【文章內容簡介】 由于雷擊導線和設備產生的過電壓叫直擊雷過電壓，由于雷云放電時電磁場能量的突變，而在設備上產生的過電壓叫感應過電壓，這種由于雷、云而使電氣系統(tǒng)出現過電壓，統(tǒng)稱大氣過電壓或者外部過電壓；由于系統(tǒng)的操作、故障和某些不正常運行狀態(tài)，使系統(tǒng)產生的過電壓叫內部過電壓，其中由于操作而引起的過電壓叫做操作過電壓。煤礦井下供電設備多為感性負載，真空開關在開斷這些負載時，由于觸頭分斷電流時的截流或電弧重燃而引起了過電壓。由于開關的截流，感性負載上電流突變引起壓降很大，所以會形成較高的過電壓。這一過電壓現象持續(xù)時間一般很短，其形成與很多因素有關，一般要通過試驗來確定。理論分析表明；開關的截流水平越高，負載電感越大，回路對地電容越小，則開斷時產生的過電壓就越高。內部過電壓的幅值與電網的額定電壓成正比。 過電壓從其持續(xù)的狀態(tài)上又可分為暫態(tài)過電壓和穩(wěn)態(tài)過電壓。外部過電壓和操作過電壓叫做暫態(tài)過電壓，甚至達到6倍的額定電壓。為了避免高壓引起用電設備的絕緣擊穿，通常采用抑制和保護的措施。暫態(tài)過電壓采取的保護措施如下： (1)壓敏電阻抑制過電壓 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、非線性系數高、漏電流小、無續(xù)流、伏安曲線對稱、響應時間短(小于50mus)、可靠性高等特點。在正常工作時，具有極高的電阻而呈絕緣狀態(tài)。當作用在上面的電壓超過預先選定的壓敏電阻動作電壓時，壓敏電阻就顯示出低阻特性，其電阻值和流過的電流急劇變化，電阻值下降，電流值上升，使存在于負載回路中的能量通過壓敏電阻釋放掉，待過電壓波動過去后，壓敏電阻又自動恢復原來的高阻特性。 (2)RC阻容吸收裝置 RC裝置內的電容既可以減緩過電壓的上升陡度，又可以降低負載電路的整體波阻抗，因而降低了過電壓幅值。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，使得高頻電弧向工頻電弧轉化，有效地防止了多次重燃引起的電壓升級。阻容吸收器的最大優(yōu)點是能緩和過電壓波頭陡度，與此同時，它能降低過電壓振蕩幅值及頻率。真空斷路器的操作過電壓是由于儲能元件在開關動作瞬間所釋放的能量在電路中產生電磁振蕩而產生的。通常采用RC裝置來降低以至消除振蕩過電壓。實驗結果表明： RC裝置是限制真空斷路器操作過電壓很有效的裝置。電路如圖26所示。圖29 RC阻容吸收器對于穩(wěn)態(tài)過電壓采用鑒幅式保護原理，既采樣電網的電壓參數，經過濾波后送入單片機，再通過軟件計算出基波電壓值，和整定值比較，確定是否動作。欠壓保護也是煤礦井下不可缺少的保護之一。欠壓是指當電網電壓下降至額定電壓的75%時，保護延時跳閘。當供電系統(tǒng)或配電電路出現短路故障時，供電電壓將短時下降或消失，此時，如果負荷過重且供電電壓恢復較慢，電動機將長時間處于起動狀態(tài)。在這種情況下，電動機和配電系統(tǒng)均受到相當大的起動電流沖擊。電動機長期在起動電流作用下，將導致絕緣過熱，甚至損壞。另外，在正常供電過程中，若電壓下降，額定負載下易引起過電流，造成電機燒毀。因此，煤礦井下必須裝設欠電壓保護裝置。欠壓保護的原理同過壓保護，也是通過比較基波值和整定值確定動作與否。本章根據低壓饋電開關智能測控單元保護功能的要求，較詳細的分析了低壓電網中的各種故障特征，如漏電、短路、過載、過壓、欠壓等，介紹了相應的保護原理。漏電保護采用附加直流電源保護原理和零序電流方向原理，對稱短路采用相敏保護原理，不對稱故障采用負序保護原理，過載采用反時限保護原理等。3 智能測控單元硬件設計 該智能測控單元是井下低壓電網的重要組成部分，是針對煤礦井下低壓電網而設計的。系統(tǒng)能夠獨立完成對低壓電網各物理量參數的檢測、計算和邏輯處理，并能夠與上位機進行數據交換，完成“測量、監(jiān)控、保護、通信”等功能，具體如下： (1)數據采集功能 實時采集低壓電網的電流、電壓等模擬信號，經過模數轉換輸入單片機計算出電網的各物理量參數，作為電網中各種故障的判斷依據。 (2)人機對話界面 采用鍵盤輸入電網各項參數整定值，輸入參數有：電網額定電流、對稱短路倍數和不對稱短路倍數；通過液晶顯示器實時顯示電網的工作電壓、工作電流和對地絕緣電阻，發(fā)生故障時顯示故障類型及故障參數。 (3)保護功能保護功能是智能測控單元的重點。保護系統(tǒng)采用高檔單片機(196)技術，性能可靠，動作準確。過流保護采用相敏保護、電流不平衡保護相結合的保護方法，并具有反時限特性，能很好地解決過載、過流保護的可靠性與靈敏性問題。漏電保護采用零序電流方向原理的選擇性漏電保護和附加直流電源總檢漏繼電器組成的選擇性漏電保護系統(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；作為分支饋電開關選擇性漏電保護的后備保護。選擇性漏電保護和漏電閉鎖的任務是：作為分支線路的非對稱性漏電故障的主保護；當分支線路有漏電故障時，閉鎖開關，不允許帶故障合閘?？紤]饋電開關的通用性，總饋電開關和分支饋電開關保護功能相同，用一個開關設置、區(qū)分是用于總饋電開關或是分支饋電開關保護功能。其硬件組成如圖31所示。圖31 饋電開關的硬件組成保護電路由電流互感器、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電流成正比的電流信號；零序電抗器、零序電流互感器，獲取零序電流、零序電壓信號及判別零序電流方向；復式電源提供單片機所需電源及附加直流電源等；主控板對采集的模擬量及開關量進行快速的采樣并完成各種運算處理。 (4)通訊功能測控系統(tǒng)通過RS485口與上位機進行串行通訊，從而實現遠方監(jiān)控功能。(5)自檢功能為了減少微機系統(tǒng)出錯的概率，在系統(tǒng)投入運行之前，先進行自檢，如果有故障就發(fā)出警告，并做出相應的處理。自檢的項目主要有：CPU，ROM，RAM的自診斷，A/D通道的診斷和校正，數字I/O口的自診斷；對鍵盤、接口芯片等硬件的自診斷。數據采集模塊包括電壓形成、模擬濾波(ALF )、采樣保持(S/H )、多路轉換(MPX)以及模數轉換（A/D)等功能塊，完成將模擬量準確地轉換為所需的數字量。其硬件框圖如圖32所示。 圖32 數據采集模塊硬件框圖在工程實際中，為了防止各類干擾通常需要對系統(tǒng)中的輸入信號通道采取必要的隔離，以保證系統(tǒng)可靠運行。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與低壓側彼此隔離，使輸入和輸出之間沒有直接的電氣連接。本裝置中被測信號有電壓和電流，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極短的時間內測量模擬輸入量在該時刻的瞬時值，并在模數轉換期間內保持其輸出不變。 采樣總是按一定的頻率工作的，為了滿足采樣定理，必須限制輸入信號的最高頻率，也就是說必須給輸入信號一定的帶限。前置低通模擬濾波(ALF )的作用就在于可以將電氣量信號中不需要的高頻分量濾除。通過此種方法可以保證采樣頻率大于電氣量信號頻率的兩倍，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轉換器。這一系列的器件的特點有： (1)提供8個可獨立選擇的輸入通道，每個通道都有專用的S/H（采樣保持）電路。因為對逐次逼近型模數轉換器來說，若采集變化速率較高的信號，采樣保持是必須的。否則將引起測量誤差。而MAX1308內部集成了采樣跟蹤/保持電路，可以直接與MCU的SPI相連，簡化了數據采集系統(tǒng)的設計。(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)較高的轉換速率，A/D芯片具有較高的轉換速度可以保證A/D控制簡單而又不過多的占用CPU時間?？刂品绞剑闯绦虿樵兎绞剑好看伟l(fā)出采樣命令以后，CPU要通過程序查詢監(jiān)視A/D是否轉換結束，以便CPU讀取A/D轉換結果。若A/D轉換速率較慢，尤其是當通道較多的情況下，程序所需的時間較長。 微機保護對A/D轉換的轉換速度有一定要求，一般應小于25181。s。而MAX1308有獨立的參考時鐘源，轉換速率較快。(4)電壓、電流同時采樣對裝置模擬量計算是非常必要的，若不能保證電壓、電流同時采樣將造成某些功能計算較大的誤差，如功率方向，相位關系，功率的計算等。MAX1308的所有有效通道的同時采樣都保留了相關的相位信息，非常適合電機控制與電源監(jiān)視。(5)只寫配置寄存器可以屏蔽不使用的通道，關斷功能降低了功耗。在配電線路微機保護與測控裝置中，通常需要采集斷路器狀態(tài)、隔離開關狀態(tài)和外部分、合閘狀態(tài)等外部開關量，和安裝在裝置面板上的接點等內部開關量。這些開關量的采集都是以光電隔離方式輸入，其主要優(yōu)點有：輸入信號與輸出信號在電氣上完全隔離，抗干擾能力很強；無觸點，耐沖擊，壽命長，可靠性高；響應速度快，易與邏輯電平配合使用。圖33為開關量輸入電路框圖。 圖33 開關量輸入電路開關量輸出主要指驅動跳閘輸出。當電網發(fā)生漏電、短路、斷相、欠壓或過壓等故障，同時達到故障動作條件時便會發(fā)出跳閘指令，通過I/O口驅動中間繼電器，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 開關量輸出電路 為了便于工作人員觀測電力系統(tǒng)的工作情況，進行人機對話，本智能開關設計了液晶顯示模塊和小鍵盤。(1)鍵盤鍵盤在微機保護中是一個不可或缺的部件，通過它，可實現就地故障查詢、參數設置等功能。鍵盤是人工干預裝置的主要手段之一。根據需要，本設計用了9個獨立按鍵分別為上、下、左、右、加、減確定、取消。鍵盤選用獨立式的結構，通過鎖存器74LS240和單片機的數據總線相連，每個按鍵對應一個管腳。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)液晶顯示模塊本設計使用了漢字液晶顯示器，在系統(tǒng)正常工作時，便于工作人員了解系統(tǒng)的運行狀態(tài)；當系統(tǒng)發(fā)生故障時，便于維修人員判斷故障類型，提高排除故障效率，減少停電時間。單片機與液晶顯示模塊接口程序主要分為3個部分：初始化，輸入信號，字符、漢字和圖形顯示。系統(tǒng)通電復位后，液晶顯示模塊進行初始化和清屏工作，接著顯示正常工作的文字和圖形。當模塊內部顯示RAM某位為1時，屏幕上對應點亮，為0時，對應點滅。 OCMJ液晶顯示模塊采用ASK/ANSWER 握手方式。ASK=1表示OCMJ忙于內部處理，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后的任意時刻開始，先把用戶命令的當前字節(jié)放到數據線上，接著發(fā)高電平ANSWER 脈沖把當前用戶命令字節(jié)鎖存到 OCMJ 中。然后判斷OCMJ模塊是否在忙于內部處理數據，如果ASK=1，那么把ANSWER拉低，等待下一次（ASK=0）再送下一個數據?；具B接圖如圖36所示。 圖36 單片機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構簡單、價格低廉、通信距離和數據傳輸速率適當等特點而被廣泛應用。 圖37 通信模塊連接電路圖通信模塊硬件電路設計如圖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8kV的靜電放電沖擊，片內集成4個瞬時過壓保護管，可承受高達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。對一些環(huán)境比較惡劣的現場，可直接與傳輸線相接而不需要任何外加保護元件。該芯片還有一個獨特的設計，當輸入端開路時，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，不影響系統(tǒng)的正常工作。另外，它的輸入阻抗為RS485標準輸入阻抗的2倍（≥24），故可以在總線上連接64個收發(fā)器。芯片內部設計了限斜率驅動，使輸出信號邊沿不會過陡，使傳輸線上不會產生過多的高頻分量，從而有效扼制電磁干擾。Intel80C196KC單片機的可尋址的存儲空間有64K字節(jié)，片內外存儲器采用統(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器的片選信號線，可以分配32k的程序存儲空間。當A15為低電平時選通32k的程序存儲器，此時可以對程序存儲器進行讀寫操作；當A15為高電平時，程序存儲器被禁止操作，而選通3/8譯碼器。如圖38所示，A15=1選通74LS138，具體選通哪個器件由A1A14確定，當A13=0、A14=0時，選通數據存儲器RAM；當A13=A14=0時，選通A/D轉換器；當A13=0、A14=1時，選通鍵盤；當A13=A14=1時，選通“看門狗”監(jiān)視器。所以數據存儲器只能分給8k的存儲空間。 本章根據智能測控單元保護功能的要求，設計了數據采集電路、開關量輸入、輸出電路、人機接口電路、通信電路，并簡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：模擬輸入電路工作可靠，采樣準確；利用大屏幕液晶顯示器，可以充分顯示系統(tǒng)的各項參數及狀態(tài)，提供良好的人機界面：采用鍵盤輸入系統(tǒng)的各項整定參數，實現了額定電流整定的連續(xù)性，真正實現了保護系統(tǒng)數字化。4 智能測控單元軟件設計傅立葉算法是以周期函數為基礎，把信號分解為整數倍基頻的分量之和，然后采用一組正交函數，作為樣品函數，將樣品函數與周期函數進行積分變換即可