摘要：分析了目前礦井低壓電網(wǎng)漏電保護系統(tǒng)存在的不足，提出了基于電力載
波通信的新型選擇性漏電保護實現(xiàn)方案，介紹了裝置的組成和工作原理。實驗證明，該
裝置構(gòu)成的漏電保護系統(tǒng)具有實時性強、選擇性判斷準確和可靠性高等優(yōu)點。
關(guān)鍵詞：漏電保護；選擇性；電力載波；全波比相

0 引 言
煤炭生產(chǎn)主要在井下進行，大部分為電纜供電，環(huán)境惡劣、故障多，電纜線路經(jīng)常發(fā)生單相漏電或單相接地故障⋯。設(shè)置完善的選擇性漏電保護和采取切實可行的漏電保護措施可以大大提高井下供電的安全性和可靠性�！睹旱V安全規(guī)程》規(guī)定，在煤礦井下低壓電網(wǎng)中必須裝設(shè)漏電保護或選擇性漏電保護裝置。
漏電保護的主要目的是，通過切斷電源來防止人身觸電傷亡和漏電電流引爆瓦斯煤塵。目前，現(xiàn)場使用的低壓漏電保護裝置主要有3種：①檢漏繼電器。利用附加直流原理實現(xiàn)漏電保護，不具備選擇性功能，只能做總開關(guān)使用。優(yōu)點是裝有零序電抗器，可以補償電網(wǎng)對地電容電流 J。② 零序功率方向型選擇性漏電保護�？傪侂婇_關(guān)采用附加直流原理。分開關(guān)的橫向選擇性采用零序電壓和零序電流比相原理來實現(xiàn)，上下級漏電保護裝置之間靠延時來實現(xiàn)動作的縱向選擇性 ；分饋電通過檢測零序電壓和零序電流的大小來間接反映漏電嚴重程度。③ 檢測直流的零序方向型漏電保護。為了彌補分饋電不能準確判斷漏電電阻值的不足，在方案2的基礎(chǔ)上，分饋電利用主饋電提供的附加直流檢測漏電阻值。但是，目前各廠家生產(chǎn)的主饋電開關(guān)內(nèi)漏電檢測附加直流電源的極性和幅值不統(tǒng)一。因而很難做到不同廠家產(chǎn)品的相互兼容，給產(chǎn)品的互換帶來很大困難。

1 保護原理
電力線載波(Power Line Communication，PLC)技術(shù)是電力系統(tǒng)特有的通信方式，是指利用現(xiàn)有的電力線(高、中、低壓等輸配電線路)，通過載波方式將模擬或數(shù)字信號進行高速傳輸?shù)募夹g(shù)L4]。針對現(xiàn)有選擇性漏電保護的不足，本文利用PLC技術(shù)將主饋電開關(guān)檢測到的電網(wǎng)漏電電阻傳送到各個分饋電(設(shè)置不同的通信地址)，各個分饋電開關(guān)利用零序比相原理和主饋電提供的漏電阻值兩個判據(jù)判定漏電保護跳閘。為保證信號傳輸?shù)目煽啃院瓦x擇性，采用“相一地”形式作為載波通信傳輸通路，避免通過變壓器傳輸耦合造成開關(guān)誤動作。漏電保護系統(tǒng)框圖如圖1所示。
圖1 漏電保護系統(tǒng)框圖

2 硬件設(shè)計
2．1 電力線接口電路
PLC系統(tǒng)的核心是PLC芯片，國外多家公司已推出了自己的芯片。由于國外芯片是針對其自身的電網(wǎng)特性、結(jié)構(gòu)設(shè)計的，而對我國的電網(wǎng)特性和市場需求難以發(fā)揮優(yōu)勢。PL3105是國內(nèi)專為自動抄表、智能信息家電以及遠程監(jiān)控系統(tǒng)而開發(fā)設(shè)計的單芯片片上系統(tǒng)(System on Chip，SoC)，是一種集擴頻模塊和8051于一體、基于直序擴頻技術(shù)開發(fā)的半雙工低壓PLC芯片，通信速率為500／250 b／s可選，載波的中心頻率約為120 kHz，內(nèi)嵌的載波通信控制單元具備在低壓電力線上組網(wǎng)遠程通信的強大功能；CPU通過配置寄存器來實現(xiàn)對載波通信的控制，接口方便；集成了完善的電壓監(jiān)測上電掉電復位看門狗電路，確保了工業(yè)環(huán)境下運行時系統(tǒng)的可靠性 J。圖2為基于PL3105芯片的載波通信原理結(jié)構(gòu)框圖。
圖2 載波通信原理結(jié)構(gòu)框圖
PLC所需的直接序列擴頻調(diào)制電路已在PL3105芯片內(nèi)集成，外圍電路主要包括功率放大、濾波整形、諧振及二次濾波電路。功率放大、載波耦合及接收電路如圖3所示。
(a)功率放大電路
(b)載波耦合及接收電路
圖3 載波通信接口電路原理圖

2．2 全波比相原理
在選擇性漏電保護系統(tǒng)中，分支漏電保護單元間是通過比較零序電流與零序電壓之間的相位來區(qū)分故障支路和非故障支路的。比較方法有半波相位和全波相位比較兩種，本設(shè)計采用全波相位比較。圖4為全波比相的原理圖。零序電壓經(jīng)過電壓跟隨、濾波、整形，形成2個寬度為1T、周期為2,tr的方波信號，零序電流通過放大、濾波、移相和整形變換，形成2個周期為2,tr的脈沖序列。若零序電流和零序電壓同相位，為故障支路；否則，為非故障支路。顯然，全波比相提高了比較頻率，因而提高了保護單元的動作速度。
發(fā)生漏電時圖4各點的波形如圖5所示。
由圖可見，當本條支路發(fā)生漏電時，零序電流和電壓經(jīng)過比相在G5點產(chǎn)生尖脈沖，此脈沖經(jīng)過電壓比較器后在G6點輸出周期為10 ms的負脈沖，該負脈沖輸入單片機的外部中斷引腳。若此時從主饋電得到的漏電阻值達到規(guī)定要求(1 140 V：20 kQ，660 V：11 kQ)，則單片機驅(qū)動保護繼電器動作，開關(guān)跳閘，動作時間<10 ms，遠小于標準規(guī)定30 ms。但是在試驗過程中發(fā)現(xiàn)，只檢測1次負脈沖有時會出現(xiàn)誤動作，實際使用中為了兼顧系統(tǒng)的可靠性和快速性，軟件修改為只有單片機連續(xù)檢測到在22 ms內(nèi)出現(xiàn)3次負脈沖時才認為是真正漏電，改進后用1 kQ電阻對地和直接對地分別作2O次漏電試驗，沒有一次誤動作。

3 結(jié) 語
本文提出了一種新的基于PLC和全波比相的選擇性漏電實現(xiàn)方法。試驗證明，該方法不僅具有穩(wěn)定的漏電電阻值，而且具有動作速度快和選擇性判斷準確等優(yōu)點，具有良好的應用前景。