基于电流变化率的短路检测保护方法_冯如鹤

收稿日 期: 2007- 11- 10
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Vol129No1 5
基于电流变化率的短路检测保护方法 ) ) ) 冯如鹤, 等
第 29 卷第 5 期ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
路或用电设备发生短路时, 线路电流发生突变的原 理, 采用单片机检测这一变化率。当电流变化率超 过规定值时, 单片机发出指令, 切断供电电源。此方 法的特点是检测参数为线路电流变化率, 检测参数 与线路电流大小无关、与电压电流相位角无关、与供 电线路参数无关, 短路保护动作迅速, 灵敏度高, 工 作性能稳定, 安全可靠。 1 短路电流变化率分析与短路检测
图 1 短路电流暂态过程波形
根据电流变化率检测装置对线路进行 时事监
测。单片机对采样电流进行运算, 在未发生短路故
障时, 电流变化率较小, 保护装置不动作; 当线路电
流的变
化率
dis dt
超过设定值时,
认为电路短路,
发出
指令切断电源。为了避免对故 障现象进行错 误判
断, 程序设计在一定时间内连续检测若干次。如果 每次检测的电流变化率均大于设定值, 即判断为短
路故障。
图 2 短路电流波形
系统正常运行的状态下负荷电流 i m= Im sin ( Xt + H- Us ) = 812sin ( Xt + H- Us ) 系统在末端短路时, 系统阻抗最大, 短路电流最 小, 保护应可靠地动作, 设在 t 1 时刻系统发生短路, 短路电流
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第 29 卷第 5 期
干扰电流突变与短路电流突变的识别, 采用软 滤波和硬滤波 2 种方法解决:
¹ 软滤波 就是根据干扰信号的特点, 一般是 无规律的短时几个窄脉冲的特点, 设计单片机滤波 程序, 在 011 ms 内连续检测 10~ 20 次电流变化率, 将干扰电流突变排除。当检测到的多次变化率都超 过正常值时, 认为是发生了短 路故障, 发出执行信 号。
b - t P6 ( P6 口输入为 0 执行下一条指令)
000
005 - t P7 ( P7 口输入为 0 执行下一条指令)
000
006 - L05 ( 调用机组正反转子程序) - t PC ( PC 口输入为 0 执行下一条指令)
000 006 - L4 - L10 ( 调用启动子程序) - L6 - L11 ( 调用停止子程序) - L8 - L06 ( 调用瓦斯演示子程序) 5 制作电气控制板 在制作的综采工作面模型中, 使用的控制元件 有 PLC 主机和 扩展单 元, 使 用的电气 元件有 滤波 器、220 VP12 V 变压器, 8 个输出中间继电器 12 V、语 音电路板等, 把这些元件组装成一块电气控制板, 安 装在模型中。 综采工作面模型利用可编程控制器 PLC 控制, 具有控制系统简单, 控制范围大, 控制功能强, 控制 可靠和使用方便的特点。 当综采工作面模型在开机演示的过程中, 在可 编程控制器的控制下, 综采设备有条不紊地运行, 控 制过程简单直观, 配合语音提示和优美的轻音乐, 伴 随着工作人员生动的讲演, 使学员在愉快和轻松的 环境中学到了综合机械化采煤的安全和技术方面的 知识。
=
dis dt
为使保护可靠, 取系统 末端短路 电流 i s = 100
A, $t = 01000 01 s, 代入 i s = I msin ( Xt - U) , 算出各
时间的电流值, 以此为依据编写程序。
当 U> 90b, 即电 流处于 正半周的 下降段短 路
时, 正常的电流瞬时值减小, 如此时短路, 短路电流 会突然增大, 更有利于对电流变化率的检测与区别。
第 29 卷第 5 期 2008 年 5 月
煤矿机械 Coal Mine Machinery
Vol1 29No1 5 May. 20 08
基于电流变化率的短路检测保护方法
冯如鹤1,2 , 冯密罗1, 孔金生1
( 1. 郑州大学, 郑州 450001; 2. 平顶山工业职业技术学院, 河南 平顶山 467001)
Abstract: Introduced based on the electric current rate of change. s short circuit examination protection method, this method uses the monolithic integrated circuit to examine this rate of change, realized the short circuit to examine and to protect, has solved the short trouble current waveform change the recognition question which changed suddenly with other fault current waveform changes. discrimination question as well as the interference current profile sudden change and the short- circuit current profile, throught the development new coal electric drill synthesis protect ive device, has confirmed this method validity and the accuracy. Key words: current rate of change; single- chip microcomputer; short - circuit detection protection; coal drilling
摘 要: 介绍了基于电流变化率的短路检测保护方法, 该方法采用单片机检测这一变化率, 实 现了短路检测和保护, 解决了短路故障电流波形变化与其他故障电流波形变化的区分问题以及干 扰电流波形突变与短路电流波形突变的识别问题, 通过开发的新型煤电钻综合保护装置, 验证了该 方法的有效性和准确性。
关键词: 电流变化率; 单片机; 短路检测保护; 煤电钻 中图分类号: TM13114 文献标志码: A 文章编号: 1003- 0794( 2008) 05- 0171- 03
0 前言
基于电流变化率的短路检测保护方法是利用线
图 2 可编程控制器端口接线
4 应用程序设计 根据综采工作面模型中设备的运行顺序和控制
方法, 利用顺序控制设计法和控制电路图转换设计 法, 编制出综采工作面模型的应用程序, 经过反复调 试和修改, 编制的应用程序满足控制要求。设计编 制的主程序如下:
- C0( 设定时钟为 1 s)
短路回路阻抗角
Us =
arctan
XL R
可以看出: 短路电流由 2 部分组成: 短路电流的
周期分量 I msin( Xt + H- Us ) ; 非周期分量。短路电
流将会产生一个冲击, 这个冲击电流会产生阶跃突
变, 其波形变化率ddits 将会很大, 如图 1 所示。
2 电流变化率的短路检测保护 首先解决 2 个关键性问题: ( 1) 区分短路故障电流波形变化与其他故障电
利的情况下: 系统时间常数 T a = 0. 05 s, Us = 90b, H
= 0b, t = 0. 01 s, 则短路电流的冲击值
is=
127 sin ( Xt + 11452 + 0
H-
Us) +
[
127 @ 11452 + 0
sin ( H- U)
127 sin ( H11452 + 0
Us )
供电网络中, 正常时线路电流 i m= Im sin ( Xt + H- U)
系统发生短路故障, 电流由原来的负载电流增 大为短路电流 i s, 其值由短路回路的微分方程确定
L
dis dt
+
Ri s =
Um sin ( Xt +
H)
( 1)
式( 1) 为一阶常系数非齐次微分方程, 解为
i s = i pe+ i ap = I pemsin ( Xt + H- Us ) + [ I m @
流波形变化的差别。由于供电系统多呈感性负载, 短路故障电流波形变化与其他故障电流波形变化的 差别, 使用常规方法在某些线路参数的情况下不易 区分。
( 2) 干扰电流波形突变与短路电流波形突变的 识别。由于本项目是利用短路电流波形突然变化进 行故障识别, 电流突变是识别的要素, 在供电系统中 常常存在着各种干扰, 如电动机的启动、大型设备的 起停、变频调速、系统操作等, 这些干扰在很多情况 下会影响检测点的电流波形, 且干扰电流波形一般 情况下也是呈突变形式, 使检测产生错误识别。
Based on Current Rate of Change of Short- circuit Protection Methods FENG Ru- he1, 2 , FENG Mi- luo1 , KONG Jin- sheng1 (1. Zhengzhou University, Zhengzhou 450001, China; 2. Pingdingshan Industry Professional Technology Institute, Pingdingshan 467001, China)
sin ( H-
U) -
I pemsin ( H-
Us )
]
e-
t Ts
短路电流的周期分量随时间按正弦规律变化
is = I pem sin ( Xt + H- Us )
短路电流的非周期分量随时间按指数规律衰减