CN201750137U

CN201750137U - 一种用于矿井电网的新型电流保护装置

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Publication number: CN201750137U
Application number: CN2010202592167U
Authority: CN
Inventors: 张晓明; 公茂法; 杨洋; 庄伟�; 刘庆雪; 孙志强; 贾强
Original assignee: Shandong University of Science and Technology
Current assignee: Shandong University of Science and Technology
Priority date: 2010-07-15
Filing date: 2010-07-15
Publication date: 2011-02-16
Anticipated expiration: 2020-07-15

Abstract

本实用新型公开了一种用于矿井电网的新型电流保护装置，其包括模拟量输入模块、中央处理模块、人机接口模块和电源模块四部分。本实用新型采用FPGA作为中央处理模块的核心，简化了保护装置的硬件结构，提高了保护装置的稳定性与可靠性；针对矿井电网常见的三种电流故障特征，设计相敏保护、负序保护、过载保护三个单元，分别用于矿井电网异步电动机启动电流与三相短路电流故障的识别与切除、两相短路与断相故障的识别与切除、过载故障的识别与切除，使保护更加具有针对性，提高了保护装置动作的准确性。整套装置具有硬件结构简单、无保护死区、研发费用低、开发周期短、动作灵敏性高、抗干扰性能好的特点。

Description

一种用于矿井电网的新型电流保护装置

技术领域

本实用新型涉及一种电力系统电流保护装置，尤其涉及一种用于矿井电网的新型电流保护装置。

背景技术

目前，在煤矿井下低压供电系统中，最薄弱的环节是电缆和电动机。电缆由于机械破坏可能发生两相或三相短路及断相；电动机可能会由于输出功率超出额定值而使绕组绝缘性能下降，容易造成损坏，这些都是电网的过电流故障。矿井电流故障主要包括对称性短路(三相短路)、非对称性短路(两相短路、断相、单相接地)以及过载故障。其中，单相接地故障又称漏电故障，占井下所有故障的65％以上，应对其加装单独的漏电保护装置。

我国煤矿井下供电系统继电保护技术从硬件上来讲经历了机电式保护装置、模拟式保护装置、微机式保护装置三个阶段。最早的机电式保护装置由电磁型、感应型或电动型继电器组成，它们功耗大、体积大、易磨损、动作速度慢、保护灵敏度低，调试维护比较复杂，于上世纪70年代便被淘汰；随着半导体技术的发展，模拟式保护装置在井下获得了广泛应用，与机电式保护装置相比，模拟式保护集短路保护、过载保护、欠压保护等多种保护于一体，在功能上做了相应扩展，在保护灵敏度、动作速度上也有了较大提高，但模拟式保护的整定较为复杂，抗干扰性能差，受电磁干扰影响严重，给煤矿井下的安全生产带来了极大隐患；近年来，随着计算机技术和芯片集成化技术的高速发展，微机控制技术广泛应用于矿井电网的继电保护中，相继产生了以单片机、DSP、PLC为中央处理器的微机式矿井电网继电保护系统，完善了矿井电网微机保护装置的功能、提高了保护的可靠性和灵敏性，但硬件结构较复杂，往往不能兼顾保护速度与保护精度，而且价格偏高，抗干扰性能有待进一步提高。

由此可见，现有技术有待于更进一步的改进和发展。

实用新型内容

本实用新型为解决上述现有技术中的缺陷提供一种用于矿井电网的新型电流保护装置，以提高保护的正确动作率，增强矿井电网运行的可靠性。

为解决上述技术问题，本实用新型方案包括：

一种用于矿井电网的新型电流保护装置，其包括中央处理模块，以及与中央处理模块相连的模拟量输入模块、人机接口模块、电源模块，其中，所述中央处理模块包括FPGA单元、相敏保护单元、负序保护单元、过载保护单元、开关量输出单元、CAN总线通信单元；相敏保护单元、负序保护单元、过载保护单元分别与模拟量输入模块、FPGA单元相连接，CAN总线通信单元、开关量输出单元分别与FPGA单元相连接。

所述的新型电流保护装置，其中，上述FPGA单元包括一测频计数器与数字鉴相器。

所述的新型电流保护装置，其中，负序保护单元包含一个负序过滤器，该负序过滤器包括一个电压增益为α²＝e^j240°的第一运算放大电路、一个电压增益为α＝e^j120°的第二运算放大电路、一个反相求和运算电路、一个反相比例运算电路，第一运算放大电路包括第一运放、电阻一、电阻二、电阻三与第一电容器，电阻一、第一电容器串联接至第一运放的反向输入端，并且第一运放的反向输入端和输出端之间连接有电阻二，第一运放的同相输入端连接有电阻三接地；第二运算放大电路包括第二运放、电阻四、电阻五、电阻六与第二电容器，电阻四接至第二运放的反向输入端，电阻五与第二电容器并联后连接在第二运放的反向输入端和输出端之间，第二运放的同相输入端连接有电阻六接地；反相求和运算电路包括第三运放、电阻七、电阻八、电阻九、电阻十、电阻十一，电阻七与第三运放的反向输入端相连，电阻八连接在第一运放的输出端与第三运放的反向输入端之间，电阻九连接在第二运放的输出端与第三运放的反向输入端之间，并且第三运放的反向输入端和输出端之间连接有电阻十，第三运放的同相输入端连接有电阻十一接地；反相比例运算电路包括第四运放、电阻十二、电阻十三与电阻十四，电阻十二连接在第三运放的输出端与第四运放的反向输入端之间，并且第四运放的反向输入端和输出端之间连接有电阻十三，第四运放的同相输入端连接有电阻十四接地；第一运放、第二运放、第三运放与第四运放均为LM324。

所述的新型电流保护装置，其中，上述电源模块是一将交流电源或直流电源转换为+5V、+24V、±12V直流电源的开关稳压电源。

本实用新型提供的一种用于矿井电网的新型电流保护装置，采用FPGA(Field-Programmable Gate Array：现场可编程门阵列)作为中央处理模块的核心，简化了保护装置的硬件结构，提高了保护装置的稳定性与可靠性；针对三种电流故障的特点，分别设计相敏保护、负序保护、过载保护三个单元，使保护更加具有针对性，提高了保护装置动作的准确性；提取故障电流信号并进行实时幅值检测与相位分析，然后将结果直接送入FPGA与整定值相比较，整定简单且不存在保护死区，增强了矿井电网运行的可靠性；采用CAN总线与上位机进行通信，实现了电流保护系统设计的网络化，并且易于升级，具有可靠性高、实时性和灵活性强等优点，非常适合煤矿井下的特殊工作环境；FPGA本身具备开发周期最短、开发费用最低等优点，大大降低了装置的研发成本，缩短了装置的开发周期，非常适合批量生产。

附图说明

图1是本实用新型中新型电网电流保护装置的结构框图；

图2是本实用新型中相敏保护单元的流程简图；

图3是本实用新型中负序保护单元的流程简图；

图4是本实用新型中负序保护单元之负序过滤器的电路原理图；

图5是本实用新型中过载保护单元的流程简图。

具体实施方式

本实用新型提供了一种用于矿井电网的新型电流保护装置，为了使本实用新型的目的、技术方案以及优点更清楚、明确，以下将结合附图与实施例，对本实用新型进一步详细说明。

本实用新型提供了一种用于矿井电网的新型电流保护装置，采用FPGA(Field-Programmable Gate Array：现场可编程门阵列)作为中央处理模块的核心，简化了保护装置的硬件结构，提高了保护装置的稳定性与可靠性；针对三种电流故障的特点，分别设计相敏保护、负序保护、过载保护三个单元，使保护更加具有针对性，提高了保护装置动作的准确性；提取故障电流信号并进行实时幅值检测与相位分析，然后将结果直接送入FPGA与整定值相比较，整定简单且不存在保护死区，增强了矿井电网运行的可靠性；采用CAN总线与上位机进行通信，实现了电流保护系统设计的网络化，并且易于升级，具有可靠性高、实时性和灵活性强等优点，非常适合煤矿井下的特殊工作环境；FPGA本身具备开发周期最短、开发费用最低等优点，大大降低了装置的研发成本，缩短了装置的开发周期，非常适合批量生产。

如图1所示的，用于矿井的新型电网电流保护装置包括中央处理模块2，以及与中央处理模块相连的模拟量输入模块1、人机接口模块3、电源模块4。

为了更进一步的提高本实用新型的性能，如图1所示的，中央处理模块2以FPGA单元24作为核心，由相敏保护单元21、负序保护单元22、过载保护单元23、开关量输出单元25、CAN总线通信单元26共同组成。上述中央处理模块中的相敏保护单元21、负序保护单元22、过载保护单元23分别与模拟量输入模块1、FPGA单元24相连接，CAN总线通信单元26、开关量输出单元25分别与FPGA单元24相连接。矿井电网的故障电流信号经模拟量输入模块1将故障信息分别传输到相敏保护单元21、负序保护单元22、过载保护单元23中，然后再进入FPGA单元24中的测频计数器和数字鉴相器，分别进行测频计数、相位测量，然后与整定值比较，产生控制信号通过开关量输出单元25驱动继电器实现对电气设备的保护。CAN总线通信单元26与FPGA单元24连接，通过通信总线进行双向数据传输，与上位机进行通信。人机接口模块3包括显示单元31与键盘单元32，通过键盘单元32输入命令，显示单元31显示相关参数信息以及命令的执行状况，完成人机对话功能，更进一步提高了本实用新型运行的智能化水平。

整套装置配置有一用于将交流电源(或直流电源)转换为直流电源的电源模块4，电源模块4由开关稳压电源组成，用于将外接的交流电源(或直流电源)转换成+5V、+24V、±12V直流电源。+5V电源用于装置数字器件工作，+24V电源用于继电器驱动，±12V电源用作LM324运放的工作电源，稳定的电源供应进一步确保的保护装置运行的可靠性。

相敏保护单元21用于异步电动机启动电流与三相短路电流故障的识别与切除，它由幅值检测和功率因数检测两部分组成，其基本运行流程如图2所示的，其具体如下所述的：

在幅值检测部分，取自电网B相的电流经过I/U变换、低通滤波、V-F变换、光电耦合后，由FPGA单元24进行实时测频，计算脉冲个数并与整定值比较，高于整定值说明电流值超限，发生了三相短路或电机启动，FPGA单元24输出高，反之则输出低。

在功率因数检测部分，电网BC线电压经过滞后30°移相后得到B相电压，经整形电路变成同相位的方波信号，B相电流经I/U变换、方波变换整形后变成同相位的方波信号，二者进入数字鉴相器比相，经FPGA单元24计算脉宽等处理后与整定值比较，大于整定值输出高，反之输出低。

最后，将幅值信号与功率因数信号的逻辑值相与，同时为高，则瞬时跳闸，否则不动作。

而负序保护单元22用于两相短路与断相故障的识别与切除，如图3所示的，其具体流程如下：

发生两相短路时产生的负序电流值大于单相断线时的负序电流值。因此通过实时检测系统中负序电流的有无可判断是否发生了非对称故障，而检测负序电流的大小可区分两相短路和断相故障。A、B、C三相电流经电流变换器后，变成电压信号后输入负序过滤器中，滤出负序电压信号，经V-F变换后，FPGA测频计数，并与整定值进行比较，判定非对称故障类型并做出相应处理。

上述负序过滤器的电路原理，如图4所示的，负序过滤器用于提取矿井电网的负序信号，该负序过滤器包括一个电压增益为α²＝e^j240°的第一运算放大电路、一个电压增益为α＝e^j120°的第二运算放大电路、一个反相求和运算电路、一个反相比例运算电路，第一运算放大电路包括第一运放、电阻一、电阻二、电阻三与第一电容器，电阻一、第一电容器串联接至第一运放的反向输入端，并且第一运放的反向输入端和输出端之间连接有电阻二，第一运放的同相输入端连接有电阻三接地；第二运算放大电路包括第二运放、电阻四、电阻五、电阻六与第二电容器，电阻四接至第二运放的反向输入端，电阻五与第二电容器并联后连接在第二运放的反向输入端和输出端之间，第二运放的同相输入端连接有电阻六接地；反相求和运算电路包括第三运放、电阻七、电阻八、电阻九、电阻十、电阻十一，电阻七与第三运放的反向输入端相连，电阻八连接在第一运放的输出端与第三运放的反向输入端之间，电阻九连接在第二运放的输出端与第三运放的反向输入端之间，并且第三运放的反向输入端和输出端之间连接有电阻十，第三运放的同相输入端连接有电阻十一接地；反相比例运算电路包括第四运放、电阻十二、电阻十三与电阻十四，电阻十二连接在第三运放的输出端与第四运放的反向输入端之间，并且第四运放的反向输入端和输出端之间连接有电阻十三，第四运放的同相输入端连接有电阻十四接地；第一运放、第二运放、第三运放与第四运放均为LM324。为了描述简洁方便，以下采用符号描述各个电路元件，例如第一运放至第四运放，采用A1-A4表示，其各个符号与各个电路元件的连接关系如图4所示，在此不再一一赘述。

如图4所示的，A₁-A₄为LM324运算放大器，运放A₁及电阻R₃-R₃、电容C₁组成了电压增益为α²＝e^j240°的放大器，作用是保持B相输出电压幅值不变，使其相位超前输入电压240°，即电压变成

同理，运放A₂及周围的电阻、电容组成电压增益为α＝e^j120°的放大器，作用是保持C相输出电压幅值不变，使其相位超前输入电压120°，即电压变成A₃及周围元件组成反相求和运算电路，设计其输出电压与输入电压关系为：

{\overset{\cdot}{V}}_{O 3} = - \frac{1}{3} ({\overset{\cdot}{V}}_{A} + α^{2} {\overset{\cdot}{V}}_{B} + α {\overset{\cdot}{V}}_{C})

经过A₄及其周围元件组成的反相比例运算电路后，最终得到的输出电压为：

{\overset{\cdot}{V}}_{o} = \frac{1}{3} ({\overset{\cdot}{V}}_{A} + α^{2} {\overset{\cdot}{V}}_{B} + α {\overset{\cdot}{V}}_{C})

即为A相的负序分量。

本实用新型对过载故障的处理流程，如图5所示的，过载保护单元23用于电动机过载故障的识别与切除，比如，B相电流经电流变换、半波整流滤波、V-F变换、光电隔离后，由FPGA单元24进行实时测频，计算脉冲个数并与整定值比较，高于整定值则经过一段延时后控制继电器动作，低于整定值则不动作。可以合理设计本实用新型的电路参数，使V-F变换前的直流电压信号大小正比于输入电流信号的幅值，从而可靠的反映过载电流幅值的大小。

应当理解的是，上述针对较佳实施例的描述较为详细，并不能因此而认为是对本实用新型专利保护范围的限制，本领域的普通技术人员在本实用新型的启示下，在不脱离本实用新型权利要求所保护的范围情况下，还可以做出替换、简单组合等多种变形，这些均落入本实用新型的保护范围之内，本实用新型的请求保护范围应以所附权利要求为准。

Claims

1.一种用于矿井电网的新型电流保护装置，其包括中央处理模块，以及与中央处理模块相连的模拟量输入模块、人机接口模块、电源模块，其特征在于：所述中央处理模块包括FPGA单元、相敏保护单元、负序保护单元、过载保护单元、开关量输出单元、CAN总线通信单元；相敏保护单元、负序保护单元、过载保护单元分别与模拟量输入模块、FPGA单元相连接，CAN总线通信单元、开关量输出单元分别与FPGA单元相连接。

2.根据权利要求1所述的新型电流保护装置，其特征在于：上述FPGA单元包括一测频计数器与数字鉴相器。

3.根据权利要求1或2所述的新型电流保护装置，其特征在于：负序保护单元包含一个负序过滤器，该负序过滤器包括一个电压增益为α²＝e^j240°的第一运算放大电路、一个电压增益为α＝e^j120°的第二运算放大电路、一个反相求和运算电路、一个反相比例运算电路，第一运算放大电路包括第一运放、电阻一、电阻二、电阻三与第一电容器，电阻一、第一电容器串联接至第一运放的反向输入端，并且第一运放的反向输入端和输出端之间连接有电阻二，第一运放的同相输入端连接有电阻三，电阻三接地；第二运算放大电路包括第二运放、电阻四、电阻五、电阻六与第二电容器，电阻四接至第二运放的反向输入端，电阻五与第二电容器并联后连接在第二运放的反向输入端和输出端之间，第二运放的同相输入端连接有电阻六，电阻六接地；反相求和运算电路包括第三运放、电阻七、电阻八、电阻九、电阻十、电阻十一，电阻七与第三运放的反向输入端相连，电阻八连接在第一运放的输出端与第三运放的反向输入端之间，电阻九连接在第二运放的输出端与第三运放的反向输入端之间，并且第三运放的反向输入端和输出端之间连接有电阻十，第三运放的同相输入端连接有电阻十一，电阻十一接地；反相比例运算电路包括第四运放、电阻十二、电阻十三与电阻十四，电阻十二连接在第三运放的输出端与第四运放的反向输入端之间，并且第四运放的反向输入端和输出端之间连接有电阻十三，第四运放的同相输入端连接有电阻十四，电阻十四接地；第一运放、第二运放、第三运放与第四运放均为LM324。

4.根据权利要求1所述的新型电流保护装置，其特征在于：上述电源模块是一将交流电源或直流电源转换为+5V、+24V、±12V直流电源的开关稳压电源。