矿用低压馈电开关中相敏短路保护的研究.pdf

6 0 煤矿机电 2 0 0 7 年第2 期 矿用低压馈电开关中相敏短路保护的研究 高俊岭1 ，王清灵1 ，朱咏梅2 1 ．安徽理工大学电气系，安徽淮南2 3 2 0 0 1 ；2 ．上海电子信息职业技术学院，上海2 0 0 2 3 7 摘要描述了相敏对称短路保护的工作原理，介绍了以单片枕8 0 C 1 9 6 K B 为核心，逶过榴敏整 流的方法检测、计算功率因数的实施方案，具有抗干扰性能好，实施电路简单的优点。 关键谓低基馈电开关；相敏短路保护；功率基数；8 0 C 1 9 6 K B 中图分类鼍T D 6 1 l 。5文献标识褐B文章编号1 0 0 l 一0 8 7 4 2 0 0 7 0 2 - 0 0 6 0 - 0 3 S t u d yo nP h a s e s e n s i t i v eS h o r t - - c i r c u i tP r o t e c t i o ni nL V F e e d e rS w i t c h g e a rf o rM i n e G A OJ u n - l i n g ‘，W A N GQ i n g - l i n 9 1 ，Z H U 勤昭一m e i 2 1 ．A n h u iU n i v e r s i t yo fS c i e n c ea n dT e c h n o l o g y ，H u a i n a n2 3 2 0 0 1 ，C h i n a ； 2 。S h a n g h a iT e c h n i c a lI n s t i t u t eo fE l e c t r o n i c s I n f o m a t i o n 。S h a n g h a i2 0 0 2 3 7 ，C h i n a A b s t r a c t T h ep a p e rp r e s e n t st h ew o r k i n gp r i n c i p l eo fp h a s e s e n s i t i v es h o r t c i r c u i tp r o t e c t i o n ，i n t r o d u c e st h e i m p l e m e n t i n gs c h e m eo fd e t e c t i n ga n dc a l c u l a t i n gp o w e rf a c t o rb yp h a s e s e n s i t i v er e c t i f i c a t i o nm e t h o dw i t hs i n g l e c h i pm i c r o c o m p u t e r8 0 C 1 9 6 K Ba st h ec o r e ，w h i c hh a sg o o dp e r f o r m a n c eo fa n t i i n t e r f e r e n c ea n ds i m p l ec i r c u i t f o rr e a l i z i n g ． K e y w o r d s L Vf e e d e rs w i t c h g e a r ；p h a s e s e n s i t i v es h o r t c i r c u i tp r o t e c t i o n ；p o w e rf a c t o r ；8 0 C 1 9 6 K B 1 写l 富 煤矿安全规程规定井下由采区变电所、移动 变电站或配电点萼| 出的镶瞧线上，应装设短路、过负 荷和漏电保护装置；井下配电网路 变压器馈出线 路、电动机等 均应装设过流、短路保护装置。因 此，认真研究安全可靠的保护装置至关重要。 目前我国煤矿井下供电系统仍采用传统的鉴幅 式继电保护或电子保护。这种保护整定误差大，动 炸时间长，可靠性低。特别在翅予馈电线路中的短 路保护时，若要保护全线路，则应保护范围末端最小 短路电流整定，整定值小，使大型电动机起动时易造 成保护误动搀；若要躲过起动电流，则要求繁定值 大，将不能保护线路全长而且灵敏度较低。经研究 发现，煤矿井下供电系统中的负载均为感性负载，电 动机起动时电流虽然很大，但是功率因数比较羝 一般在O ．5 以下 ，而短路时的功率因数则较高 在0 ．9 以上 。同时检测电网电流大小的及其功 率因数，就可以区分起动电流和短路电流，实瑷有效 的保护作用，这就是相敏保护的基本原理。采用基 于功率因数检溺的棚敏保护联理不徨可提嵩短路保 护的灵敏度，扩大保护范围，丽且还能保证其动作的 可靠性。不少文章采用相敏保护原理实现对称短路 保护的方法，是通过检测楣电压穗相电流的相位寒 检测功率因数，抗干扰性能差，误差较大。本文提磁 通过相敏整流检测、计算功率因数，具有抗干扰性能 强的优点。 2 工作原理 相敏保护原理的实现有聪个基本要素电网功 率因数和工{ 乍电流有效筐。本文通过对糨电流缝鼹 平均值、相敏平均值检测，计算功率因数和电流有效 值。A 相电流电压“。及电流i 。波形如图l a 所示， 具体分析如下。 整流后的电流i 。I 波形如图1b 所示，在0 ～叮r 期 间，i 越的平均电流屯。为 {，嚣， 屯V 2 瓤，ms i m t o t d 甜‘ 。言，m 相敏整流后的电流i A 。波形如图1 c 所示，在0 一 嚣期阔，i 。x 的平均巍漉矗v 隽 万方数据 2 0 0 7 年第2 期煤矿机电 6 l 庐太枷| | 矿心 ．／ 一 { 兀 ＼i沁纱‘ 7 c 2 妒2 7 c 0 妒 久庞参锄，∥笏 0 蒯锄励 歹髟∥ 1 图1A 相交流电压、电流波形 k 2 瓤，ms i n c o t 一妒 d 似‘ } c o s 妒 故功率因数为两个电流平均值的比值 ，x v C O S92i 软件实现的方法是在0 ～叮r 期间对i A 进行1 8 次采样，取i 。的绝对值后求其平均值得，J 。；对i 。的 实际值 包括极性 求其平均值得j 。。。，x 。除以‰ 得C 0 8 妒。在叮T ～2 1 T 期间，方法同前；对i 。的实际值 求其平均值后加“一”得一＆v 。一k ，除以‘v 得 C O S 妒。由于是取电流的平均值，故此种计算方法抗 干扰性能好。 3 电路实现 1 同步脉冲的产生 功率因数检测首先需要采集电网的A 相电压 过零点，但由于煤矿井下电网大多数采用中性点不 接地的供电方式，无法直接取得相电压，故系统中通 过移项的方法来得到相电压，采样电路通过电压传 感器采集A 、B 相的线电压u 。。，M 。。，经过阻容移相 3 0 0 ，即可得到与A 相电压同相位的u 。7 ，再经过比 较器和光电耦合电路，得到A 相电压的相位脉冲信 号，送至单片机8 0 C 1 9 6 K B 的高速输入口H S I ．0 。 该脉冲作为单片机采集电流平均值的同步信号。 2 电流的检测 电流的检测电路如图2 所示。A 相交流电流经 过电流传感器，再经电位提升电路处理后，变成脉动 的电压信号，送至单片机的A ／D 口A C H l 。C T 为霍 尔传感器，可用于测量直流、交流和脉冲电流。 图2 电流检测电路 交流电流检测电路各点波形如图3 所示。n 徂 为电流传感器输出电压波形，其峰值为4 V ，M ㈨为 Ⅳ。放大且偏置后的输出电压波形，其峰一峰值为 4 V 。U i A l 送单片机的A ／D 输入引脚A C H l 。 ／＼／／队 卜／ 代价一 图3 电流检测电路各点波形 4 软件功能 1 软件锁相分频 单片机响应同步电路产生的外中断信号H Ⅲ，首 先对工频信号分频，即通过软件锁实现将工频分成 3 6 倍的软件定时频率，软件定时周期为2 0 m s ／3 6 5 5 5 t x s ，每个工频周期采样3 6 次。 2 i 。的采样 在每个采样周期 软件定时中断子程序 中，读 M 川，读取的瞬时值减去偏差2 V ，得到交流电流瞬时 值。根据检测电路的系数 i A k l k 2 “，A l 式中k 。一电流传感器的变换系数； 而一Ⅳ。的放大倍数，_ 】} 0 ．5 。 读取的交流电压瞬时，值除以k ，后，考虑模数转 换系数，即可得到实际的交流电流瞬时值。 3 ，J v 的计算 J ，。为i 。的绝对值平均值。每个采样周期求出 i 。的绝对值且求出其累加值，当采样次数满1 8 次， 求其半个周期的平均值J 『㈣ 4 I x 。的计算 ，x 。为以的相敏整流平均值，在电压正半周期 内，求i 。的实际值且累加，采样次数满1 8 次，求其 前半个周期的平均值，x 。。在电压负半周期内，求i A 万方数据 6 2 煤矿机 电2 0 0 7 年第2 期 的实际值，且累加，采样次数满1 8 次，求其后半个周 期的平均值，。。，且取反极性。在电流稳定状态，正 半周，。，的与负半周的一，x 。应相等。 5 功率因数的计算 ，x v C O S 妒2i 应半个周期计算一次，即功率因数检测的数据 为纯滞后环节，滞后时间为l o r e s 。 6 交流电流的有效值 对于单相交流正弦波电流，其半波电流平均值 ，Ⅳ与其幅值，。的关系为 I Ⅳ 等I m 交流电流有效值，与其幅值的关系为 ，2 万1 ，。V 厶 则， 1 ．1 ／j 。。根据‘。可以求出有效值，。 7 相敏信号的处理 采集到功率因数和电流幅值信号后，把两者按 ， C O S 击 C 式中， 是电流倍数，为实际工作电流与最大短 路电流比值。根据电网负荷大小不同，选择不同的 C ，得到不同的工作区，从而得到最佳保护效果。 5 结语 用相敏保护原理来实现井下长线路发生三相短 路故障的主保护，可以解决大容量鼠笼式异步电动 机起动电流与线路末端最小两相电流难以区分的问 题，大大减少大型电机起动误动现象，提高三相短路 保护的灵敏度。本文提出的基于功率因数检测的相 敏对称短路保护的实施方案，具有抗干扰性能好，动 作准确，实施电路简单的优点。 参考文献 [ 1 ]宋建成，梁毅龙，孟润泉．矿用隔爆型真空馈电开关中的过电 流保护[ J ] ．继电器，1 9 9 9 5 [ 2 ] 金磐石，王永明．1 9 6 系列单片微型机应用详解[ M ] ．北京电 子工业出版社，1 9 9 2 作者简介高俊岭 1 9 6 6 一 ，男，工程师。长期从事自动控制的教 学与研究。 一定的关系相“或”得到如下式所示动作曲线。 收稿日期2 0 0 6 0 5 1 9 ．责任编辑姚克 上接第5 9 页 引也垴妇一。。。山一。。一。．眇 01 0 0J 7 92 5 03 0 0 0 趾血．。。．一一．k 一一⋯。 P 点 01 0 0 1 7 9 2 5 03 0 0 3 广] ii i 6 i 1 6 i 出嗵．。。6 6 。幽．6 。岛瞄．6 如占曲。k 丛。．为。凸凸。。。』澳8 点 O1 0 01 7 92 5 03 0 0 5 n [ 逊她幽。幽岫出越a 出_ 出。酬龇酗I 。P 点 O1 0 01 8 32 5 03 0 0 图2 综采面剖面小波系数模值图 表3 模极大值法分析剖面所得煤厚值 测点时间／m s煤厚／m测点时间／m s煤厚／m 5 结语 小波变换作为一种有效的时频分析方法，提供 了一种新的信号处理手段。由于煤层厚度探测中信 号分析和处理比较困难，本文将小波分析在模极大 值处理中的优势应用到煤层厚度探测的信号分析 中，根据信号的小波变换模极大值和信号奇异性之 间的关系，由小波变换模极大值沿尺度变化趋势分 析出信号的奇异性点，从而判断信号发生奇异性的 时刻或位置，计算出煤层的厚度，取得了比较理想的 效果。 参考文献 [ 1 ] 张晓春．小波变换在奇异信号检测中的应用[ J ] ．传感器技术， 2 0 0 2 3 作者简介赵协广 1 9 7 5 一 ，男，山东科技大学在读博士研究生。 研究方向为控制理论与控制工程。 收稿日期2 0 0 6 0 6 1 2 责任编辑姚克 m 嘶m n 5 5 5 5“ ∞”4i 孓孓5 6 7 8 9 O 3 8 O 2 l 9 8 l 2 5 4 4 5 5 7 9 3 7 9 3 l ，3 4 5 5 5 5 5 万方数据