低压供电系统微机综合保护.pdf

塑 生筮翅堪芷遮让1 5 北京工业职业技术学院王怀群贺继苇文新慧 摘要本文作者基于相敏保护原理，利用单片机技术设计出一种新型低压供电系统微 机综合保护装置，实现对低压供电系统发生的各种短路故障、断相故障进行可靠检测，并能有 效地区分大功率电动机的启动与电网末端发生的两相短路。 关键词单片机综合保护短路故障断相故障 目前相敏短路保护装置在矿井供电系统中已 有比较广泛的应用，其保护是基于电动机启动时 和电缆线路发生短路故障时电压与电流之间的相 位差具有较大差异这一原理，正确地判断出电缆 发生的短路故障，尤其是随着采煤机械化程度的 提高，工作面电气设备单机功率的增大，其优越性 更能体现出来，本文正是基于相敏保护的原理，设 计出一种新型微机综合保护。 1 保护原理 一般煤矿井下采掘工作面用的电动机的起动 功率因数为O ．5 左右，即启动电流落后于相应的 相电压6 0 0 左右，落后于对应的线电压近9 0 0 ；当电 缆线路发生两相短路时，由于电缆自身的感抗较 其电阻小得多，可以忽略不计，因此两相短路电流 就与对应的线电压同相位；当电缆线路发生三相 短路时，短路电流落后于相应的线电压3 0 0 ；当电 缆干线带有若干台电动机正常工作时，设其加权 平均功率因数为0 ．8 5 ，相电流与对应线电压间的 相位差为6 1 ．8 0 ；由此可见只要能正确检测出相电 流与对应线电压间相位差大小，就能可靠地区分 电动机启动和电缆线路发生的各种短路故障。 如图1 所示，以线电压U 。。、相电流i 。为例说 明故障检测原理，交流信号U 。B 、i 。分别经过零检 测装置，在过零点输出一脉冲信号，只要在适当时 间开放D 触发器 如在某个电流过零脉冲之 后 ，就能使D 触发器的输出正确地反映u 。。、i 。 间相位差，且能在一个周期内反映两次，如能对Q 端输出脉冲宽度t n 进行实时检测，就不难在半个 周期内判断各种短路故障。当电动机启动时，Q 端输出脉冲宽度近似等于T ，4 设c o s e 0 ．5 ；电 缆线路发生三相对称性短路时，t D 近似为T ，1 2 ；电 缆线路发生两相短路时，0 T ，1 2 ；由此可见以T ，1 2 为 界可以区分出电缆的各种短路故障。若在某一时 刻t D 发生A 相断相，电流过零检测装置输出就恒 为O ，t D 宽度就达到T ，1 2 ，检测t D 宽度也不难判断 出断相故障，根据上述原理同样可以检测U c 。与 i c 、‰与i 。间的相位差大小，对于发生的各种情 况的两相短路都能做到正确判断。 耠 ～咽，爿。 丽{ h 图l 2 电路构成及工作过程 采用廉价的8 0 3 1 单片机，在其外部扩展2 K 字节的嗍M ；8 2 5 3 1 的三个计数器全部设定 为工作方式2 ，构成频率发生器 1 0 鹏发生一个正 脉冲 ，模拟U 0 u 矗比三相过零检测信号，利用软 件启动；8 2 5 3 2 的三个计数器用于脉冲宽度检 测，当脉冲信号为“l ”时，启动对应的计数器，对输 入时钟信号计数，当脉冲信号由“l ”到“0 ”跳变时， 停止计数器工作，并向C P U 发出中断请求，以便 读取计数值，计数器值大小也就反映出脉冲宽度 大小；珊3 1 1 电压比较器将输入的交流信号转换 成脉冲信号，如图2 所示。工作过程如下 2 ．1 投入过程 1 8 0 3 I 单片机复位后，P 1 ．。～P 1 ．。皆为“1 ”，Q 万方数据 鱼攫芷送盐缝 生筮鱼翅 图2 Q 2 Q 3 “O ”，Q 4 “1 ”，8 2 5 3 2 不计数，P 3 ．。 T 1 为“1 ”，系统进行初始化，设定T 1 为计数器， 工作于方式二。初值为删，设定T 0 为定时器，定 时长度为3 ．3 3 瞄，而后复位P 1 。口，开放T 】中断。 2 当交流信号U B 从负半周过渡时，Q 4 从 “1 ”到“O ”跳变，T 1 向C P U 申请中断，在中断服务 程序中启动8 2 5 3 1 计数器O ，开放T 0 中断，并改 变T 1 计数初值。 3 定时器T 0 开放后，3 ．3 3 l I l s 向C P U 发生一 个中断请求。 第一次中断后，启动8 2 5 3 1 的计数器1 ，重 置T 0 定时常数； 第二次中断后，启动8 2 5 3 2 的计数器2 ，开 放触发器D l 即P 1 ． “0 ” 重置T o 定时常数。 第三次中断后，开放D 2 触发器 即P 1 ．。 “0 ” ，开放，Ⅳ死中断，重置T 0 定时常数。 第四次中断后，开放D 3 触发器 P 1 ．。 “O ” ， 开放，Ⅳ死中断，改变T 0 为计数器，初值为I 硼， 工作方式二。’ 2 ．2 工作过程 经过上述一系列工作之后，确保加在8 2 5 3 2 的剑圃％～G 低上的脉冲信号分别反映出 U B 与i 、U c 与i 。、U B c 与i B 间的相位差，并在脉冲 下降沿分别申请中断，C P U 读取8 2 5 3 2 相应计数 器，根据计数值大小来判断系统运行状态。 T 1 在初始化后被设定为计数器，每4 0 I I l s 即 2 T 计一个数，当T l 溢出时向C P U 申请中断 P 1 ．， “1 ”，P 1 ．。 “0 ” ，复位P 1 ∞此时加在T l 口线上 的信号为f 飞，f 为时钟信号，T l 是反映％、i 相 位差的脉冲信号宽度，如图3 所示。在肼死中断 服务程序中读取T 1 计数器值与8 2 5 3 2 计数值进 行比较可以检查8 2 5 3 1 频率发生器模拟U 舭 u 。。、U 阢的误差，当两者计数值相差较大时，按投 入过程所述，重新启动8 2 5 3 1 的各个计数器从 而确保准确模拟三相线电压过O 检测信号，在编 程时设定， ％、m E 、R 为高优先级中断，T 1 为 低优先级中断。 鱼 ．广广] 厂『 - 1 1i ．_ 广’1 氅一一一』T L 』卜 垒 伦 n 图3 2 ．3 故障检测时间分析 当短路故障发生在过O 点后T ，1 2 时间内时， 故障检测时间小于2 璐；当短路故障发生U 船过O 点后的T ，1 2 至T ／2 时间内时，故障检测时间为T ，2 即1 0 I I l s ；当发生断相故障时，检测时间为T ，1 2 。 3 结论 通过上述分析，该保护装置具有下述主要特 点 1 电路构成简单，易于小型化；集成度高，抗 干扰能力强，利用软件完成硬件功能，成本低。 2 故障检测速度快，没有电容、电感等延时 元件，在1 0 船之内即可发现故障。 3 具有断相、两相短路、三相对称短路等各 种检测、保护功能，以准确无误地区分电动机启动 和电缆线路发生的短路故障。 4 利用8 2 5 3 1 构成频率发生器，使得装置 输入信号量少 仅i 、i ”i c 、u B 接线简单，输入信 号为交流，不须整流、滤波等处理。 5 利用8 2 5 3 1 构成的频率发生器来模拟三 相线电压O 检测信号，保证了在保护安装附近发 生短路时可靠动作。 6 具有误差自测试、自补偿以及系统自检等 功能，提高了装置的可靠性。 总之，该装置具有许多现有保护装置所不具 有的特点，如能将其付诸实际，必能为矿山的安全 起到重要作用。 责任编辑严民杰 万方数据