低压馈电开关保护器

2024-10-05

低压馈电开关保护器（共7篇）

低压馈电开关保护器篇1

0 引言

煤矿井下低压电网遍布井下采、掘、装、运各个生产环节, 低压漏电故障约占低压电网各种电气故障总概率的70～80%, 是导致人身触电伤亡、引发瓦斯、煤尘爆炸, 或发展为短路事故、电火灾事故的主要原因, 所以漏电保护意识是井下“三大保护”之一。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。

然而, 由于低压选漏技术难度太大, 直到现在国内各种防爆开关中所使用的选漏保护器或综合保护中选漏单元的实用效果仍不理想, 选漏保护的误选、错选、落选情况严重, 经常形成无选择性跳总开关, 不仅造成大面积停电停产, 而且由于总检漏延时300 ms左右使总开关断电, 且现有选漏系统因采用零序功率方向原理而普遍删除零序电抗器补偿电容电流功能, 从而进一步加大了人身触电伤亡和引燃瓦斯爆炸的危险性。因此, 研制可靠型的选择性漏电保护装置是十分必要的。

由零序电流方向构成的选择性漏电保护, 其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, 保护灵敏度高, 选择性好。因此, 笔者基于零序电流方向构成的选择性漏电保护原理, 采用PLC技术设计了一种矿用智能低压馈电开关选择性漏电保护系统, 为井下低压电网的漏电保护提供了一种新的解决方案。

1 系统选择性漏电保护原理

矿用低压馈电开关选择性漏电保护系统的漏电保护原理主要是结合了附加直流电源检测原理和零序电流方向性保护原理, 不仅利用零序电压和零序电流的幅值大小判断供电系统内部是否发生漏电和哪条支路发生漏电, 同时还利用各支路零序电压和零序电流的相位关系来判断漏电支路。这样做既达到了很好的选择性目的, 又能利用三重判断防止误动作。系统首先判断零序电压是否超出动作整定值, 若超出, 则要判断每条支路的零序电流是否超出该支路动作整定值, 若还超出, 则再判断零序电流和零序电压的相位差是否在动作整定的相位差范围之内, 如果相位差在设定的范围之内, 则可判断该支路必定发生漏电故障, 进而发生漏电保护动作。在相位差的计算中增加对零序电流及电压信号的过零点趋势判断方法, 进一步降低了谐波及其它干扰引起的误动作。

2 系统硬件设计

目前国内馈电开关综合保护系统一般是由分立元器件或单片机组成控制核心, 结构复杂, 安装调试困难;抗干扰能力差, 故障率高, 经常出现误动和拒动现象, 漏电动作时间常常满足不了30 ms的要求, 尤其在供电距离短、电压高或供电距离长、电压低的情况下, 在1 kΩ漏电时动作时间更长。另外, 由于元器件的限制, 开关缺少良好的人机界面, 给故障判断和排除带来不便。国外同类产品普遍采用PLC作为控制核心, 工艺水平较国内高。但是一旦出现故障, 则维修较困难, 影响生产。另外, 国外产品价格极高, 是国内同类产品的十倍以上。

针对上述情况, 笔者采用和利时PLC中的馈电开关专用控制器LM3108K和人机界面 (文本显示器及设置键盘) 构成低压馈电开关选择性漏电保护系统, 来完成矿井低压电网的二级选择性漏电、对称短路、不对称短路、断相、过载和过电压等保护功能。该系统由基于附加直流检测的总漏电保护和基于零序电流方向判断的分支漏电保护组成, 既可完成井下低压电网单相漏电时横向选择性和纵向选择性功能, 又能保证电网对称漏电时保护动作电阻值的稳定性, 使馈电开关既可靠又安全。

系统硬件组成框图如图1所示。LM3108K首先接收来自现场 (经过现场侧一级变换) 的三相交流信号、零序信号, 经IO板上的通道处理模块放大处理后进入DSP进行信号采集, 采集的信号经板间连接器进入CPU板, 之后送上位机显示;上位机的相关配置参数首先下发到CPU板, 再由CPU板下发到IO板;电源板输入为24 V DC信号, 经过防护处理之后转换为+5 V送入馈电模块使用, 馈电模块中用到的其它内部电压也都由+5 V转换后得到。IO板和CPU板分别以TI 公司生产的DSP芯片TMS320LF2407A和Infineon公司生产的C164单片机为核心, 二者之间数据通信由SPI口完成。

信号采集原理如图2所示, TA0为零序电流互感器、TA1-3为400 A/1 V 的电流互感器、T2为馈电三相电抗器、T3为1 140 V、660 V/10 V的零序变压器。

系统采集的三相电流、零序电流、三相线电压、零序电压、系统电压、绝缘电阻等信号不需要转换成直流标准信号, 而是直接进入PLC中的模数转换芯片, 最后PLC根据采集到的信号来控制断路器的合分闸;漏电和短路保护动作采用硬件中断方式, 大大缩短了信号采集和故障发生时执行保护动作的时间, 保证分开关保护的动作时间小于30 ms, 总开关保护动作时间小于200 ms;增加了PLC根据电网分布电容的大小和电网电压的高低来自动整定选择性漏电保护特性和动作参数的功能, 提高了保护系统的智能性。此外, 该系统还建立了良好的人机界面, 文本显示器在开关合闸前循环显示电网的绝缘状态、动作整定值和开关的工作状态。开关合闸后, 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参数和故障状态, 从而大大提高了判断故障和排除故障的效率。

3 系统软件设计

系统软件设计主要包括PLC控制程序设计和文本显示器监控界面设计2个部分。其中PLC控制程序在和利时专用的PowerPro V4编程软件环境下完成, 主要包括硬件配置及参数设置、通信定义和用户程序的编写等。PLC控制程序主要由主程序、信号采集程序、信号滤波程序、信号比较程序、保护输出程序等子程序构成, 其中漏电判断程序流程如图3所示。

文本显示器监控界面利用通用工控组态软件eview开发, 主要设计了参数输入界面、开关参数显示界面、报警显示界面等, 可实现控制系统的工况显示、参数设定、保护方式选择、报警显示等功能。

4 系统在井下供电设备中的应用

该智能低压馈电开关选择性漏电保护系统已成功应用于煤矿现场, 其开关配置如图4所示, 包括1台总馈电开关、6台分支馈电开关, 电网额定电压为1 140 V。

总开关漏电保护闭锁值为42.8 kΩ, 动作值为43 kΩ, 经实际测试, 保护时间在200 ms左右。分开关漏电保护闭锁值为42.7 kΩ, 动作值为44 kΩ, 经实际测试, 保护时间在30 ms左右。

5 结语

本文提出的基于PLC的矿用智能低压馈电开关选择性漏电保护系统不仅有稳定的动作值, 而且还能实现电网横向选择性漏电保护和纵向漏电保护。在采用了一系列抗干扰措施后, 系统工作的可靠性更为提高。该系统以PLC为中央处理单元, 不仅增强了保护的灵活性和快速性, 而且建立了良好的人机互动界面, 提高了判断故障和排除故障的效率。现场运行结果表明, 该系统能够可靠、快速地实现选择性漏电保护, 提高了煤矿井下供电的安全性、可靠性和连续性, 具有广阔的推广应用前景。

摘要：文章阐述了基于零序电流方向的选择性漏电保护原理, 介绍了一种基于PLC的矿用智能低压馈电开关选择性漏电保护系统的软、硬件设计方案。实际应用表明, 该系统能够可靠、快速地实现选择性漏电保护, 且具有较强的抗干扰能力。

关键词：煤矿,低压电网,馈电开关,选择性漏电保护,零序电流,PLC

参考文献

[1]国家安全生产监督管理总局.煤矿安全规程[M].北京:煤炭工业出版社, 2004.

[2]邹有明, 张根现, 刘士栋, 等.工矿企业漏电保护技术[M].北京:煤炭工业出版社, 2004.

[3]宋建成, 谢恒坤.基于零序电流方向的选择性漏电保护系统的研究[J].电网技术, 1998 (9) :53-56.

[4]郑国莘.矿用智能化通用性选择性漏电保护馈电开关[J].煤炭科学技术, 2000 (11) :11-13.

[5]宋建成.矿井低压电网选择性漏电保护性能的改进方法[J].继电器, 1998 (9) :34-39.

低压馈电开关保护器篇2

关键词：馈电开关；ARM处理器；保护装置

中图分类号：TM774 文献标识码：A 文章编号：1006-8937（2014）8-0077-02

我国的馈电开关保护技术起步于20世纪50年代，经历了模仿苏美、西欧等先进国家的产品到自主开发、非智能化到智能化的发展历程，馈电开关保护装置为井下低压供电提供了有力保障。目前，井下低压馈电开关保护的方法比较多，但其存在的不足之处便是灵敏度、可靠性和准确性易受到外部条件的影响，难以适应复杂的井下工作环境。基于此认识，考虑到嵌入式应用领域中32位ARM处理器具有的高性能、低成本和低功耗等优点，决定将其运用到低压馈电开关保护中去。

1 保护装置系统总体设计

该馈电开关保护装置系统采取芯片为STM32F103RS的32位ARMCortex-M3处理器，系统硬件是以STM32F103RS芯片为核心的嵌入式硬件平台，并根据保护装置的需要设计了多种功能模块；该馈电开关保护装置系统软件采取了μC/OS-II嵌入式实时操作系统，按照一定的优先级将各个功能模块的控制程序进行任务管理。为了促使该保护装置安全、稳定运行，在系统软件和硬件方面分别加入了抗干扰设计。

该保护装置的安装位置为开关防爆腔内，经馈电开关的断路器来完成电路的通断。其工作原理是互感器对电网的电量参数进行采集，保护器由A/D端口接收信号并对其进行分析、判断和处理，发生故障时则通过继电器闭合将跳闸回路接通使断路器跳闸，从而实现故障保护。保护装置的主要功能有：①由采样电路对互感器上的信号进行实时监测和处理，并依据处理结果由ARM处理器结合μC/OS-II嵌入式实时操作系统来提高故障保护的实时性，同时采用RS-485通信连接方式来降低故障保护动作时间。②利用其通信功能来实现数据的传播、共享与交换，同时提高保护装置的稳定性和可靠性。③可以通过LED显示器实时显示电网的运行情况，在发生故障时自动报警，同时支持参数的按键设置。

该设计的低压馈电开关保护装置系统总体功能结构由电源模块、信号预处理模块、通信模块、故障保护模块、液晶显示模块等等，具体如图1所示。

2 保护装置硬件系统的设计

考虑到低压馈电保护装置的设计成本和功能需要，决定选用ST公司生产的32位STM32F103RB芯片，该处理器芯片内嵌有两个12位模拟/数字转换器（A/D）。STM32F103RB芯片采用了RISC和Thumb-2技术，与单纯ARM相比所需内存降低30%以上，同时又具有低功耗、高性能的优点。按照低压馈电保护装置的功能需要，硬件设计主要包括：开关量输出模块、通信模块设计、显示模块设计、电源模块设计、信号预处理模块、测温模块和开关量输入模块等。保护装置的硬件结构如图2所示：

2.1 电源模块设计

该保护装置的电源取自于井下配电电网，由变压器降压后转为24 V的交流电作为馈电开关的电源。根据保护装置系统的需求，采用DC/DC变换3.3 V、5.0 V、12 V和24 V四种等级电压。由于电源易受到微机控制系统的影响，在满足系统不同等级供电电压要求的同时，要采取一定的抗干扰措施。综合各方面因素，决定采用如下保护装置的电源模块设计方案：采用LM2575HV集成稳压电路将24 V交流电转为12 V的直流电，然后再采用78M05型和MC34063型DC/DC电源芯片将12 V电压转为5.0 V和24 V直流电，最后由SP6201-3V3型电源芯片将5.0 V电压转换为3.3 V直流电压。

2.2 通信模块设计

该保护装置采用的是RS-485通信模式，通信电路采用MAX485芯片，该芯片内部包含驱动器和接收器，除了满足高通信要求外，还具备较强的抗干扰能力。考虑到保护装置的防爆性能，在通信模块设计时加入了光耦隔离元件PC817、6N137和高压隔离变换器B0505，同时设计整流桥来保证输出信号的稳定性。

2.3 信号预处理模块设计

井下电网信号主要来自于采样电阻和互感器，往往难以满足A/D转换器的要求，因此必须对其进行预处理使其符合芯片的要求。考虑到在合闸和分开时总开关处只需分别检测绝缘电阻和零序信号，设计采用继电器控制绝缘电阻检测回路的通断。零序电压由该零序电压变压器所取得，是40 V的交流信号，并由UO接入采样电路，为了满足系统不同等级电压需求，对其进行降压处理。零序电流由零序电流互感器所得，并使之从IO处接入电路，同时设计采用PO07构成的微分电路进行相位补偿以满足互感器感应电流在相位上的滞后，零序电流经转换成为电压信号，并经过LM324放大电气隔离，成为符合芯片要求的电压信号。

2.4 开关输入与继电保护输出模块设计

继电保护的输出和参数的设定与开关量的输入输出有关。为了提高STM32芯片驱动力和处理器、电路的稳定性和准确性，要采取一定的抗干扰措施。该保护装置以薄膜开关作为输入按键，同时采用6N137和PC817等光电隔离器件来实现输入与输出电路信号的隔离。由于继电器驱动所需电流较大，设计采用高耐压、大电流的ULN2003驱动继电器动作。

2.5 其他模块设计

①测温模块——保护装置采用PT100测温传感器，其测温原理是在该传感器上施加一个稳定电流，通过检测两端电压，进而确定其阻抗，并利用阻抗与温度变化之间的关系计算出相对应的温度。②显示模块设计——为了实现保护装置的运行状态显示，同时满足防爆安全要求，决定采用RT1286M-1型LED屏，采用4位并行接口和3线串行接口的通讯方式。

3 保护装置软件系统的设计

考虑到主控芯片是基于ARMv7架构且又能够支持嵌入式操作系统，同时该保护装置又要满足多种功能需求，故决定采用移植开源的μC/OS-II 嵌入式操作系统。根据系统功能需要，将功能按照任务模块进行划分和编写，同时设计好各程序对应的优先级和通信连接方式。该保护装置软件应包括处理功能、人机操作、保护功能输出、逻辑判断、通讯功能、显示功能等程序。该保护装置软件系统结构图如图3所示：

图3中的BSP板级支持包是介于硬件和操作系统之间的一段程序，其主要是使操作系统较好的运行于硬件主板。保护装置的软件系统主要包括系统内核、主程序、驱动程序、BSP、系统任务、故障处理子程序、采样中断服务子程序等。软件设计首先应完成该μC/OS-II操作系统的移植，之后在系统上进行程序编写、断服务函数、各功能任务程序的编写等等。保护装置执行的任务主要有LCD刷新、键盘和互感器扫描、故障的处理与数据的传输等等。操作系统通过信号量、消息邮箱、邮箱阵列和事件等四种同步对象来完成系统任务间的通信和同步。此外，为了各项任务的实现还需编写供μC/OS-II 操作系统调用的应用程序、功能函数和数据处理算法等，该类程序的编写在此不予赘述。该保护装置的系统启动后，经过初始化后开始运行，启动操作系统的硬件定时器并创建相应的系统任务，然后系统按照设定的优先级进行各任务的执行。保护装置系统软件系统如图4所示：

4 结语

根据当前馈电开关保护技术存在的问题，基于ARM 处理器为核心构建了馈电开关保护装置的硬件结构和软件系统，该保护装置是集通信、故障保护、人机交互等多种功能于一体的高智能化低压馈电开关保护装，为矿井低压电网安全可靠的运行提供了有力保障。

参考文献：

矿井低压馈电开关的改造篇3

低压开关是煤矿供电系统中不可缺少的电气设备[1]。目前, 千秋煤矿使用的矿用低压馈电开关内置的综合保护器种类、通信规约多种多样, 保护较少, 数据上传不全, 并且很多保护器不具备数据通信接口;此外, 低压开关内部所配的电流互感器、零序电流互感器、零序电压互感器多采用直流输出, 误差大, 不能进行故障录波, 难以满足开关各项保护、计量精度的要求, 不能对开关实现远程合分闸控制和各项电参数数据的监视、分析, 同时也达不到电力监控管理系统的目的。为提高低压开关的可靠性, 对其实现远控操作, 千秋煤矿对低压馈电开关进行了升级改造, 改造的主要内容是升级内置综合保护器。采用集监测、计量、控制、保护于一体的新型综合保护器, 使供电设备、供电线路和用电负荷得到全面安全保护, 有效防止供电系统故障运行、越级跳闸、大面积停电等事故的发生, 实现故障预先监测、报警并及时有效的分析处理, 系统运行管理和实时用电量管理, 为实现全矿井供电系统无人值守创造有利条件。

1改造方案

(1) 更换低压综合保护器

由于现使用的矿用低压馈电开关内置的综合保护器种类、通信规约完全不同, 通用性差, 保护功能也较少, 难以满足低压开关各项保护、计量精度的要求。因此, 采用集监测、计量、控制、保护于一体的网络型智能综合保护器替代原有开关内置的保护器。

改造后的保护器具有以下功能:

① 具有三段式电流保护 (速断、过流、过载) 、反时限过流保护、过压、欠压保护、附加直流型/功率方向型漏电保护, 绝缘监视保护, 风电闭锁、瓦斯电闭锁保护功能[2];

② 具备装置自检、故障模拟试验以及短路、过流保护经低电压闭锁功能;

③ 本地实时动态显示三相电压、两相电流、有功功率、无功功率、功率因数、零序电压、零序电流、有功电量、无功电量、合分闸状态显示、故障报警、通信状态等动态数据及显示相应状态指示灯;

④ 三相电度量统计及实时显示和查询功能;

⑤ 具有事件记录及故障录波功能;

⑥ 具备远程通信接口, 可实现数据即时上传, 接收上位机发布远程操作命令, 即合闸、分闸、信号复归、定值整定等;

⑦ 本地或远程均可实现低压馈电开关的分闸、合闸、信号复归等操作, 漏电、绝缘监视试验及保护定值、电量定值的设定和修改[3]。

(2) 更换原三相电抗器

原综合保护装置不具有三相电压监测功能, 需要更换为具有同步电压信号输出功能的三相电抗器 (三相电抗器的型号为PT SK-110 (1 140, 660 V/10 V) , 精度为0.1级) , 以满足综合保护装置的高精度电压采集及计量功能。

(3) 更换原综合保护装置的电源变压器

原综合保护装置不具有合闸前的线路电压检测功能, 无法对合闸前线路电压的超压或低压等故障作出保护。为避免设备超压或低压启动, 所以更换工作变压器, 更换后的线路电压互感器电压为220 V、127 V、36/10 V, 精度为0.1级。

(4) 更换检漏组件

网络型智能综合保护装置设计的漏电监测回路的参数与原综合保护装置参数不一致, 需更换综合保护装置外围漏电组件, 以保证漏电保护的准确度。

(5) 更改相应的控制回路

为实现远程控制分合闸及远程闭锁、试验功能, 需要增加相应的控制回路接线。

(6) 更换电流互感器、零序电流互感器、零序电压互感器

更换电流互感器, 更换后的电流互感器电流为630 A、500 A、400 A、200 A/100 mA, 精度为0.1级, 可实现电流信号的高精度采集及计量功能;更换零序电流互感器、零序电压互感器, 以实现分开关的功率方向性漏电监测保护功能。

2结语

改造后的低压馈电开关各种保护齐全, 实现了数据即时上传和远控操作。开关通过综合保护器的通信接口接入电力监控管理系统平台后, 可快速将井下电气设备的电气参数、运行参数、电度量、故障信息等数据传给地面指挥中心, 也可以接收地面控制中心发出的各项控制命令, 实现远程合分闸操作、远程定值整定、远程故障报警、远程模拟试验等功能;同时可实时显示出综合保护器上传的电气设备的各项电参数, 为实现矿井供电系统的安全可靠运行创造了良好条件。通过对低压馈电开关的改造, 实现了真正意义上的远控, 达到了无人值守的目的。

参考文献

[1]王文华.矿用低压馈电开关综合保护系统的研究[D].太原:太原理工大学, 2010.

[2]黄席樾, 苏万益.选择性漏电低压电网综合保护器单片机馈电开关[D].重庆:重庆大学, 2006.

[3]槐利.矿井低压真空馈电开关智能综合保护器的硬件设计[J].工矿自动化, 2011 (1) :16-18.

低压馈电开关保护器篇4

在含有大量煤尘、瓦斯等危险因素的煤矿井下环境中, 配电系统运行与保护的智能化是煤矿井下配电系统的发展趋势, 关乎着煤矿企业的设备、财产和员工人身安全。所以, 当前矿用智能保护器越来越多的受到了企业的重视并且得到了较为普遍的应用。矿用智能保护器应该具备保护控制、状态显示、联机通信、突发故障记录及查询等功能, 能对电压、电流等进行实时采样, 并以此来判断电路系统的工作状态, 从而决定各种保护控制装置的动作。且能将当前状态进行实时显示、传输到上位机, 同时通过各种声光手段给出各种控制和故障信号。

二、基于FPGA平台矿用馈电智能保护器的硬件设计

1、XILINX FPGA介绍

FPGA是可编程门阵列 (Field Programmable Gate Array) 的简称。一般采用查找表结构, 器件具有下列优点:高密度、高速度、系列化、标准化、小型化、多功能、低功耗、低成本, 设计灵活方便, 并可反复编程。本设计采用的是低成本、容量中等、性能可靠的Spartan3系列FPGA。

2、馈电开关智能保护器的硬件结构图 (图1)

(1) FPGA控制TLC1549进行采样。电压、电流经过相应的传感器将其传入到信号调理电路进行调理, 然后送A/D电路进行模数转换。TLC1549是10位开关电容逐次逼近模数转换器, 具有采样-保持是功能。TLC1549采用串行口进行数据交换, 加之外部输入的差分高阻抗的基准电压, 使之具有转换速度较快、抗干扰能力强等特点。

(2) FPGA采用状态机控制整个工作过程, 并在FPGA内部构建了DSP进行数值运算。其特点是速度快、精度高、实现简单, 完全能够满足智能保护器的实时要求。

(3) FPGA的引脚可根据需求定义, 非常简便的与键盘及LCD、光藕等连接并对其进行控制, 系统操作更人性化。

三、基于FPGA平台矿用馈电智能保护器的软件设计

系统整体工作过程采用FPGA中常用的状态机进行控制, 在这里着重介绍FPGA控制TLC1549模块的实现。用硬件描述语言采用Verilog HDL, 其特点在于易于理解、易于维护、调试电路速度快。同时有许多易于掌握的仿真、综合和布局布线的工具, 能用来做逻辑设计的布线前和布线后仿真, 验证功能是否正确。限于篇幅, 下面给出部分模块的Verilog HDL程序:

四、FPGA的仿真与测试

以下是系统软件仿真的部分截图 (图2系统仿真) , 通过仿真可以发现系统能够完成相应功能, 满足时许要求、性能稳定。

结束语

基于FPGA平台矿用馈电智能保护器的设计充分发挥了XILINX FPGA的平台优势, 无需太多外围逻辑器件便可轻松的构建硬件平台。克服了传统以单片机为核心的保护器运算能力不足、电路结构复杂等弊端。系统采用工业级FPGA平台, 同时采用LCD液晶屏显示、键盘输入、485通讯等技术, 增强了系统的稳定性、可靠性, 使用灵活方便并具有较高的性价比。

参考文献

[1]姚远, 李辰《FPGA应用开发入门与典型实例》人民邮电出版社, 2010

低压馈电开关保护器篇5

关键词：馈电开关,ARM处理器,保护装置

0 引言

我国的馈电开关保护技术起步于20世纪50年代, 经历了模仿苏美、西欧等先进国家的产品到自主开发、非智能化到智能化的发展历程, 馈电开关保护装置为井下低压供电提供了有力保障。目前, 井下低压馈电开关保护的方法比较多, 但其存在的不足之处便是灵敏度、可靠性和准确性易受到外部条件的影响, 难以适应复杂的井下工作环境。基于此认识, 考虑到嵌入式应用领域中32位ARM处理器具有的高性能、低成本和低功耗等优点, 决定将其运用到低压馈电开关保护中。

1 保护装置系统总体设计

该馈电开关保护装置系统采取芯片为STM32F103RS的32位ARMCortex-M3处理器, 系统硬件是以STM32F103RS芯片为核心的嵌入式硬件平台, 并根据保护装置的需要设计了多种功能模块;该馈电开关保护装置系统软件采取了μC/OS-II嵌入式实时操作系统, 按照一定的优先级将各个功能模块的控制程序进行任务管理。为了促使该保护装置安全、稳定运行, 在系统软件和硬件方面分别加入了抗干扰设计。

该保护装置的安装位置为开关防爆腔内, 经馈电开关的断路器来完成电路的通断。其工作原理是互感器对电网的电量参数进行采集, 保护器由A/D端口接收信号并对其进行分析、判断和处理, 发生故障时则通过继电器闭合将跳闸回路接通使断路器跳闸, 从而实现故障保护。保护装置的主要功能有: (1) 由采样电路对互感器上的信号进行实时监测和处理, 并依据处理结果由ARM处理器结合μC/OS-II嵌入式实时操作系统来提高故障保护的实时性, 同时采用RS-485通信连接方式来降低故障保护动作时间。 (2) 利用其通信功能来实现数据的传播、共享与交换, 同时提高保护装置的稳定性和可靠性。 (3) 可以通过LED显示器实时显示电网的运行情况, 在发生故障时自动报警, 同时支持参数的按键设置。

该设计的低压馈电开关保护装置系统总体功能结构由电源模块、信号预处理模块、通信模块、故障保护模块、液晶显示模块等组成, 具体见图1所示。

2 保护装置硬件系统的设计

考虑到低压馈电保护装置的设计成本和功能需要, 决定选用ST公司生产的32位STM32F103RB芯片, 该处理器芯片内嵌有2个12位模拟/数字转换器 (A/D) 。STM32F103RB芯片采用了RISC和Thumb-2技术, 与单纯ARM相比所需内存降低30%以上, 同时又具有低功耗、高性能的优点。按照低压馈电保护装置的功能需要, 硬件设计主要包括:开关量输出模块、通信模块设计、显示模块设计、电源模块设计、信号预处理模块、测温模块和开关量输入模块等。保护装置的硬件结构见图2所示。

1) 电源模块设计:该保护装置的电源取自于井下配电电网, 由变压器降压后转为24 V的交流电作为馈电开关的电源。根据保护装置系统的需求, 采用DC/DC变换3.3 V、5.0 V、12 V和24 V四种等级电压。由于电源易受到微机控制系统的影响, 在满足系统不同等级供电电压要求的同时, 要采取一定的抗干扰措施。综合各方面因素, 决定采用如下保护装置的电源模块设计方案:采用LM2575HV集成稳压电路将24 V交流电转为12 V的直流电, 然后再采用78M05型和MC34063型DC/DC电源芯片将12 V电压转为5.0 V和24 V直流电, 最后由SP6201-3V3型电源芯片将5.0 V电压转换为3.3 V直流电压。

2) 通信模块设计:该保护装置采用的是RS-485通信模式, 通信电路采用MAX485芯片, 该芯片内部包含驱动器和接收器, 除了满足高通信要求外, 还具备较强的抗干扰能力。考虑到保护装置的防爆性能, 在通信模块设计时加入了光耦隔离元件PC817、6N137和高压隔离变换器B0505, 同时设计整流桥来保证输出信号的稳定性。

3) 信号预处理模块设计:井下电网信号主要来自于采样电阻和互感器, 往往难以满足A/D转换器的要求, 因此, 必须对其进行预处理使其符合芯片的要求。考虑到在合闸和分开时总开关处只需分别检测绝缘电阻和零序信号, 设计采用继电器控制绝缘电阻检测回路的通断。零序电压由该零序电压变压器所取得, 是40 V的交流信号, 并由UO接入采样电路, 为了满足系统不同等级电压需求, 对其进行降压处理。零序电流由零序电流互感器所得, 并使之从IO处接入电路, 同时设计采用PO07构成的微分电路进行相位补偿以满足互感器感应电流在相位上的滞后, 零序电流经转换成为电压信号, 并经过LM324放大电气隔离, 成为符合芯片要求的电压信号。

4) 开关输入与继电保护输出模块设计:继电保护的输出和参数的设定与开关量的输入输出有关。为了提高STM32芯片驱动力和处理器、电路的稳定性和准确性, 要采取一定的抗干扰措施。该保护装置以薄膜开关作为输入按键, 同时采用6N137和PC817等光电隔离器件来实现输入与输出电路信号的隔离。由于继电器驱动所需电流较大, 设计采用高耐压、大电流的ULN2003驱动继电器动作。

5) 其他模块设计: (1) 测温模块———保护装置采用PT100测温传感器, 其测温原理是在该传感器上施加一个稳定电流, 通过检测两端电压, 进而确定其阻抗, 并利用阻抗与温度变化之间的关系计算出相对应的温度。 (2) 显示模块设计———为了实现保护装置的运行状态显示, 同时满足防爆安全要求, 决定采用RT1286M-1型LED屏, 采用4位并行接口和3线串行接口的通讯方式。

3 保护装置软件系统的设计

考虑到主控芯片是基于ARMv7架构且又能够支持嵌入式操作系统, 同时该保护装置又要满足多种功能需求, 故决定采用移植开源的μC/OS-II嵌入式操作系统。根据系统功能需要, 将功能按照任务模块进行划分和编写, 同时设计好各程序对应的优先级和通信连接方式。该保护装置软件应包括处理功能、人机操作、保护功能输出、逻辑判断、通讯功能、显示功能等程序。该保护装置软件系统结构图见图3所示。

图3中的BSP板级支持包是介于硬件和操作系统之间的一段程序, 其主要是使操作系统较好的运行于硬件主板。保护装置的软件系统主要包括系统内核、主程序、驱动程序、BSP、系统任务、故障处理子程序、采样中断服务子程序等。软件设计首先应完成该μC/OS-II操作系统的移植, 之后在系统上进行程序编写、断服务函数、各功能任务程序的编写等等。保护装置执行的任务主要有LCD刷新、键盘和互感器扫描、故障的处理与数据的传输等等。操作系统通过信号量、消息邮箱、邮箱阵列和事件等四种同步对象来完成系统任务间的通信和同步。此外, 为了各项任务的实现还需编写供μC/OS-II操作系统调用的应用程序、功能函数和数据处理算法等。该保护装置的系统启动后, 经过初始化后开始运行, 启动操作系统的硬件定时器并创建相应的系统任务, 然后系统按照设定的优先级进行各任务的执行。保护装置系统软件系统见图4所示。

4 结语

弧光保护在中低压开关中的应用篇6

近年来, 随着我国电力工业的发展, 辖区中低压开关柜的应用数量也越来越多, 由于开关柜弧光短路引发的中低压母线故障也日益增多, 通过近几年的统计, 每年发生的开关柜闪络、短路、接地, 或爆炸事故达十几起, 不仅造成了停电事故, 影响了供电可靠性, 还造成了许多设备的永久性损毁, 带来了许多不可挽回的损失, 为了确保人身、设备安全, 避免类似事故再次出现, 结合国内外运行经验, 很有必要在中低压开关柜加装电弧光保护。

1 弧光形成的原因

(1) 带电误操作;

(2) 设备本身质量、工艺问题, 故障或断路器灭弧失败;

(3) 人或者动物误入带电线路区间, 维修后工具遗留等;

(4) 电缆、套管、支持瓷瓶、绝缘子等其他辅件绝缘老化, 设备破损;

(5) 天气如台风, 雷电等造成线路破损及各种外力破坏造成的故障;

(6) 系统接地、谐振、操作、雷电等各种原因造成的系统过电压;

(7) 气候条件, 污秽 (严重) 、空气湿度 (过大) 、温度 (过热) 。

2 弧光的危害

2.1 电弧性短路起火

如将两电极接触后再拉开建立了电弧, 则维持此10mm长的电弧只需要20V的电压, 也就是说只要先接触, 之后又分开, 很可能产生局部温度很高的电弧而成为起火源。

2.2 电弧光爆炸

电弧光不仅能引起绝缘物质燃烧, 而且可以引起金属 (铜排、铝排) 熔化、飞溅, 构成火灾、爆炸的火源;电气设备本身除多油断路器、电力变压器、电力电容器、充油套管等充油设备可能炸裂外, 一般不会出现爆炸事故, 但是以下情况可能引起空间爆炸:

(1) 周围空气有爆炸性混合物, 在危险温度或电火花作用下引起空间爆炸。

(2) 充油设备的绝缘油在电弧作用下分解或气化, 喷出大量油雾和可燃气体, 引起爆炸。

(3) 发电机氢冷却装置漏气, 酸性蓄电池排出氢气等, 形成爆炸性混合物, 引起空间爆炸。

2.3 对人的危害

(1) 弧光的光强约9000Lux, 而人眼感受到的最大光强约300Lux, 很容易使人的眼睛刺伤, 使角膜上皮脱落, 出现怕光、流泪、异物感、结膜充血等症状。

(2) 电弧爆炸造成的烧伤是最严重的伤害, 主要来自于电爆炸时散发出大量的热能辐射和飞溅的熔化金属, 再者就是衣物被点燃后燃烧的熔滴而造成的严重烧伤。

(3) 电爆时产生的巨响对听觉的伤害和爆炸弹力对人体的伤害热能和火焰是可以致命的伤害。

(4) 电弧周围的空气在弧光强烈辐射作用下, 还会产生臭氧、氮氧化物等有毒气体伤害呼吸系统。

2.4 对设备的危害

弧光短路是电网最严重的故障, 尤其是发生在中、低压开关柜内部的情形, 由于电弧电阻的原因, 短路电流往往达不到过流速断整定值而不能动作快速切断故障, 电弧持续燃烧释放出巨大的能量, 从而造成灾难性的后果:开关柜严重烧毁、重要用户停电、经济损失等, 见下图1~图4:

3 弧光危害程度及现有保护分析

3.1 燃弧时间对设备损坏程度的影响

当系统出现弧光的时候, 弧光以300m/s的速度爆发, 摧毁途中的任何物质。只要系统中不断电, 弧光就会一直存在;而在中低压开关柜内, 弧光可以迅速的在10ms内达到3M远, 因此要想最大程度降低损失, 保障运行、维护、操作人员的安全, 时间是最主要的因素。根据国外经验数据, 燃弧时间与设备损毁的关系如下:

(1) 燃弧时间≤35ms, 没有显著的损坏, 一般可以再检验绝缘电阻后投入使用。

(2) 燃弧时间≤100ms, 损坏较小, 在开关柜再次投入运行以前需要进行清洁或某些小的修理。

(3) 燃弧时间≤500ms, 设备损坏很严重, 在现场的人员也受到严重的伤害, 必须更换部分设备, 更换才可以再投入运行。

3.2 常规保护的动作切弧时间

中低压开关柜一般配备有过流速断、变压器后备、母线差动保护。保护动作出口时间加上开关机构固有的动作延时以及断路器的灭弧时间, 造成实际的延迟息弧息弧时间会大于如下时间:

对瞬时性保护 (速断、母线差动) 延时一般大于40~60ms (0s (整定值) +保护启动出口延时10ms+断路器分闸时间30~50ms) 。

对变压器后备保护一时限跳主变本侧母联500ms;二时限跳主变本侧1000ms;三时限跳主变全侧1500ms (常规整定值) 。

带时限的过流 (II段) 保护延时300ms~500ms。

据以上分析可见, 常规保护的故障切除时间很难确保设备安全再运行, 现场多年实际运维经验也证明了这一点, 几乎所有的放电开关柜, 不经过防污闪处理或设备更换, 做工频耐压试验都不合格, 大大增加了人力、财力、物力成本。

4 弧光保护原理简介

电弧光保护动作判据为故障时需产生两个条件:弧光和过电流。当同时检测到弧光和电流增量时发出跳闸指令信号;当只检测到弧光或者电流增量时发出报警信号, 并不会发出跳闸指令, 仅发告警信号, 如图5:

5 结束语

降低电弧损毁程度的关键是减少燃弧时间, 只有以最快的速度将电弧切除才能最大限度的降低电弧对生命、财产、安全的破坏, 实践证明电弧光保护系统输出跳闸信号时间小于1ms, 即使加上断路器固有跳闸息弧时间 (30~50ms) , 也能确保燃弧时间不大于100ms, 从而大大提高了设备的简单处理再运行率, 在安装或者维护的时候也能保护操作人员的安全, 有很好的经济、安全和推广应用价值。

参考文献

[1]TYSEN-KLD弧光保护技术说明书[Z].北京蒂森克罗德电力技术有限公司, 2013.

[2]电力设备预防性试验规程 (DL/T596—1996) [S].

低压馈电开关保护器篇7

(1) 井组泵站距离中控室最近14km, 最远60多km, 一期44个井组设备低压框架断路器选型不带缺相及欠电压保护功能, 高压故障时不会分闸保护设备, 恢复供电后直接供电。

(2) 改扩能63个井组泵站框架断路器选型带保护功能的, 但缺相不一定保护 (不一定是欠电压脱扣线圈AC220 V这相电源缺相) , 高压正常断电后, 供电恢复后需要人工到现场合闸, 由于距离远造成设备不能及时启动运行带载。

2 原因分析

这是断路器选型要求的结果, 保护功能少不利于设备保护, 保护功能多又不利于操作, 所以最好是两者兼得。

3 采取措施

(1) 断路器选型:根据厂家提供的选型使用手册, 没有带自动重合闸功能的断路器, 定制的话价格贵。

(2) 通过现有的无线通讯进行远程分合闸, 需要在本地完成接线、程序组态、加装中间继电器、主站程序组态、上位机组态, 由于有107个井组, 数据量大, 所以从硬件到软件组态工程量大, 施工量大, 安装调试周期长。

(3) 给断路器附加单独开关控制器, 实现多重保护和来电自动重合闸功能, 控制器就近安装在断路器柜中, 只需少量接线即可, 价格600元左右。

综上所述, 采取第三种方式快捷高效, 控制器采用三线四线制, 工作电源200V, 既可监控线电压也可监控相电压, 判断非设备故障高压供电恢复正常后, 可自动复位重合闸一次。如果是设备故障分闸则不能合闸, 控制器控制断路器合闸和分闸是通过断路器本身的合闸和分闸按钮实现 (相当于异地控制接法, 并接于合闸、分闸按钮即可) , 控制器电源及所监控线路从低压框架断路器的电源端接入, 电源不正常时输出触点分闸断路器保护负载设备, 电源恢复正常时自动复位合闸断路器使设备恢复供电, 有利于设备及时运行。因为是远程无人值守泵站, 故障导致不能自动复位合闸或合闸失败, 检修人员再去现场确认故障, 故障消缺后本地复位方可合闸。

低压开关智能控制器主要用于提升电力线路上的低压配电自动化水平。本控制器能在电网恢复供电后, 自动将因线路失压而脱扣的低压自动开关延时重合闸, 恢复对用户负荷的供电。当低压开关智能控制器检测到自动开关由于失压而脱扣跳闸时, 待下次电源恢复正常后, 由电路产生一个随机延时数, 延时输出重合闸信号, 将开关自动合闸。

低压开关智能控制器具有的功能:

(1) 失压脱扣自动随机延时重合闸功能;

(2) 正常分断和保护动作闭锁重合闸功能;

(3) 负荷侧有电闭锁重合闸功能;

(4) 母分合环条件超限闭锁合闸功能;

(5) 断相检测功能;

(6) 逆相序检测功能。

3.1 低压开关智能控制器功能说明

3.1.1 失压脱扣自动随机延时重合闸功能

本控制器能自动判断开关脱扣原因, 当由于电网电压跌落或高压侧停电导致自动开关失压脱扣跳闸后, 再次来电时, 控制器会自动经过一个随机延迟后输出合闸信号, 控制低压开关自动合闸。

3.1.2 正常分断和保护动作闭锁重合闸功能

本控制器能自动判断开关脱扣原因, 当发生人工分闸或过流保护分断后, 再次来电时, 控制器不会输出合闸信号。人工分闸被控制器识别后允许合闸指示灯常灭, 有声音告警提示人工分闸被识别。

3.1.3 负荷侧有电闭锁重合闸功能

本控制器检测到负荷侧 (下桩头) 有电而自动开关处于分闸位置的时候, 将发出告警声, 闭合告警接点, 并闭锁重合闸功能, 以防止企业自发电向电网倒灌事故的发生。

3.1.4 母分合环条件超限闭锁合闸功能

控制器计算负荷侧 (下桩头, 表示为a/b/c/n) 与进线侧 (上桩头, 表示为A/B/C/N) 对应线与线之间电压有效值 (表示为UAa、UBb、UCc) 。当UAa、UBb、UCc中任意一个大于设定值 (出厂默认配置为11V) 时, 母分告警指示灯点亮, 禁止合闸输出触点被驱动断开, 此时人工无法进行合闸动作;当UAa、UBb、UCc均小于设定值时, 母分告警指示灯熄灭, 禁止合闸输出触点被驱动闭合, 此时人工可以进行合闸动作。

3.1.5 断相检测功能

本控制器检测到线路有缺相情况发生, 将发出告警声, 缺相告警指示灯亮, 并闭合告警输出接点。

3.1.6 逆相序检测功能

本控制器检测到线路有逆相序情况发生, 将发出告警声, 相序告警指示灯亮, 并闭合告警输出接点。

3.2 主要技术参数

工作电压范围:AC220V±20%;

工作环境温度:-25~+70℃;

工作环境湿度<85%;

功耗<5 W;

控制接点输出容量:AC380V/5A;

重合闸延时:10~180s随机;

储能输出动作时间:5s;