浅谈煤矿低压馈电开关综合保护器
作者；冯江生 常爱军 冯 磊 靳建平 牛永江 （潞安矿业集团公司王庄煤矿 山西 长治 046031）
摘 要：从煤矿井下低压电网中装设综合保护器的重要性入手，描述了基于零序电流
方向的选择性漏电保护的工作原理，介绍了以PLC 为中央控制单元的选择性漏电保护系统。在分析了误差来源的基础上设计了硬件电路，编写了软件程序。系统抗干扰性能好，实施电路简单，具有较高的实用价值。
关键词: 馈电开关；零序电流；零序电压；综合保护器
概述 漏电是煤矿井下低压电网的主要故障形式之一，约占其总故障的70％左右，它不但会导致人身触电事故，还会形成单相接地，进而发展成为相间短路，由此引发的电弧会造成瓦斯和煤尘爆炸。为确保人身安全减少因漏电引起的瓦斯和煤尘爆炸的危险性，在井下低压电网中必须安装漏电保护装置. 为了保证供电的可靠性和连续性，要求采用有选择性的漏电保护系统。选择性漏电保护装置动作具有选择性，对于辐射式电网的许多条配出线，只切除有漏电故障线路的电源，从而缩小了停电范围。由零序电流方向构成的选择性漏电保护，所需的零序电流和零序电压数值较小，动作仅取决于它们的方向，故其保护灵敏度高，选择性好。本文主要介绍以PLC 为核心的基于零序电流方向检测的选择性漏电保护。
2 选择性漏电保护的工作原理
选择性漏电保护是利用零序电压U Z 与零序电流I Z 相位判别原理来完成的。当电网某一相发生漏电时，故障支路零序电流与非故障支路零序电流相位相反，相对零序电压而言，故障支路零序电流滞后9O 0，而非故障之路零序电流超前900。 基于零序电流方向检测的选择性漏电保
护原理如图1所示。
E E E
图1中，ZCT 1～ZCT 3NO 3的零序电流互感支线路的接地电的接地电流之和。故障时，全电网A 相
分别为分支线路NO 1～器，I d1～I d3分别为各分
di
流，∑I di 为各分支电路当NO 1线路A 相发生接地对地电位均为零，所有
图1 选择性漏电保护原理图
线路的B 、C 相对地漏电流I d 都从接地点流回电源，主要为电容电流，此电流可由各支路零序电流互感器检测。故障支路接地电流为整个电网接地电流之和减去本线路的接地电流，其方向是自线路流向母线，而非故障支路接地电流由母线流向线路，方向与故障支路相反。由此可见，根据零序电流的方向即可判断出故障支路。
由于煤矿井下电网采用电缆线路，电缆绝缘电阻并不是无穷大，会随着运行时间及环境的变化而逐渐降低，相对零序电压而言，此时故障支路零序电流滞后角度大于9O °，而非故障之路零序电流超前角度小于90°。零序电流是采用零序电流互感器获得的，互感器初、次级之间总存在一定的角度差，对于电阻性负载而言，其二次侧电流相位超前超前一次侧电流相位，且超前的角度随一次侧电流的变化而变化。
3 系统硬件电路设计
选择性漏电保护系统中的零序电压主要是通过阻容电路中性点获得，零序电流是通过零序电流互感器获得，两者均为正弦信号。实际系统中是将零序电压前移一定角度，并将所有零序电流互感器二次输出端子反接，这样处理后，非故障支路零序电流与零序电压反相，故障支路零序电流与零序电压同相，经逻辑门电路即可区分出故障与非故障支路。本文是通过脉冲比相法进行相位鉴别以选出故障支路，脉冲比相法的系统框图如图2所示。
(1)零序电流调理电路为
图2 脉冲比相法系统框图
了提高比相范围，使
零序电流的相位在一定范围内变化时保持比相结果的正确性，可以将零序电流变换成窄脉冲信号，比相电路输入端反映零序电流相位的矩形波信号愈窄则其在时间轴上的可变动范围愈宽，这时就可以放宽对零序电流信号相位的要求 。
零序电流调理电路如图3所示，
R 2为限流电阻，反向并联二极管D 1、D 2用来对大信号限幅以保护比较器。比较器A 1与A 2分别对零序电流正、负半周信号进行过零比较，R 3、R 4为上拉电阻，C 1、C 2为积分电容它们将两比较器的方波变换为锯齿波，两路锯齿波经比较器与参考电压V 比较，调节
图3 零序电流调理电路原理图
可变电阻R 即可得到不同脉宽的脉冲信号。I 与I 为调理后的零序电流信
8
Z1
Z2
号。
(2)零序电压调理电路
采用有源移相电路对零序电压进行移相，该移相电路与RC 移相电路相比移相范围宽，移相范围0°～180°，输出电压幅值不随其相位的变化而变化。
零序电压调理电路如图4所示，
集成运放A 1与R 1、R 2、R 3和C 1组成移相电路，移相后的零序电压信号通过A 2与A 3，A 2
为同相输入形式，A 3为反相输入形式，分别对正、负半周信号进行过零比较。U Z1与U Z2为调理后的零序电压信号。
图4 零序电压调理电路原理图
(3)比相电路原理如图5所示，
U I U I 图5 比相电路原理图
经过调理后的零序电压信号和零序电流信号都是方波信号，对U Z1和I Z1，U Z2和I Z2进行与操作，然后经过或门合成周期为10ms 的脉冲信号U, 比较器A 1与A 2是将信号U 与它的反向信号转换成±15V 的脉冲信号，C 1为积分电容，对待检测脉冲信号进行积分，不同宽窄的脉冲信号积分后对应不同的锯齿波形，脉冲越宽积分后的最高电压越大，即不同脉冲宽窄对应不同的最高电压。R 4与三极管T 1组成一个电子开关，待检测脉冲的反向信号作为控制信号，当待检测脉冲为低电平时，T 1导通，积分电容C 1放电，当待检测脉冲为高电平时，T 1截止，积分电容C 1充电。积分后的电压与PLC 的模拟输出电压通过比较器A 3进行比较，当积分电压大于PLC 的模拟输出电压时，即脉冲宽度大于PLC 模拟输出电压对应的脉冲宽度时，A 3输出高电平，由保持电路进行保持，比相电路输出OUT 为高电平。保持电路由或门、Y 2、R 8、R 9和T 2组成，Y 2是PLC 的一个常开输出触点，当给系统供电后Y 2延时闭合，这样可以防止系统供电瞬间对T 2的干扰，避免保持电路输出错误，而且可以作为发生选择性漏电故障后的复位操作开关，当A 3输出高电平，或门输出也为高电平，T 2导通输出高电平，从而或门一直有高电平输人形成闭锁，比相电路输出OUT 保持高电平。这样，比相电路通过判断待检测脉冲信号的宽窄，可正确区分故障支路和非故障支路。 图6为不同宽窄脉冲积分后的波形图，
图中B 和D 是两个不同宽窄±15V 脉冲信号，A 和C 是相对应的经过积分后的锯齿波形，从图中可以看出，脉冲越宽，积分后的最高电压越大。
由于PLC 程序的执行周期比较长，为毫秒级，且PLC
资源有限，不能进行快速判断，
图6 脉冲积分波形图
为满足选择性漏电保护的快速性要求，本文采用了硬件电路来实现上述的判断过程，最终驱动执行跳闸部件，PLC 仅用来连续输出一个代表脉冲宽窄的模拟电压信号，该电压信号可调。
4 系统软件设计
系统的软件设计思路是：PLC 上电后，其模拟量输出模块连续输出一个可调的模拟电压，电压大小代表着不同的脉冲宽窄信号。输出接点Y 2在PLC 上电后延时2S 闭合，防止上电瞬间对保持电路的干扰，当发生漏电事故后，复位按钮使Y 2接打开，延时2s 后Y 2重新闭合。
5 结语
基于零序电流方向检测的选择性漏电保护的实施方案，具有抗干扰性能好、动作准确和实施电路简单等优点，其中选用PLC 作为选择性漏电保护系统的中央控制单元可以大大提高系统的抗干扰性、可靠性和可操作性。
浅谈煤矿低压馈电开关综合保护器
作者；冯江生 常爱军 冯 磊 靳建平 牛永江 （潞安矿业集团公司王庄煤矿 山西 长治 046031）
摘 要：从煤矿井下低压电网中装设综合保护器的重要性入手，描述了基于零序电流
方向的选择性漏电保护的工作原理，介绍了以PLC 为中央控制单元的选择性漏电保护系统。在分析了误差来源的基础上设计了硬件电路，编写了软件程序。系统抗干扰性能好，实施电路简单，具有较高的实用价值。
关键词: 馈电开关；零序电流；零序电压；综合保护器
概述 漏电是煤矿井下低压电网的主要故障形式之一，约占其总故障的70％左右，它不但会导致人身触电事故，还会形成单相接地，进而发展成为相间短路，由此引发的电弧会造成瓦斯和煤尘爆炸。为确保人身安全减少因漏电引起的瓦斯和煤尘爆炸的危险性，在井下低压电网中必须安装漏电保护装置. 为了保证供电的可靠性和连续性，要求采用有选择性的漏电保护系统。选择性漏电保护装置动作具有选择性，对于辐射式电网的许多条配出线，只切除有漏电故障线路的电源，从而缩小了停电范围。由零序电流方向构成的选择性漏电保护，所需的零序电流和零序电压数值较小，动作仅取决于它们的方向，故其保护灵敏度高，选择性好。本文主要介绍以PLC 为核心的基于零序电流方向检测的选择性漏电保护。
2 选择性漏电保护的工作原理
选择性漏电保护是利用零序电压U Z 与零序电流I Z 相位判别原理来完成的。当电网某一相发生漏电时，故障支路零序电流与非故障支路零序电流相位相反，相对零序电压而言，故障支路零序电流滞后9O 0，而非故障之路零序电流超前900。 基于零序电流方向检测的选择性漏电保
护原理如图1所示。
E E E
图1中，ZCT 1～ZCT 3NO 3的零序电流互感支线路的接地电的接地电流之和。故障时，全电网A 相
分别为分支线路NO 1～器，I d1～I d3分别为各分
di
流，∑I di 为各分支电路当NO 1线路A 相发生接地对地电位均为零，所有
图1 选择性漏电保护原理图
线路的B 、C 相对地漏电流I d 都从接地点流回电源，主要为电容电流，此电流可由各支路零序电流互感器检测。故障支路接地电流为整个电网接地电流之和减去本线路的接地电流，其方向是自线路流向母线，而非故障支路接地电流由母线流向线路，方向与故障支路相反。由此可见，根据零序电流的方向即可判断出故障支路。
由于煤矿井下电网采用电缆线路，电缆绝缘电阻并不是无穷大，会随着运行时间及环境的变化而逐渐降低，相对零序电压而言，此时故障支路零序电流滞后角度大于9O °，而非故障之路零序电流超前角度小于90°。零序电流是采用零序电流互感器获得的，互感器初、次级之间总存在一定的角度差，对于电阻性负载而言，其二次侧电流相位超前超前一次侧电流相位，且超前的角度随一次侧电流的变化而变化。
3 系统硬件电路设计
选择性漏电保护系统中的零序电压主要是通过阻容电路中性点获得，零序电流是通过零序电流互感器获得，两者均为正弦信号。实际系统中是将零序电压前移一定角度，并将所有零序电流互感器二次输出端子反接，这样处理后，非故障支路零序电流与零序电压反相，故障支路零序电流与零序电压同相，经逻辑门电路即可区分出故障与非故障支路。本文是通过脉冲比相法进行相位鉴别以选出故障支路，脉冲比相法的系统框图如图2所示。
(1)零序电流调理电路为
图2 脉冲比相法系统框图
了提高比相范围，使
零序电流的相位在一定范围内变化时保持比相结果的正确性，可以将零序电流变换成窄脉冲信号，比相电路输入端反映零序电流相位的矩形波信号愈窄则其在时间轴上的可变动范围愈宽，这时就可以放宽对零序电流信号相位的要求 。
零序电流调理电路如图3所示，
R 2为限流电阻，反向并联二极管D 1、D 2用来对大信号限幅以保护比较器。比较器A 1与A 2分别对零序电流正、负半周信号进行过零比较，R 3、R 4为上拉电阻，C 1、C 2为积分电容它们将两比较器的方波变换为锯齿波，两路锯齿波经比较器与参考电压V 比较，调节
图3 零序电流调理电路原理图
可变电阻R 即可得到不同脉宽的脉冲信号。I 与I 为调理后的零序电流信
8
Z1
Z2
号。
(2)零序电压调理电路
采用有源移相电路对零序电压进行移相，该移相电路与RC 移相电路相比移相范围宽，移相范围0°～180°，输出电压幅值不随其相位的变化而变化。
零序电压调理电路如图4所示，
集成运放A 1与R 1、R 2、R 3和C 1组成移相电路，移相后的零序电压信号通过A 2与A 3，A 2
为同相输入形式，A 3为反相输入形式，分别对正、负半周信号进行过零比较。U Z1与U Z2为调理后的零序电压信号。
图4 零序电压调理电路原理图
(3)比相电路原理如图5所示，
U I U I 图5 比相电路原理图
经过调理后的零序电压信号和零序电流信号都是方波信号，对U Z1和I Z1，U Z2和I Z2进行与操作，然后经过或门合成周期为10ms 的脉冲信号U, 比较器A 1与A 2是将信号U 与它的反向信号转换成±15V 的脉冲信号，C 1为积分电容，对待检测脉冲信号进行积分，不同宽窄的脉冲信号积分后对应不同的锯齿波形，脉冲越宽积分后的最高电压越大，即不同脉冲宽窄对应不同的最高电压。R 4与三极管T 1组成一个电子开关，待检测脉冲的反向信号作为控制信号，当待检测脉冲为低电平时，T 1导通，积分电容C 1放电，当待检测脉冲为高电平时，T 1截止，积分电容C 1充电。积分后的电压与PLC 的模拟输出电压通过比较器A 3进行比较，当积分电压大于PLC 的模拟输出电压时，即脉冲宽度大于PLC 模拟输出电压对应的脉冲宽度时，A 3输出高电平，由保持电路进行保持，比相电路输出OUT 为高电平。保持电路由或门、Y 2、R 8、R 9和T 2组成，Y 2是PLC 的一个常开输出触点，当给系统供电后Y 2延时闭合，这样可以防止系统供电瞬间对T 2的干扰，避免保持电路输出错误，而且可以作为发生选择性漏电故障后的复位操作开关，当A 3输出高电平，或门输出也为高电平，T 2导通输出高电平，从而或门一直有高电平输人形成闭锁，比相电路输出OUT 保持高电平。这样，比相电路通过判断待检测脉冲信号的宽窄，可正确区分故障支路和非故障支路。 图6为不同宽窄脉冲积分后的波形图，
图中B 和D 是两个不同宽窄±15V 脉冲信号，A 和C 是相对应的经过积分后的锯齿波形，从图中可以看出，脉冲越宽，积分后的最高电压越大。
由于PLC 程序的执行周期比较长，为毫秒级，且PLC
资源有限，不能进行快速判断，
图6 脉冲积分波形图
为满足选择性漏电保护的快速性要求，本文采用了硬件电路来实现上述的判断过程，最终驱动执行跳闸部件，PLC 仅用来连续输出一个代表脉冲宽窄的模拟电压信号，该电压信号可调。
4 系统软件设计
系统的软件设计思路是：PLC 上电后，其模拟量输出模块连续输出一个可调的模拟电压，电压大小代表着不同的脉冲宽窄信号。输出接点Y 2在PLC 上电后延时2S 闭合，防止上电瞬间对保持电路的干扰，当发生漏电事故后，复位按钮使Y 2接打开，延时2s 后Y 2重新闭合。
5 结语
基于零序电流方向检测的选择性漏电保护的实施方案，具有抗干扰性能好、动作准确和实施电路简单等优点，其中选用PLC 作为选择性漏电保护系统的中央控制单元可以大大提高系统的抗干扰性、可靠性和可操作性。