1 概 述

　　煤礦井下空間狹窄、潮濕、依賴強(qiáng)迫通風(fēng)、空氣中含有瓦斯與煤塵等爆炸性混合物，環(huán)境條件和生產(chǎn)條件十分惡劣。供電使用的電纜懸掛敷設(shè)，電纜線路經(jīng)常發(fā)生單相漏電或單相接地故障，會(huì)引起井下電氣火災(zāi)、瓦斯煤塵爆炸、電雷管提前引爆以及人身觸電等重大事故。為確保人身安全，減少因漏電引起的瓦斯、煤塵爆炸的危險(xiǎn)性，《煤礦安全規(guī)程》規(guī)定，在煤礦井下低壓電網(wǎng)中必須裝設(shè)漏電或選擇性漏電保護(hù)裝置。

　　目前我國(guó)煤礦井下低壓選擇性漏電保護(hù)系統(tǒng)多由兩級(jí)漏電保護(hù)裝置組成，各分支線路的橫向選擇性漏電保護(hù)裝置大多采用零序電流保護(hù)或零序功率方向型保護(hù)原理，上一級(jí)漏電保護(hù)裝置多采用零序電壓保護(hù)原理或附加直流電源的保護(hù)原理，上、下級(jí)漏電保護(hù)裝置之間的縱向選擇性主要靠延時(shí)時(shí)間差的原則來(lái)解決。實(shí)踐中，此保護(hù)系統(tǒng)存在下列不足：首先由于上級(jí)選擇性漏電保護(hù)裝置動(dòng)作存在延時(shí)，使靠近供電電源的選擇性漏電保護(hù)裝置的動(dòng)作時(shí)間較長(zhǎng)，在該保護(hù)范圍內(nèi)人身觸電的危險(xiǎn)性就較大;其次由于各廠家在選擇性漏電保護(hù)實(shí)現(xiàn)上存在保護(hù)原理及判據(jù)不統(tǒng)一，容易導(dǎo)致因配合不當(dāng)造成拒動(dòng)、誤動(dòng)和越級(jí)跳閘現(xiàn)象;另外饋電開(kāi)關(guān)本身實(shí)現(xiàn)的選擇性漏電保護(hù)除各自保護(hù)原理存在的缺陷外，電纜長(zhǎng)度、分支多少、零序互感器等諸多因素限制了定值的合理整定。為了解決以上矛盾和問(wèn)題，北京和利時(shí)自動(dòng)化驅(qū)動(dòng)技術(shù)有限公司綜合利用基于零序電流群體比幅比相的礦井低壓電網(wǎng)選擇性漏電保護(hù)新方案和零序電流幅值法原理的基礎(chǔ)上研究開(kāi)發(fā)了一種SmartNet KYLD-A智能低壓集中選擇性漏電保護(hù)測(cè)控裝置(以下簡(jiǎn)稱KYLD-A)。

　　2 適用范圍

　　KYLD-A是專門為煤礦環(huán)境設(shè)計(jì)的集母線單相漏電、饋出線各支路單相漏電、三相對(duì)稱分散性漏電監(jiān)選及數(shù)據(jù)通信功能于一體的礦用綜合保護(hù)裝置。KYLD-A采用了先進(jìn)的32位數(shù)字信號(hào)處理(DSP)技術(shù)，吸收并借鑒了地面電站綜合自動(dòng)化裝置成熟的軟硬件技術(shù)，是實(shí)現(xiàn)煤礦井下電力自動(dòng)化監(jiān)控最理想的終端設(shè)備。

　　KYLD-A主要用于380V、660V、1140V中性點(diǎn)不接地的煤礦低壓電網(wǎng)，適用于煤礦井下及選煤廠等有零序電抗器補(bǔ)償?shù)牡蛪弘娋W(wǎng)場(chǎng)所。KYLD-A能完成故障的定性和故障定位，在發(fā)生電網(wǎng)單相漏電時(shí)，能快速計(jì)算、分析、選擇出故障支路并迅速跳開(kāi)故障支路，最大限度地保證設(shè)備和人員的安全。KYLD-A避免了礦用隔爆型真空饋電開(kāi)關(guān)在發(fā)生漏電時(shí)的各兄弟支路的無(wú)序判別，有力地保障了供電系統(tǒng)的安全和穩(wěn)定運(yùn)行。

　　3 裝置特點(diǎn)

　　先進(jìn)的硬件平臺(tái)：采用32位150MHz主頻的數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)和復(fù)雜可編程邏輯器件(CPLD)芯片，具有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力，使KYLD-A具有高速度、高集成度和高系統(tǒng)性能;

　　優(yōu)異的軟件平臺(tái)：采用模塊化設(shè)計(jì)理念，可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)需求增減功能模塊，配置靈活，滿足用戶的不同需求;

　　高采樣精度：采用高速采樣、平滑濾波采樣的方式，每周波24點(diǎn)的采樣密度以及頻率跟蹤技術(shù)，使KYLD-A的采樣精度高、測(cè)量數(shù)據(jù)準(zhǔn)確和保護(hù)功能可靠;

　　優(yōu)異的抗干擾性能：硬件設(shè)計(jì)充分考慮保護(hù)裝置的抗干擾能力，所有接口均經(jīng)過(guò)隔離，可廣泛應(yīng)用于各種運(yùn)行工況惡劣的場(chǎng)合;

　　選線準(zhǔn)確：KYLD-A實(shí)時(shí)采集系統(tǒng)故障信號(hào)，應(yīng)用多種選線方法進(jìn)行綜合選線。各種選線方法將有效范圍技術(shù)及連續(xù)選線技術(shù)有機(jī)地集成為充分判據(jù)，并與多種數(shù)據(jù)處理算法和各種選線方法融為一體。根據(jù)各種復(fù)雜的接地故障類型和測(cè)量信號(hào)，從微弱的信號(hào)中準(zhǔn)確提取出有用信息，使得每種方法都針對(duì)各自信號(hào)的具體特點(diǎn)，不同方法之間增加互補(bǔ)性，大大的提高了綜合選線的準(zhǔn)確性。

　　友好的人機(jī)界面：采用 240×128 點(diǎn)陣的圖形液晶顯示器，配合菜單式人機(jī)交互界面，操作直觀簡(jiǎn)便。 運(yùn)行時(shí)實(shí)時(shí)顯示各支路開(kāi)關(guān)的狀態(tài)圖、顯示當(dāng)前時(shí)間、絕緣電阻、故障信息等，圖文并茂，顯示內(nèi)容極為豐富;

　　良好的“記憶”功能：KYLD-A不但能記憶保存每次調(diào)整的各項(xiàng)保護(hù)功能參數(shù)，而且還能記憶故障信息，可記錄最多100次的詳細(xì)故障(包括故障時(shí)間、故障類型、故障參數(shù)等)，可以通過(guò)菜單調(diào)出來(lái)顯示。方便維護(hù);

　　智能的網(wǎng)絡(luò)功能：RS-485數(shù)據(jù)通信接口與監(jiān)控系統(tǒng)連接，通過(guò)后臺(tái)也能進(jìn)行定值調(diào)整、保護(hù)試驗(yàn)、信息查詢等功能。標(biāo)準(zhǔn)的MODBUS-RTU通訊協(xié)議，方便接入不同廠家的后臺(tái)系統(tǒng)。能遠(yuǎn)程進(jìn)行程序的下載及更新，不需要打開(kāi)KYLD-A，方便維護(hù)和產(chǎn)品管理升級(jí);

　　實(shí)用的輔助功能：通過(guò)實(shí)時(shí)顯示絕緣電阻值，方便用戶了解電纜絕緣下降程度，及時(shí)發(fā)現(xiàn)并排除漏電隱患，保證人員的安全;具有遠(yuǎn)程分合閘功能，高級(jí)用戶可通過(guò)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行配電裝置的分合閘以及網(wǎng)絡(luò)故障試驗(yàn)，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)對(duì)開(kāi)關(guān)的控制;

　　4 保護(hù)方案的工作原理

　　1) 分支線路數(shù)量大于2條時(shí)，利用基于零序電流群體比幅比相保護(hù)原理;

　　此種方法為多重判據(jù)，多重判據(jù)即為用二種及以上原理為判據(jù)，增加可靠性和抗干擾性能力，減少受系統(tǒng)運(yùn)行方式、長(zhǎng)短線、接地電阻的影響。采用幅值法與相位法相結(jié)合，先用“最大值”原理從線路中選出三條及以上的零序電流I0最大的線路，然后用“功率方向原理從選出的線路中查找零序電流I0滯后零序電壓U0的線路，從而選出故障線路。該方案稱為3C方案，因排隊(duì)后去掉了幅值小的電流，在一定程度上避免了時(shí)針效應(yīng)，另外排隊(duì)也避免了設(shè)定值，具有設(shè)定值隨動(dòng)的“水漲船高”的優(yōu)點(diǎn)。它既可以避免單一判據(jù)帶來(lái)的局限性，也可以相對(duì)縮短選線的時(shí)間，是較理想的方式。

　　a) 分開(kāi)關(guān)保護(hù)方案：先判斷該支路互感器電流幅值是否處于所有互感器電流幅值最大的前3個(gè)之列;若是，再判斷該支路互感器電流與幅值最大的前3個(gè)中另2個(gè)互感器電流之間實(shí)部之積與虛部之積的和是否均小于零;若是，則可以判斷單相漏電必定發(fā)生在該支路上，該支路分開(kāi)關(guān)進(jìn)行漏電保護(hù)動(dòng)作。

　　b) 總開(kāi)關(guān)保護(hù)方案：首先選取所有互感器電流幅值最大的前3個(gè)，其次判斷這3個(gè)電流之中任意2個(gè)電流之間實(shí)部之積與虛部之積的和。①若其中一個(gè)支路互感器電流與另外2個(gè)電流之間實(shí)部之積與虛部之積的和均小于零，則可以判斷單相漏電必定發(fā)生在該條支路上，該支路分開(kāi)關(guān)進(jìn)行漏電保護(hù)動(dòng)作。②若任意2個(gè)電流之間實(shí)部之積與虛部之積的和均大于零，則可以判斷單相漏電必定發(fā)生在干線上，總開(kāi)關(guān)進(jìn)行漏電保護(hù)動(dòng)作。

　　2) 分支線路數(shù)量為2條時(shí)，利用零序電流幅值法保護(hù)原理。

　　這是利用故障線路零序電流比非故障線路零序電流大的特點(diǎn)來(lái)選擇故障線路的方法。采集并比較接地母線上所有出線零序電流，幅值最大的選為故障線路，不需設(shè)定門檻值，因此，有較高的可靠性和檢測(cè)靈敏度。

　　5 保護(hù)系統(tǒng)基本組成

　　KYLD-A分為兩個(gè)部分(見(jiàn)圖1)：集中選擇性漏電保護(hù)測(cè)控裝置本體(下位機(jī))和液晶顯示器(人機(jī)交互系統(tǒng))，兩者通過(guò)一根4芯的電纜連接。由于整個(gè)漏電保護(hù)系統(tǒng)要監(jiān)控的支路較多，系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理量較大。為了提高數(shù)據(jù)處理能力，縮短保護(hù)的動(dòng)作時(shí)間，選用32位DSP (數(shù)字信號(hào)處理器)作為整個(gè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理核心。

　　(2)人機(jī)交互系統(tǒng)。人機(jī)交互系統(tǒng)由CPU、一塊液晶顯示屏、按鍵、指示燈及RS-485通訊模塊組成。

　　CPU 選用FLASH 60K、 RAM 32K的抗干擾性能強(qiáng)的1個(gè)時(shí)鐘/機(jī)器周期的8051單片機(jī)STC11F60XE。

　　液晶選用240*128 不帶字庫(kù)的點(diǎn)陣液晶，可顯示16*16點(diǎn)陣漢字為8行15列。

　　操作按鍵配置6鍵，分別為上、下、左、右、確認(rèn)和返回鍵。

　　4個(gè)指示燈，分別為運(yùn)行(綠)、通訊(黃)、動(dòng)作(紅) 告警(紅)。

　　運(yùn)行：綠色，閃爍 正常，其它非正常。

　　通訊：黃色，閃爍 有通訊，其它無(wú)通訊。

　　動(dòng)作：保護(hù)元件動(dòng)作時(shí)亮，故障確認(rèn)或恢復(fù)后滅。

　　告警：產(chǎn)生告警信號(hào)時(shí)亮，告警消失時(shí)滅。

　　6 下位機(jī)軟件的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

　　下位機(jī)軟件的設(shè)計(jì)主要就是DSP編程，主程序流程如圖2，主要分為初始化程序、中斷程序兩大部分。初始化程序是設(shè)定DSP芯片工作狀態(tài)的重要步驟，只有正確進(jìn)行DSP芯片的初始化，才能保證芯片的正確運(yùn)行。中斷程序分為AD采樣中斷程序、定時(shí)器中斷程序(流程如圖3)、串口1收發(fā)中斷程序和串口2收發(fā)中斷程序。其中定時(shí)器中斷程序包含數(shù)據(jù)計(jì)算及保護(hù)判別程序，當(dāng)發(fā)生故障時(shí)，觸發(fā)繼電器動(dòng)作。在編程上采用匯編語(yǔ)言與C語(yǔ)言相結(jié)合的混合編程的方法，最大限度地利用DSP芯片的運(yùn)算源。