基于二总线的漏电保护系统
2005-11-29

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摘要：阐述了二总线在井下漏电保护装置中的应用，通过总保护的微机对井下绝缘电阻的实时监控及总保护和分支出口保护之间的总线通信，快速判断出故障线路并及时隔离故障，从而全面提高了井下工作的安全。
关键词：漏电保护 二总线 零序电流


1　井下漏电保护现状
我国大多数矿井电网一直沿用中性点不接地方式，随着井下供电线路的加长、电容电流的增大，发生故障时会造成单相接地电流大于20A，有的甚至超过70A，而《煤矿安全规程》中规定超过20A就应采取措施降低到20A以下，因而广泛采用中性点经消弧线圈并电阻接地系统。
系统保护中，根据我国井下低压电网的运行情况，一般认为对低压配电网实行两级保护，级数再增加将没有使用意义。实行分级保护的目的是从人身、设备安全和正常用电的角度出发，既要保证能可靠动作，切断电源，又要把这种动作跳闸造成的停电限制在最小范围内。常用的漏电保护装置多为附加直流电源式保护和零序电流保护装置。总保护处安装附加直流电源保护，无论系统发生对称性漏电还是非对称性漏电，保护均能可靠性动作。分支出口处安装零序电流保护作为横向选择性保护的主保护。
漏电系统一般建立两级后备保护，附加直流电源保护和漏电闭锁分别作为分支漏电保护单元的一级和二级后备［1］。在实行分级保护的低压电网中，决定分级的条件是下一级保护器的额定动作时间（包括主开关断开电路的跳闸时间）必须小于上一级保护器的极限不动作时间。对于下级保护，要求其额定动作时间达到最快，从而快速切除故障。对于上一级保护，为保证选择性就需一定的时间延时，以躲过下级保护在动作跳闸时所需时间。据现场调查，零序电流漏电保护动作使分支开关动作跳闸总时间达到200ms，则附加直流电源保护的动作时间需加上200ms的固定延时，才能保证选择性。因此当发生对称性漏电（分支无法检测）、分支保护失效或开关拒动时，总保护动作时间高达400ms。此时将会使人身触电电流增大，不但不能保证人身安全，更不能防止沼气、煤尘爆炸。
随着真空断路器的推广，虽然由于保护动作时间级差Δt的减小，将短路造成的损失降低到最低限度，但没有从根本上解决由于时差而带来的问题。
　　
2　改良方案
改良方案中，在总的漏电保护单元与分支单元之间建立在线通信，以确保在最短的时间内切断故障点，消除现有漏电保护系统存在的死区。
2.1　二总线技术
本文通信总线采用二总线技术，二总线是一种高可靠性、自动同步编码解码通信，可以将现场节点的多个模拟量转换成数字量并进行远距离串行传输。其特点如下：
a.　智能跟踪自动编码；
b.　远距离监测，监测距离2km；
c.　同时传输信号和功率，节点无需单独供电；
d.　回路节点数目可根据规模增减，最多64个。
二总线非常适宜于井下配电馈线出口多及馈线线路逐渐增长的现状，可抵制井下各种干扰的影响。二总线进行通信，2条总线之间的电压为24V，发送端的二总线通信芯片将需要传输的数字量以电流形式串行输出到二总线上；接收端从总线获得功率的同时接收信号，实现了功率和信号公用总线的要求［2］。
2.2　通信实现
常用的总线接口有QA840159等，提供单片机和总线的接口，通过握手电路和数据总线与CPU进行数据交换。总线接口从CPU中取得编码地址、控制码等信息后向总线回路发出标准串行码，包括地址段、地址校验段、控制段和模拟量返回段。地址段和地址校验段完全相同，以保证通信的可靠性。二总线通信编解码芯片位于分支出口处，可以自动同步编解码和片内A/D转换，它不需进行频率和同步调整，可对总保护的编码数据进行智能化分析并自动跟踪对位，片内高速A/D转换电路仅在地址符合时加电，大大降低了系统总电流，可很方便地实现模拟量采集并实现二总线通信。
　　
3　智能漏电保护的设计
系统由总保护、分支保护、二总线通信接口三大部分组成。各分支保护检测到的实时井下数据可通过二总线进行通信，设井下馈线分支出口数为n，其结构图如图1所示。
总保护处为性价比较高的单片机8051系统，系统有A/D转换器、输入/输出接口、闪存、输出执行电路等组成。总保护处装有附加直流电源式漏电保护，可以检测出电网总的绝缘情况，同时通过漏电直流检测电路的取样，监测井下电网A，B，C三相的绝缘电阻的变化，并由电路显示，所以容易查找和处理故障相。正常工作时循环显示电网的工作参数和对地的绝缘水平，故障跳闸后循环显示故障时的参数和状态，从而大大提高了判断故障的效率。若设有不同的给定值存储在微机内，微机就可以判断出故障是接地故障、人身触电事故还是绝缘电阻下降故障。
总保护处通过总线接口和二总线相连，进行通信。在总保护处和分出口处检测各支路的零序电流，分支保护处编解码芯片接收总保护处的地址、控制信息，当和本身地址相同时，启动A/D转换，进行零序电流检测，并通过二总线将电流值上传给总保护，通过总保护进行集中式选线判断故障相，由总保护发出口跳闸指令以切断故障线路。
漏电保护原理中指出，当发生接地故障时，流过故障相的故障电流是所有非故障相电流之和，故障项的零序电流为所有出口处零序电流数值中的最大者。集中式选线综合比较所有零序电流的数值，考虑到零序电流互感器会产生不平衡电流，而不同的互感器的不平衡电流值不同，所以仅比较零序电流值大小将会有一定的误差。现采用简单的差值比较方法，即将各电路所测出时间间隔相同的故障前后2次零序电流值相减，比较各零序电流的算术差值。故障线路零序电流的增量是所有线路零序电流增量之和。判定差值最大与其他线路有很大差距的线路为故障线路，从而完成保护的横向选择性，并有效地避免了由互感器不平衡电流带来的误差。
总保护通过电流差值集中判断，找到最大值及分支故障线路，然后发跳闸指令，由分支开关动作；若各分支的零序电流之差相差不大时，判定为母线故障，由总保护处开关动作。判定为分支故障发跳闸指令后，总保护处继续监视电网的运行，若故障仍然存在，说明跳闸失败或判断失误，为保证安全，由作为后备保护的总保护跳闸切断故障，无长时间的延时。
　　
4　结论
二总线系统结构简单，可靠性非常高，基于二总线的漏电保护系统，全面提高了矿用检漏装置的性能，缩短了总保护初跳闸时间，保证了井下的供电安全。
　　
参考文献：
［1］刘桂同，于风全，初忠全，等- 矿井低压电网漏电保护技术的新发展［I］.煤矿开采，2000（增刊）：92-93.
［2］聂子玲，史贤俊，周绍磊- 基于二总线通信的监测系统设计［I］.自动化仪表，2002，23(6)：41-42.