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重庆大学硕士学位论文 3 保护器总体设计及核心器件的选择 16 3 系统总体设计及核心器件的选择 3.1 同类装置的比较及技术指标分析 目前煤矿的供电设备有矿用一般型高压防爆配电装置（高压开关柜） 、移动变 电站或矿用变压器及磁力起动器等,其电气保护装置的类型繁杂多样,功能品质 不一而足。 目前煤矿井下采区变电所、 综采工作面在用的高压防爆配电装置主要有PB 系 列、BGP 系列等。在用的部分油断路器的高压防爆配电装置,其保护执行机构一 般为过流、高压漏电、绝缘监视脱扣器和失压脱扣器等。由于机械弹簧机构易老 化疲劳、 保护整定不准确及经常误动作等,使之操作不便,使用维护困难。 近几年推 广的高压防爆真空配电装置均采用高压真空断路器、 综合保护器或电子继电保护 单元 及电能计量装置等,具有漏电监视、过流、失压及过压等保护功能,可显示电 压、电流和故障类型等。真空断路器既能电动合闸和电动分闸,又能手动合闸和分 闸。各种型号的综合保护装置性能分析见表3.1所示[29]。 表3.1 各种型号的综合保护装置性能分析 Table 3.1 The perance analysis for protection devices 型号 工作原理 性能指标 适应接地方式 DCZB - X系 列 定时限与反时限两段过流； 电流或功率方向,相敏脉冲 比较 过载、短路、断相、漏电监视、欠压、过压； 微机计算判断有通讯口 不接地；纯高阻接 地；消弧线圈接地 MCC 定时限与反时限过流； 电 流或功率方向,相敏脉冲比 较 微机计算判断；过载、短路、断相、漏电 监视、失压、过压 不接地；纯高阻接 地；消弧线圈接地 DGZB系列 定时限与反时限过流； 电 流或功率方向,相敏脉冲比 较 微机计算判断；过载、短路、、漏电监视、 欠压、过压；显示 不接地；纯高阻接 地；消弧线圈接地 ZLD - 2 两相式反时限两段过流；补 偿电流型 过载、短路、断相、漏电监视、失压、过压 不接地； 纯高阻接地；消弧 线圈接地 BLD - 2 BLD - 4 两相式反时限两段过流；功 率方向,相敏脉冲比较 过载、短路、断相、漏电监视、失压、过压 不接地方式 GZJB - 1 GZJB - 3 两相式反时限两段过流；功 率方向,相敏脉冲比较 漏电、监视、过电流和多相短路保护 不接地方式 3.1.1 测试项目 我们以市场上数量最多的北京顺城的DCZB系列保护器作为参考标准，首先 对其性能进行检测和分析。 重庆大学硕士学位论文 3 保护器总体设计及核心器件的选择 17 体据标准JB8739-1998矿用高爆型高压配电装置 。 检测时的环境温度21℃， 湿度69.5％大气压100.1kPa ①显示测试 电压显示加100V、90V、80V、70V电压于不同时段检测显示电压 电流显示分别加1A、2A、3A、4A、5A电流检测显示电流 ②过载测试 动作值测试分别做0.2倍～1.4倍电流测试动作值。 过载延时测试延时按1～8档抽测延时时间。 ③短路测试 1）动作值测试分别加8～50A电流测试动作值。 2）短路时间测试按整定值的＋120％加电流测试短路动作时间。 ④漏电测试 零序电流的测试抽测0.5A、2.0A、6.0A三档。 零序电压的测试抽测3V、5V、15V三档。 相差的测试改变移项器的移相角，检测动作的相差范围 漏电延时的测试抽测0.1S、0.2S、0.3S和1.0S ⑤绝缘监视测试改变外串电阻检测动作时间。 测试电路图请参照附录2的图四。 3.1.2 测试结果及分析 测试结果基本符合JB8739要求，个别地方需要说明如下 ①电压显示误差较大（测量时间2003、3、16） 表 3.2 DCZB 保护器的电压测试 Table 3.2 DCZB protector voltage test 输入电压 标准显示值 1000 测试值 2300 测试值 100V 10000 9045 9810 90V 9000 8055 8775 80V 8000 7110 7965 70V 7000 跳低压 6850 ②短路动作时间较长 重庆大学硕士学位论文 3 保护器总体设计及核心器件的选择 18 表 3.3 DCZB 保护器短路动作时间测试 Table 3.3 Short-circuits time test for DCZB protector 动作电流（A） 1.2 倍整定电流动作时间 ms 相序 整定值 实测值 要求值 实测值 810 7.8 100 91 1010 10.1 100 94 1510 14.8 100 89 2010 20.4 100 98 2510 24.8 100 83 3010 30.4 100 105 4010 40.8 100 83 A 相 5010 52.2 100 73 ③选漏相位测试为30 ～150 ④监视测试 表 3.4 DCZB 保护器监视动作时间测试 Tab3.4 Insulation time test for DCZB protector 测试次数 测试项目 整定值 1 2 3 4 5 动作电阻 KΩ 0.8≤R≤1.51.21.21.21.2 1.2 监视线 回路动 作值 动作时间 ms 100 70757070 85 动作电阻 KΩ 3≤R≤5.5 4.64.64.64.6 4.6 监视线 绝缘动 作值 动作时间 ms 100 70809376 84 从以上测试结果表明 ①表2为检测的电压显示值，每次测试的结果均不太一样。选择1000测试 和2300测试并没有特别的选择， 只是因为测试条件为民用电网 （电网质量较差， 尽量模拟井下电网情况） ， 白天和晚上的电网波形有较大的区别。 我们发现其电压 显示在不同的时段， 显示值有很大的差别， 在电网波形好的时候显示的电压高些。 重庆大学硕士学位论文 3 保护器总体设计及核心器件的选择 19 而在电网波形较差时其显示电压偏低，在表2中可以看出有时候在70V电压时， DCZB保护器就跳低压了（其低压测定值65V） 。 分析其原因，在于其电压显示采用直流采样，受电网波形因素影响较大。煤 矿井下多次反映其电压显示不准。另外从6KV改为10KV以后，虽然相对误差没 有变化， 但绝对误差增大致以前的1.67倍,矿井下对此意见较大。 尤其是同一批开 关柜安装在同一个电网下，各个保护器显示的电压值有较大偏差，据反映有时达 到1000伏的显示差别。 这里头固然有由于保护器显示的是变压器一次侧电压 （即 电网电压） ， 受到电压互感器的影响， 但主要的原因还是在于采样采用了直流信号。 ②短路时间测试表明DCZB保护器的短路信号处理时间接近JB8739-1998的 标准，个别时候甚至超过了100ms。由于短路检测时间较差，短路时常常越过保 护器所在开关，跳闸到上一级开关柜。 ③实测DCZB保护器的选漏动作区间在零序电压超前零序电流30～150的 区间，跟JB8739-1998的标准要求的0～180还要小一些。本文第二章已经分析 过，经消弧线圈接地地选漏保护，二者地相差应在90～270 之间，所以其保护 装置不能应用在经消弧线圈接地的电网中进行选漏检测，至少不能应用在过补偿 的系统中。因此文献[29]所述DCZB的应用范围略有瑕疵。 由于目前井下6KV电网使用中性点不接地的情况居多，使用DCZB保护器 来检测漏电并不会有太大的问题。但如果由于负荷过大改用10KV电网供电，进 而采用消弧线圈接地或消弧线圈并高阻接地来减小漏电流的系统中，DCZB的捡 漏会出现大量的拒动作。 ④监视延时符合JB8739标准，但同时也存在类似短路的越级跳闸问题。由 于监视功能只由于双屏蔽电缆中，而目前井下的双屏蔽电缆使用不多，使用时基 本上是将终端电阻接在柜体内而不是电缆终端的屏蔽芯线与屏蔽地线之间，这实 际上是在使用时将此功能取消了。即使安装在柜体内，其监视信号的保护电路也 常常损坏，这次设计时也需要注意此问题。 本次设计主要解决上述几个问题，特别是短路跳闸问题。尤其是对于将来自 于公共网的10KV高压直接下井的中小型煤矿来说，解决短路越级跳闸问题将十 分必要和迫切。 3.2 核心器件的选择 本文所指的核心器件是对信号处理的器件，包括CPU和A/D转换器。 3.2.1 CPU 的选型 本次设计选用的CPU为C8051F010单片机，是美国Cygnal公司生产的高档 单片机，属C8051Fxxx系列[30 ～31]。 重庆大学硕士学位论文 3 保护器总体设计及核心器件的选择 20 C8051Fxxx 系列单片机是完全集成的混合信号系统级芯片，具有与8051 兼 容的微控制器内核，与MCS-51 指令集完全兼容。除了具有标准8052 的数字外 设部件之外，片内还集成了数据采集和控制系统中常用的模拟部件和其它数字外 设及功能部件[32]。 CPU 中的外设或功能部件包括模拟多路选择器、可编程增益放大器、ADC、 DAC、电压比较器、电压基准、温度传感器、SMBus/I2C、UART、SPI、可编程 计数器/定时器阵列（PCA） 、定时器、数字I/O 端口、电源监视器、看门狗定时 器（WDT）和时钟振荡器等。所有器件都有内置的FLASH 程序存储器和256 字 节的内部RAM， 有些器件内部还有位于外部数据存储器空间的RAM， 即XRAM。 C8051Fxxx 单片机采用流水线结构，机器周期由标准的12 个系统时钟周期 降为1个系统时钟周期，处理能力大大提高，峰值性能可达25MIPS。 C8051Fxxx能有效地管理模拟和数字外设，可以关闭单个或全部外设以节省 功耗。FLASH 存储器还具有在线重新编程能力，可用于非易失性数据存储。应 用程序可以使用MOVC 和MOVX 指令对FLASH 进行读或改写， 每次读或写一 个字节。这一特性允许将程序存储器用于非易失性数据存储以及在软件控制下更 新程序代码。 每个CPU 都可在工业温度范围 （-45℃到85℃） 内用2.7V-3.6V（个 别为2.8V-3.6V）的电压工作。端口I/O、/RST 和JTAG 引脚都容许5V 的输入 信号电压。I/O口在输出时可通过上拉电阻直接接＋5V电源，以达到和5V器件 的兼容。 3.2.2 C8051Fxxx 的特点 C8051Fxxx系列器件彻底改变了人们对8051单片机速度慢、性能低的印象，简 要的说，C8051Fxxx系列单片机具有以下几个重要特点[33] 图3.1 8位CPU峰值执行速度比较 Fig.3.1 8-bit CPU peak speed comparison 重庆大学硕士学位论文 3 保护器总体设计及核心器件的选择 21 ①速度快C8051F xxx系列器件使用Silicon Laboratories的专利CIP-51微控制 器内核。CIP-51与MCS-51 TM指令集完全兼容。CIP-51采用流水线结构，与标准的 8051结构相比指令执行速度有很大的提高。在一个标准的8051中，除MUL和DIV 以外所有指令都需要12或24个系统时钟周期，最大系统时钟频率为12-24MHz。而 对于CIP-51内核，70的指令的执行时间为1或2个系统时钟周期，只有4条指令的 执行时间大于4个系统时钟周期。C8051F xxx系列单片机丝毫也不逊于PIC、AVR 单片机。图3.1 给出了几种不同的单片机的峰值运行速度。 ②强大的模拟信号处理功能有最多可达32路12位ADC（速度为100kHz） 或高达500kHz的8位ADC、两路12位精度的DAC、两路模拟比较器、高精度 基准电源、程控放大器和温度传感器。 ③先进的JTAG调试功能支持在线、全速、非插入调试和编程，不占用任 何片内资源。 ④强大的控制功能有多达64位I/O口线，所有口线均可以编程为弱上拉或 推挽输出。 ⑤丰富的串行接口具有全双工的URAT、I2C总线和SPI总线。 ⑥多达22个中断源为实时多任务系统的实现提供了扎实的基础 ⑦7种复位源，使系统的运行可靠性大大提高。 ⑧存储器有多达64K的FLASH存储器，同时有多达4K的RAM存储器。 3.2.3 C8051Fxxx 的结构 C8051Fxxx系列单片机又分4个子系列C8051F0 xx、C8051F02x、C8051F2xx 和C8051F3xx。图3.2给出了C8051F000/05/10/15的原理框图[34]。 图 3.2 C8051F000/05/10/15 的原理框图 Fig.3.2 C8051F000/05/10/15 Schematic diagram 重庆大学硕士学位论文 3 保护器总体设计及核心器件的选择 22 C8051F0 xx系列单片机具有片内VDD监视功能、WDT和时钟振荡器，是真 正独立工作的片上系统。 每个单片机都能有效地管理模拟和数字外设、FLASH存 储器，还具有在线重编程功能，可用于非易失性数据存储。 3.2.4 C8051F010 芯片简介 C8051F010是本次设计采用的CPU,图3.3给出了其管脚图。 图 3.3 C8051F010 的管脚图 Fig.3.3 C8051F010 pins C8051F010的管脚说明请参见文献 [33]。 C8051F010有一个片内12位SAR ADC、1个9通道输入配置模拟多路开 关AMUX , 10位分辨率的逐次逼近型ADC。AMUX中的8个通道用于外部测量, 第9 通道在内部被接到片内温度传感器上。1个可编程增益放大器PGA，并可用 软件编程为0. 5 ,1 ,2 ,4 ,8 或16 倍。C8051F005 集成了一个完全可编程、可自校 准、高精度的模拟数据采集系统,只需外接晶体振荡器甚至只使用内部振荡器、 基准电源等少数几个器件即可工作。 下面对器件的个别使用到的和8051单片机不 同的部分进行简要说明。 ①片内寄存器 C8051F010 中,除了程序计数器和4个通用寄存器组外,所有寄存器都位于特 殊功能寄存器地址空间。特殊功能寄存器包括控制、配置以及数据寄存器,它们是 CPU和片内的外围设备之间的接口。 重庆大学硕士学位论文 3 保护器总体设计及核心器件的选择 23 C8051F010的内核是8052。ADC的工作由6个特殊功能寄存器控制,即配置 寄存器AMX0CF、通道选择寄存器AMX0SL、配置寄存器ADC0CF、控制寄存 器ADC0CN、数据字MSB寄存器ADC0H、数据字LSB 寄存器ADC0L。 ②FLASH存储器与外部RAM C8051F010片内集成的闪速存储器为用户提供了非易失性,在线可编程的程 序和数据存储器空间,可以通过JTAG接口或由软件使用MOVX 指令对FLASH 存储器进行在线编程。与E2PROM 一样,虽然闪速存储器写入前首先要被擦除,但 它可以在系统内以字节编程,擦除在扇区512B内完成,更接近于理想存储器。 C8051F010为用户的应用系统提供了2个闪速/电擦除存储器阵列。一个是32KB 的闪速/ 电擦除程序空间,不需要外加ROM 器件,就可以方便地执行程序代码； 另 一个是256字节的闪速/电擦除数据存储器,它可以被用户作为通用的非易失性数 据暂存区,在程序运行时,计算和存储类似标定系数这样的数据。 对程序存储器可通 过JTAG接口编程,也可由软件使用MOVX 指令对FLASH 存储器进行在线编程 每次1个字节 。对数据存储器则可使用MOVX指令对其进行读写操作。 ③看门狗定时器 C8051F010单片机内部有一个可编程看门狗定时器WDT。WDT是个21位 的、 使用系统时钟的定时器,该定时器检测对其控制寄存器的2次特定写操作的时 间间隔。 如果这个时间间隔超过了编程的极限值,将产生一个WDT复位,强制CPU 进入复位状态。其用法将在第7章中讲述。 3.3 本章小结 本章首先列出了市场上常见的高压开关智能保护器，并记录了对DCZB综保 的测试情况，分析了DCZB综保在井下10KV电网中的运行情况，为设计控制核 心（CPU）提供了参考方向。 依据前述分析提出的要求，针对主要部件ADC和CPU就要进行了详细的考 察和比较。最后选用了高性价比的集成A/D的C8051F010单片机。文中对 C8051F010单片机和标准8051核的单片机不同之处作了简要的介绍， 为数据处理 作了在硬件上的准备。