【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 由于雷擊導(dǎo)線和設(shè)備產(chǎn)生的過(guò)電壓叫直擊雷過(guò)電壓，由于雷云放電時(shí)電磁場(chǎng)能量的突變，而在設(shè)備上產(chǎn)生的過(guò)電壓叫感應(yīng)過(guò)電壓，這種由于雷、云而使電氣系統(tǒng)出現(xiàn)過(guò)電壓，統(tǒng)稱大氣過(guò)電壓或者外部過(guò)電壓；由于系統(tǒng)的操作、故障和某些不正常運(yùn)行狀態(tài)，使系統(tǒng)產(chǎn)生的過(guò)電壓叫內(nèi)部過(guò)電壓，其中由于操作而引起的過(guò)電壓叫做操作過(guò)電壓。煤礦井下供電設(shè)備多為感性負(fù)載，真空開關(guān)在開斷這些負(fù)載時(shí)，由于觸頭分?jǐn)嚯娏鲿r(shí)的截流或電弧重燃而引起了過(guò)電壓。由于開關(guān)的截流，感性負(fù)載上電流突變引起壓降很大，所以會(huì)形成較高的過(guò)電壓。這一過(guò)電壓現(xiàn)象持續(xù)時(shí)間一般很短，其形成與很多因素有關(guān)，一般要通過(guò)試驗(yàn)來(lái)確定。理論分析表明；開關(guān)的截流水平越高，負(fù)載電感越大，回路對(duì)地電容越小，則開斷時(shí)產(chǎn)生的過(guò)電壓就越高。內(nèi)部過(guò)電壓的幅值與電網(wǎng)的額定電壓成正比。 過(guò)電壓從其持續(xù)的狀態(tài)上又可分為暫態(tài)過(guò)電壓和穩(wěn)態(tài)過(guò)電壓。外部過(guò)電壓和操作過(guò)電壓叫做暫態(tài)過(guò)電壓，甚至達(dá)到6倍的額定電壓。為了避免高壓引起用電設(shè)備的絕緣擊穿，通常采用抑制和保護(hù)的措施。暫態(tài)過(guò)電壓采取的保護(hù)措施如下： (1)壓敏電阻抑制過(guò)電壓 壓敏電阻是一種以氧化鋅為主要成分的非線性電阻。具有流通量大、非線性系數(shù)高、漏電流小、無(wú)續(xù)流、伏安曲線對(duì)稱、響應(yīng)時(shí)間短(小于50mus)、可靠性高等特點(diǎn)。在正常工作時(shí)，具有極高的電阻而呈絕緣狀態(tài)。當(dāng)作用在上面的電壓超過(guò)預(yù)先選定的壓敏電阻動(dòng)作電壓時(shí)，壓敏電阻就顯示出低阻特性，其電阻值和流過(guò)的電流急劇變化，電阻值下降，電流值上升，使存在于負(fù)載回路中的能量通過(guò)壓敏電阻釋放掉，待過(guò)電壓波動(dòng)過(guò)去后，壓敏電阻又自動(dòng)恢復(fù)原來(lái)的高阻特性。 (2)RC阻容吸收裝置 RC裝置內(nèi)的電容既可以減緩過(guò)電壓的上升陡度，又可以降低負(fù)載電路的整體波阻抗，因而降低了過(guò)電壓幅值。電阻的作用是消耗能量，衰減高頻電流，形不成高頻電流零點(diǎn)，使得高頻電弧向工頻電弧轉(zhuǎn)化，有效地防止了多次重燃引起的電壓升級(jí)。阻容吸收器的最大優(yōu)點(diǎn)是能緩和過(guò)電壓波頭陡度，與此同時(shí)，它能降低過(guò)電壓振蕩幅值及頻率。真空斷路器的操作過(guò)電壓是由于儲(chǔ)能元件在開關(guān)動(dòng)作瞬間所釋放的能量在電路中產(chǎn)生電磁振蕩而產(chǎn)生的。通常采用RC裝置來(lái)降低以至消除振蕩過(guò)電壓。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明： RC裝置是限制真空斷路器操作過(guò)電壓很有效的裝置。電路如圖26所示。圖29 RC阻容吸收器對(duì)于穩(wěn)態(tài)過(guò)電壓采用鑒幅式保護(hù)原理，既采樣電網(wǎng)的電壓參數(shù)，經(jīng)過(guò)濾波后送入單片機(jī)，再通過(guò)軟件計(jì)算出基波電壓值，和整定值比較，確定是否動(dòng)作。欠壓保護(hù)也是煤礦井下不可缺少的保護(hù)之一。欠壓是指當(dāng)電網(wǎng)電壓下降至額定電壓的75%時(shí)，保護(hù)延時(shí)跳閘。當(dāng)供電系統(tǒng)或配電電路出現(xiàn)短路故障時(shí)，供電電壓將短時(shí)下降或消失，此時(shí)，如果負(fù)荷過(guò)重且供電電壓恢復(fù)較慢，電動(dòng)機(jī)將長(zhǎng)時(shí)間處于起動(dòng)狀態(tài)。在這種情況下，電動(dòng)機(jī)和配電系統(tǒng)均受到相當(dāng)大的起動(dòng)電流沖擊。電動(dòng)機(jī)長(zhǎng)期在起動(dòng)電流作用下，將導(dǎo)致絕緣過(guò)熱，甚至損壞。另外，在正常供電過(guò)程中，若電壓下降，額定負(fù)載下易引起過(guò)電流，造成電機(jī)燒毀。因此，煤礦井下必須裝設(shè)欠電壓保護(hù)裝置。欠壓保護(hù)的原理同過(guò)壓保護(hù)，也是通過(guò)比較基波值和整定值確定動(dòng)作與否。本章根據(jù)低壓饋電開關(guān)智能測(cè)控單元保護(hù)功能的要求，較詳細(xì)的分析了低壓電網(wǎng)中的各種故障特征，如漏電、短路、過(guò)載、過(guò)壓、欠壓等，介紹了相應(yīng)的保護(hù)原理。漏電保護(hù)采用附加直流電源保護(hù)原理和零序電流方向原理，對(duì)稱短路采用相敏保護(hù)原理，不對(duì)稱故障采用負(fù)序保護(hù)原理，過(guò)載采用反時(shí)限保護(hù)原理等。3 智能測(cè)控單元硬件設(shè)計(jì) 該智能測(cè)控單元是井下低壓電網(wǎng)的重要組成部分，是針對(duì)煤礦井下低壓電網(wǎng)而設(shè)計(jì)的。系統(tǒng)能夠獨(dú)立完成對(duì)低壓電網(wǎng)各物理量參數(shù)的檢測(cè)、計(jì)算和邏輯處理，并能夠與上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，完成“測(cè)量、監(jiān)控、保護(hù)、通信”等功能，具體如下： (1)數(shù)據(jù)采集功能 實(shí)時(shí)采集低壓電網(wǎng)的電流、電壓等模擬信號(hào)，經(jīng)過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換輸入單片機(jī)計(jì)算出電網(wǎng)的各物理量參數(shù)，作為電網(wǎng)中各種故障的判斷依據(jù)。 (2)人機(jī)對(duì)話界面 采用鍵盤輸入電網(wǎng)各項(xiàng)參數(shù)整定值，輸入?yún)?shù)有：電網(wǎng)額定電流、對(duì)稱短路倍數(shù)和不對(duì)稱短路倍數(shù)；通過(guò)液晶顯示器實(shí)時(shí)顯示電網(wǎng)的工作電壓、工作電流和對(duì)地絕緣電阻，發(fā)生故障時(shí)顯示故障類型及故障參數(shù)。 (3)保護(hù)功能保護(hù)功能是智能測(cè)控單元的重點(diǎn)。保護(hù)系統(tǒng)采用高檔單片機(jī)(196)技術(shù)，性能可靠，動(dòng)作準(zhǔn)確。過(guò)流保護(hù)采用相敏保護(hù)、電流不平衡保護(hù)相結(jié)合的保護(hù)方法，并具有反時(shí)限特性，能很好地解決過(guò)載、過(guò)流保護(hù)的可靠性與靈敏性問(wèn)題。漏電保護(hù)采用零序電流方向原理的選擇性漏電保護(hù)和附加直流電源總檢漏繼電器組成的選擇性漏電保護(hù)系統(tǒng)。附加直流電源總檢漏繼電器的作用是：作為供電系統(tǒng)的總絕緣監(jiān)視；作為分支饋電開關(guān)選擇性漏電保護(hù)的后備保護(hù)。選擇性漏電保護(hù)和漏電閉鎖的任務(wù)是：作為分支線路的非對(duì)稱性漏電故障的主保護(hù)；當(dāng)分支線路有漏電故障時(shí)，閉鎖開關(guān)，不允許帶故障合閘。考慮饋電開關(guān)的通用性，總饋電開關(guān)和分支饋電開關(guān)保護(hù)功能相同，用一個(gè)開關(guān)設(shè)置、區(qū)分是用于總饋電開關(guān)或是分支饋電開關(guān)保護(hù)功能。其硬件組成如圖31所示。圖31 饋電開關(guān)的硬件組成保護(hù)電路由電流互感器、零序電流互感器、零序電抗器、主控板、顯示器等組成。電流互感器獲得與一次側(cè)電流成正比的電流信號(hào)；零序電抗器、零序電流互感器，獲取零序電流、零序電壓信號(hào)及判別零序電流方向；復(fù)式電源提供單片機(jī)所需電源及附加直流電源等；主控板對(duì)采集的模擬量及開關(guān)量進(jìn)行快速的采樣并完成各種運(yùn)算處理。 (4)通訊功能測(cè)控系統(tǒng)通過(guò)RS485口與上位機(jī)進(jìn)行串行通訊，從而實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)方監(jiān)控功能。(5)自檢功能為了減少微機(jī)系統(tǒng)出錯(cuò)的概率，在系統(tǒng)投入運(yùn)行之前，先進(jìn)行自檢，如果有故障就發(fā)出警告，并做出相應(yīng)的處理。自檢的項(xiàng)目主要有：CPU，ROM，RAM的自診斷，A/D通道的診斷和校正，數(shù)字I/O口的自診斷；對(duì)鍵盤、接口芯片等硬件的自診斷。數(shù)據(jù)采集模塊包括電壓形成、模擬濾波(ALF )、采樣保持(S/H )、多路轉(zhuǎn)換(MPX)以及模數(shù)轉(zhuǎn)換（A/D)等功能塊，完成將模擬量準(zhǔn)確地轉(zhuǎn)換為所需的數(shù)字量。其硬件框圖如圖32所示。 圖32 數(shù)據(jù)采集模塊硬件框圖在工程實(shí)際中，為了防止各類干擾通常需要對(duì)系統(tǒng)中的輸入信號(hào)通道采取必要的隔離，以保證系統(tǒng)可靠運(yùn)行。在電壓形成環(huán)節(jié)采用變壓器耦合。變壓器耦合通常具有較高的線性度和隔離性能，因此選用隔離性能好的變壓器耦合型電量隔離傳感器。采用隔離型電量傳感器能保證模擬量高壓側(cè)與低壓側(cè)彼此隔離，使輸入和輸出之間沒(méi)有直接的電氣連接。本裝置中被測(cè)信號(hào)有電壓和電流，因此需要選用合適的電壓互感器和電流互感器。S/H電路的作用是在一個(gè)極短的時(shí)間內(nèi)測(cè)量模擬輸入量在該時(shí)刻的瞬時(shí)值，并在模數(shù)轉(zhuǎn)換期間內(nèi)保持其輸出不變。 采樣總是按一定的頻率工作的，為了滿足采樣定理，必須限制輸入信號(hào)的最高頻率，也就是說(shuō)必須給輸入信號(hào)一定的帶限。前置低通模擬濾波(ALF )的作用就在于可以將電氣量信號(hào)中不需要的高頻分量濾除。通過(guò)此種方法可以保證采樣頻率大于電氣量信號(hào)頻率的兩倍，從而避免造成頻率的混疊。在本系統(tǒng)中為了提高采樣的精確性，采用并行8通道12位的MAX1308 A/D轉(zhuǎn)換器。這一系列的器件的特點(diǎn)有： (1)提供8個(gè)可獨(dú)立選擇的輸入通道，每個(gè)通道都有專用的S/H（采樣保持）電路。因?yàn)閷?duì)逐次逼近型模數(shù)轉(zhuǎn)換器來(lái)說(shuō)，若采集變化速率較高的信號(hào)，采樣保持是必須的。否則將引起測(cè)量誤差。而MAX1308內(nèi)部集成了采樣跟蹤/保持電路，可以直接與MCU的SPI相連，簡(jiǎn)化了數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。(2)有三種可供選擇的輸入范圍：0至+5V、177。5V和177。10V。0至+5V器件提供177。6V輸入故障容限；177。5V和177。10V器件提供177。(3)較高的轉(zhuǎn)換速率，A/D芯片具有較高的轉(zhuǎn)換速度可以保證A/D控制簡(jiǎn)單而又不過(guò)多的占用CPU時(shí)間?？刂品绞?，即程序查詢方式：每次發(fā)出采樣命令以后，CPU要通過(guò)程序查詢監(jiān)視A/D是否轉(zhuǎn)換結(jié)束，以便CPU讀取A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果。若A/D轉(zhuǎn)換速率較慢，尤其是當(dāng)通道較多的情況下，程序所需的時(shí)間較長(zhǎng)。 微機(jī)保護(hù)對(duì)A/D轉(zhuǎn)換的轉(zhuǎn)換速度有一定要求，一般應(yīng)小于25181。s。而MAX1308有獨(dú)立的參考時(shí)鐘源，轉(zhuǎn)換速率較快。(4)電壓、電流同時(shí)采樣對(duì)裝置模擬量計(jì)算是非常必要的，若不能保證電壓、電流同時(shí)采樣將造成某些功能計(jì)算較大的誤差，如功率方向，相位關(guān)系，功率的計(jì)算等。MAX1308的所有有效通道的同時(shí)采樣都保留了相關(guān)的相位信息，非常適合電機(jī)控制與電源監(jiān)視。(5)只寫配置寄存器可以屏蔽不使用的通道，關(guān)斷功能降低了功耗。在配電線路微機(jī)保護(hù)與測(cè)控裝置中，通常需要采集斷路器狀態(tài)、隔離開關(guān)狀態(tài)和外部分、合閘狀態(tài)等外部開關(guān)量，和安裝在裝置面板上的接點(diǎn)等內(nèi)部開關(guān)量。這些開關(guān)量的采集都是以光電隔離方式輸入，其主要優(yōu)點(diǎn)有：輸入信號(hào)與輸出信號(hào)在電氣上完全隔離，抗干擾能力很強(qiáng)；無(wú)觸點(diǎn)，耐沖擊，壽命長(zhǎng)，可靠性高；響應(yīng)速度快，易與邏輯電平配合使用。圖33為開關(guān)量輸入電路框圖。 圖33 開關(guān)量輸入電路開關(guān)量輸出主要指驅(qū)動(dòng)跳閘輸出。當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生漏電、短路、斷相、欠壓或過(guò)壓等故障，同時(shí)達(dá)到故障動(dòng)作條件時(shí)便會(huì)發(fā)出跳閘指令，通過(guò)I/O口驅(qū)動(dòng)中間繼電器，最后作用于斷路器，使其脫扣，切斷故障源。跳閘電路框圖如圖34所示。 圖34 開關(guān)量輸出電路 為了便于工作人員觀測(cè)電力系統(tǒng)的工作情況，進(jìn)行人機(jī)對(duì)話，本智能開關(guān)設(shè)計(jì)了液晶顯示模塊和小鍵盤。(1)鍵盤鍵盤在微機(jī)保護(hù)中是一個(gè)不可或缺的部件，通過(guò)它，可實(shí)現(xiàn)就地故障查詢、參數(shù)設(shè)置等功能。鍵盤是人工干預(yù)裝置的主要手段之一。根據(jù)需要，本設(shè)計(jì)用了9個(gè)獨(dú)立按鍵分別為上、下、左、右、加、減確定、取消。鍵盤選用獨(dú)立式的結(jié)構(gòu)，通過(guò)鎖存器74LS240和單片機(jī)的數(shù)據(jù)總線相連，每個(gè)按鍵對(duì)應(yīng)一個(gè)管腳。其連接電路圖如圖35所示。圖中R為上拉電阻。 圖35 鍵盤的連接電路圖 (2)液晶顯示模塊本設(shè)計(jì)使用了漢字液晶顯示器，在系統(tǒng)正常工作時(shí)，便于工作人員了解系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)；當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，便于維修人員判斷故障類型，提高排除故障效率，減少停電時(shí)間。單片機(jī)與液晶顯示模塊接口程序主要分為3個(gè)部分：初始化，輸入信號(hào)，字符、漢字和圖形顯示。系統(tǒng)通電復(fù)位后，液晶顯示模塊進(jìn)行初始化和清屏工作，接著顯示正常工作的文字和圖形。當(dāng)模塊內(nèi)部顯示RAM某位為1時(shí)，屏幕上對(duì)應(yīng)點(diǎn)亮，為0時(shí)，對(duì)應(yīng)點(diǎn)滅。 OCMJ液晶顯示模塊采用ASK/ANSWER 握手方式。ASK=1表示OCMJ忙于內(nèi)部處理，不能接收用戶命令；ASK=0表示OCMJ空閑，等待接收用戶命令。發(fā)送命令到OCMJ可在ASK=0后的任意時(shí)刻開始，先把用戶命令的當(dāng)前字節(jié)放到數(shù)據(jù)線上，接著發(fā)高電平ANSWER 脈沖把當(dāng)前用戶命令字節(jié)鎖存到 OCMJ 中。然后判斷OCMJ模塊是否在忙于內(nèi)部處理數(shù)據(jù)，如果ASK=1，那么把ANSWER拉低，等待下一次（ASK=0）再送下一個(gè)數(shù)據(jù)?；具B接圖如圖36所示。 圖36 單片機(jī)與液晶顯示終端連接圖本系統(tǒng)采用RS485通信模式。RS485總線通信模式由于具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、價(jià)格低廉、通信距離和數(shù)據(jù)傳輸速率適當(dāng)?shù)忍攸c(diǎn)而被廣泛應(yīng)用。 圖37 通信模塊連接電路圖通信模塊硬件電路設(shè)計(jì)如圖37所示，在該電路中，使用了一種RS485接口芯片SN75LBC184，它采用單一電源VCC，電壓在＋3——＋ V范圍內(nèi)都能正常工作。與普通的RS485芯片相比，它不但能抗雷電的沖擊而且能承受高達(dá)8kV的靜電放電沖擊，片內(nèi)集成4個(gè)瞬時(shí)過(guò)壓保護(hù)管，可承受高達(dá)400 V的瞬態(tài)脈沖電壓。因此，它能顯著提高防止雷電損壞器件的可靠性。對(duì)一些環(huán)境比較惡劣的現(xiàn)場(chǎng)，可直接與傳輸線相接而不需要任何外加保護(hù)元件。該芯片還有一個(gè)獨(dú)特的設(shè)計(jì)，當(dāng)輸入端開路時(shí)，其輸出為高電平，這樣可保證接收器輸入端電纜有開路故障時(shí)，不影響系統(tǒng)的正常工作。另外，它的輸入阻抗為RS485標(biāo)準(zhǔn)輸入阻抗的2倍（≥24），故可以在總線上連接64個(gè)收發(fā)器。芯片內(nèi)部設(shè)計(jì)了限斜率驅(qū)動(dòng)，使輸出信號(hào)邊沿不會(huì)過(guò)陡，使傳輸線上不會(huì)產(chǎn)生過(guò)多的高頻分量，從而有效扼制電磁干擾。Intel80C196KC單片機(jī)的可尋址的存儲(chǔ)空間有64K字節(jié)，片內(nèi)外存儲(chǔ)器采用統(tǒng)一編址方法。其中0000H00FFH和1FFEH2080H單元又專門用途外，其它單元可供用戶使用。本次地址分配采用傳統(tǒng)的3/8譯碼器74LS138分配地址。電路圖如圖38所示。圖38 3/8譯碼器連接電路圖 由A15地址線作為程序存儲(chǔ)器的片選信號(hào)線，可以分配32k的程序存儲(chǔ)空間。當(dāng)A15為低電平時(shí)選通32k的程序存儲(chǔ)器，此時(shí)可以對(duì)程序存儲(chǔ)器進(jìn)行讀寫操作；當(dāng)A15為高電平時(shí)，程序存儲(chǔ)器被禁止操作，而選通3/8譯碼器。如圖38所示，A15=1選通74LS138，具體選通哪個(gè)器件由A1A14確定，當(dāng)A13=0、A14=0時(shí)，選通數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器RAM；當(dāng)A13=A14=0時(shí)，選通A/D轉(zhuǎn)換器；當(dāng)A13=0、A14=1時(shí)，選通鍵盤；當(dāng)A13=A14=1時(shí)，選通“看門狗”監(jiān)視器。所以數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器只能分給8k的存儲(chǔ)空間。 本章根據(jù)智能測(cè)控單元保護(hù)功能的要求，設(shè)計(jì)了數(shù)據(jù)采集電路、開關(guān)量輸入、輸出電路、人機(jī)接口電路、通信電路，并簡(jiǎn)單闡述了硬件電路的工作原理。而且系統(tǒng)具有以下優(yōu)點(diǎn)：模擬輸入電路工作可靠，采樣準(zhǔn)確；利用大屏幕液晶顯示器，可以充分顯示系統(tǒng)的各項(xiàng)參數(shù)及狀態(tài)，提供良好的人機(jī)界面：采用鍵盤輸入系統(tǒng)的各項(xiàng)整定參數(shù)，實(shí)現(xiàn)了額定電流整定的連續(xù)性，真正實(shí)現(xiàn)了保護(hù)系統(tǒng)數(shù)字化。4 智能測(cè)控單元軟件設(shè)計(jì)傅立葉算法是以周期函數(shù)為基礎(chǔ)，把信號(hào)分解為整數(shù)倍基頻的分量之和，然后采用一組正交函數(shù)，作為樣品函數(shù)，將樣品函數(shù)與周期函數(shù)進(jìn)行積分變換即可