对双向启发式教 学模式进行了完善和具体化.但是,所有这些理论 和模式实现的关键仍然在于转换教师的教学理 念.这种教学模式不是对教师的否定,相反,更强 调教师的引导作用. 参考文献 [1] 杨得兵.高校课堂教学也要创新[J ].河南商业高等 专科学校学报,20036 82 - 83. 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