0 引言
当前我国煤矿井下采掘工作面多设置有移动变电站，为满足现场使用需求，通常在移动变电站低压侧安装馈电总开关[1]。馈电总开关中零序电抗器会对低压电网进行补偿，根据零序电抗器对电网补偿程度的不同可分为欠补偿、全补偿和过补偿3种状态[2]。目前煤矿低压电网漏电保护装置多采用零序功率方向选线原理，即利用故障支路零序电流超前零序电压90°、非故障支路零序电流滞后零序电压90°的原理实现保护[3-6]。该保护原理是建立在电网零序等效阻抗为纯容性的基础上[7-9]，而零序电抗器的补偿改变了电网等效阻抗[10-11]，使故障支路零序电流幅值更小且相位发生变化，导致漏电保护装置可靠性降低。本文设计了一种矿用低压漏电保护装置，该装置通过采集零序电压和支路零序电流，比较各支路零序电流与零序电压相位差，以此作为故障选线判据。
1 装置工作原理
零序电抗器并联电阻接地系统发生单相接地故障时零序等效网络如图1所示。假设l3支路C相经过渡电阻RD发生单相接地故障。LH1，LH2，LH3分别为支路l1，l2，l3的零序电流互感器；R1，R2，R3和C1，C2，C3分别为支路l1，l2，l3绝缘电阻和对地电容；
分别为支路l1，l2，l3零序电流，
为支路l3对地电容电流；L为零序电抗器；R为零序电抗器并联电阻；
分别为流过R，L的电流。在正常运行状态下，各支路三相绝缘电阻、对地电容均相等。
图1 零序电抗器并联电阻接地系统发生单相接地 故障时零序等效网络
Fig.1 Zero-sequence equivalent network when single-phase grounding fault occurs in zero-sequence reactor grounding system with parallel resistance
根据图1，由基尔霍夫定律可得
(1)
(2)
式中：
为零序电压；ω为电网频率；
由式(1)、式(2)可知，非故障支路、故障支路的零序电流和零序电压相位差有明显区别，因此可得以下故障选线判据。
(1) 受支路绝缘电阻的影响，非故障支路零序电流与零序电压相位差小于90°，位于第二象限。
(2) 受零序电抗器及并联电阻的影响，过补偿时故障支路零序电流超前零序电压大于90°，位于第三象限；欠补偿时故障支路零序电流滞后零序电压大于90°，位于第四象限；全补偿时故障支路零序电流与零序电压方向相反。
2 装置硬件设计
矿用低压漏电保护装置由信号调理电路、数据采集处理电路、执行电路和人机交互电路组成，如图2所示。信号调理电路对零序电流和零序电压信号进行隔离和幅值线性调整；数据采集处理电路通过采集、处理信号调理电路输出信号，进行故障判断；执行电路负责驱动继电器执行核心处理器跳闸指令；人机交互电路负责按键输入与实时数据显示。
图2 矿用低压漏电保护装置硬件结构
Fig.2 Hardware structure of mine-used low-voltage leakage protection device
2.1 信号调理电路
信号调理电路如图3所示。电路信号输入端口使用滤波电容和钳位二极管进行保护，信号输出端口使用电容滤波抑制差模干扰和共模干扰。为减小信号衰减、增强抗干扰能力，采用高精度的TV1005-1M型微型精密交流电压互感器CT1，CT2进行隔离。
图3 信号调理电路
Fig.3 Signal conditioning circuit
2.2 数据采集处理电路
数据采集处理电路如图4所示。电能计量芯片CS5463与处理器LPC1768通过SPI总线通信，数据总线与复位信号、中断信号之间分别使用磁耦ADUM1401，ADUM1201进行隔离。
2.3 执行电路
执行电路如图5所示。LPC1768通过模拟SPI时序将控制命令送至移位寄存器74HC595。为确保继电器可靠动作，使用达林顿管ULN2004驱动继电器。74HC595与ULN2004之间使用光耦PC817进行隔离，降低外部干扰对电路的影响。为防止上电造成74HC595误输出，74HC595使能控制引脚上拉，同时LPC1768控制引脚在完成初始化后与74HC595使能控制引脚连接。
图4 数据采集处理电路
Fig.4 Data acquisition and processing circuit
图5 执行电路
Fig.5 Execution circuit
2.4 人机交互电路
人机交互电路包括按键输入电路和液晶接口电路，如图6所示。图6(a)中，外部按键经光耦PC817B隔离后接入移位寄存器74HC165，LPC1768通过读取74HC165引脚状态来识别按键状态。图6(b)中，LPC1768通过串口将数据以TTL信号方式传输至液晶屏；逻辑芯片74HC14对信号进行缓冲、整形；LPC1768通过I/O引脚控制MOS管Q2，实现对液晶屏电源的控制。
(a) 按键输入电路
(b) 液晶接口电路
图6 人机交互电路
Fig.6 Human-computer interaction circuit
3 装置软件设计
矿用低压漏电保护装置软件由主程序、漏电保护子程序、人机交互子程序组成：主程序负责硬件初始化和子程序调度；漏电保护子程序负责零序电压和零序电流幅值与相位差计算、故障判断、动作执行；人机交互子程序负责参数整定和实时数据显示。其中漏电保护子程序流程如图7所示。
图7 漏电保护子程序流程
Fig.7 Leakage protection subprogram flow
漏电保护子程序中零序电压和零序电流幅值与相位差计算过程如下。
(1) 幅值计算。电压、电流信号有效值分别达到零序电抗器、零序电流互感器输出侧最大值时，CS5463电压、电流通道管脚电压和CS5463电压、电流有效值寄存器数据出现最大值，此时得到电压、电流信号有效值与CS5463电压、电流有效值寄存器数据之间的对应关系，据此即可计算出信号幅值。
(3)
式中：Ur为零序电抗器输出信号有效值；Urms为CS5463电压有效值寄存器数据；UM为Ur最大值；Ui为CS5463电压通道输入信号最大值；D为校正比例，取D=1/4[12]；Ir为零序电流互感器输出信号有效值；Irms为CS5463电流有效值寄存器数据；IM为Ir最大值；Ii为CS5463电流通道输入信号最大值。
(2) 相位差计算。根据CS5463功率因数寄存器数据λ计算零序电压、零序电流之间相位差：
(4)
根据无功功率寄存器数据Q确定零序电压、零序电流的相位差：Q>0，表明零序电流滞后零序电压；Q<0，表明零序电流超前零序电压。
4 仿真验证
根据图1搭建Simulink仿真模型，设置R1=R2=R3=20 MΩ，R=RD=1 kΩ，L=7.992 H，仿真时长为0.1 s，0.02 s时发生单相接地故障。当模型分别处在过补偿、欠补偿、全补偿状态时，以零序电压相位为基准，仿真计算得到故障支路、非故障支路零序电流与零序电压相位差，见表1(数据小于0表示零序电流超前零序电压；数据大于0表示零序电流滞后零序电压)。
表1 零序电流与零序电压相位差仿真结果
Table 1 Simulation results of phase difference between zero-sequence current and zero-sequence voltage
从表1可看出，模型处在不同补偿状态时，非故障支路零序电流均超前零序电压90°左右；当模型处于过补偿状态时，故障支路零序电流超前零序电压大于90°；当模型处于欠补偿状态时，故障支路零序电流滞后零序电压大于90°；当模型处于全补偿状态时，故障支路零序电流与零序电压相位相反。仿真结果与理论分析所得故障选线判据一致。
5 试验验证
为测试矿用低压漏电保护装置在谐波干扰条件下的测量精度，使用NR802微机继电保护测试仪进行谐波干扰测试。由于电网中的电气信号以基波及奇次谐波为主[13-14]，施加干扰为奇次谐波，且奇次谐波幅值与基波幅值之比等于谐波次数的倒数[15]。测试结果见表2。
表2 谐波干扰测试结果
Table 2 Harmonic interference test results
从表2可看出，保护装置相位测量偏差小于4°，幅值测量相对误差小于5%，动作时间满足MT 871—2011《矿用防爆低压交流真空馈电开关》中主电路漏电保护动作时间小于50 ms的要求。
为测试保护装置的可靠性，使用1 140 V漏电保护综合试验台(图8)进行试验。
设置零序电抗器并联电阻、过渡电阻为1 kΩ。过补偿和欠补偿状态下，在电源侧投入过渡电阻模拟单相接地故障时，保护装置测量结果为非故障支路零序电流与零序电压相位差，负荷侧投入过渡电阻模拟单相接地故障时，保护装置测量结果为故障支路零序电流与零序电压相位差，见表3。可看出在过补偿与欠补偿状态下，保护装置均能可靠动作。
图8 漏电保护综合试验台
Fig.8 Comprehensive test bench for leakage protection
表3 零序电流与零序电压相位差试验结果
Table 3 Test results of phase difference between zero-sequence current and zero-sequence voltage
6 结语
提出了以非故障支路、故障支路零序电流与零序电压相位差的差异性作为故障选线判据，介绍了基于该判据的矿用低压漏电保护装置的软硬件设计方案。仿真及试验结果表明，该装置理论依据正确，发生单相接地故障时能够快速、可靠动作。
参考文献（References）：
[1] 方章英,陈中华,张立.矿井移动变电站低压侧漏电保护[J].辽宁工程技术大学学报(自然科学版),2011,30(2):284-287.
FANG Zhangying,CHEN Zhonghua,ZHANG Li.Leakage protection at low voltage side of mine mobile substation[J].Journal of Liaoning Technical University (Natural Science Edition),2011,30(2):284-287.
[2] 华允东,周峰.低压漏电保护使用现状研究[J].山东煤炭科技,2013(3):74.
HUA Yundong,ZHOU Feng.Research on application status of low voltage leakage protection[J].Shandong Coal Science and Technology,2013(3):74.
[3] 张玲玲.矿井低压供电系统选择性漏电保护理论及其应用研究[D].阜新:辽宁工程技术大学,2006.
ZHANG Lingling.Research on selectivity leakage protection theory and application for underground low voltage distribution network[D].Fuxin:Liaoning Technical University,2006.
[4] 郭永华,孙静,周天良.煤矿井下选择性漏电保护技术的分析[J].电气开关,2014,52(5):10.
GUO Yonghua,SUN Jing,ZHOU Tianliang.Analysis of selective leakage protection technique for coal mine underground[J].Electric Switchgear,2014,52(5):10.
[5] 孙勇.煤矿井下电网漏电保护系统设计[J].煤炭科学技术,2012,40(5):82-85.
SUN Yong.Design on earth leakage protection system of electric power network in underground mine[J].Coal Science and Technology,2012,40(5):82-85.
[6] 朱敏.井下低压供电系统选择性漏电保护的研究[D].淮南:安徽理工大学,2014.
ZHU Min.Research of selectivity leakage protection for under-ground low voltage power supply system[D].Huainan:Anhui University of Science and Technology,2014.
[7] 高海涛.小电流接地系统零序功率方向选线技术的研究及应用[J].自动化应用,2015(11):100-101.
GAO Haitao.Research and application of zero sequence power direction line selection technology for small current grounding system[J].Automation Application,2015(11):100-101.
[8] 胡晓东,童军.采用脉冲展宽实现煤矿选择性漏电保护的新方法[J].工矿自动化,2010,36(11):29-32.
HU Xiaodong,TONG Jun.A new method of using pulse broadening to realize selective leakage protection in coal mine[J].Industry and Mine Automation,2010,36(11):29-32.
[9] 王彦文,王寅生,高峰.矿井低压系统交直流混合漏电保护技术[J].煤炭学报,2014,39(增刊2):589-595.
WANG Yanwen,WANG Yinsheng,GAO Feng.Leakage protection technology with the hybrid AC and DC in the low-voltage system under coal mine[J].Journal of China Coal Society,2014,39(S2):589-595.
[10] 耿祥标.煤矿低压选择性漏电保护拒动原因分析[J].煤炭技术,2011,30(3):43-44.
GENG Xiangbiao.Analysis on rejected causes in coal mine low voltage selective leakage protection[J].Coal Technology,2011,30(3):43-44.
[11] 翁伟琳,黄云程.基于并联中值电阻的小电流接地故障选线技术[J].电气开关,2017,55(2):37-41.
WENG Weilin,HUANG Yuncheng.Small current grounding fault line selection based on paralleled medium resistancer[J].Electric Switchgear,2017,55(2):37-41.
[12] Cirrus Logic.Single-phase bi-directional power/energy IC[EB/OL].[2019-08-14].https://www.cirrus.com/products/cs5463/.
[13] 陈德超,李鸿,韩聪.基于谐波的电力电缆单相接地故障在线测距方法研究[J].电力学报,2014,29(3):193-196.
CHEN Dechao,LI Hong,HAN Cong.Research on single-phase ground fault on-line location method of power cable based on harmonics[J].Journal of Electric Power,2014,29(3):193-196.
[14] 牟龙华,孟庆海.供配电安全技术[M].北京:机械工业出版社,2003.
MU Longhua,MENG Qinghai.Power supply and distribution safety technology[M].Beijing:China Machine Press,2003.
[15] 李兰芳.煤矿变频调速系统的谐波分析与危害治理[J].煤炭科学技术,2015,43(增刊2):92-95.
LI Lanfang.Harmonic analysis and hazard of variable frequency speed control system in coal mine[J].Coal Science and Technology,2015,43(S2):92-95.