1、 邯郸学院本科毕业论文（设计） 题 目 煤矿直流架线系统漏电保护器的设计 学 生 指导教师 年 级 专 业 电子信息工程 二级学院 信息工程学院 邯郸学院信息工程学院 年 月 I 摘 要 针对采用大功率晶闸管整流牵引机车的供电系统存在的安全隐患，基于直流脉冲电源的直流架线系统漏电保护原理， 开发 了漏电保护器，漏电保护器采用数字化控制，有故障记忆和存储显示功能。使用了两片 STM32 系列处理器处理 信息，提高了实时性、可扩展性和人机交互功能的能力。漏电保护器还具有过流保护的功能。漏电保护器还可以用在除煤矿井下的其他直流供电系统中。 关键词 煤矿直流架线系统 漏电保护器 直流脉冲电源 数字化控
2、制 II Design of electric leakage protection technology of mine DC trolley system Abstract According to the shortages of the rectifier used in mine haulage locomotive with the silicon trolled method for the rectification, the paper provided the electric leakage protection principle of the mine DC trol
3、ley system base on additional DC pulse power. The prototype integrated rectification and electric leakage protection function was made base on the principle with the digital control and fault memory, storage and display function. Using two pieces of STM32 series processor processes the information,
4、improve the real-time, expansibility and function of human-computer interaction ability. electric leakage protection also has over-current protection function. It can also be used in other DC power supply system except of mine. Key words DC trolley system Additional DC source The electrical leakage
5、protector Digital control1 目 录 摘要 . I Abstract .II 1 前言 . 1 2 漏电保护器的发展 . 1 2.1 漏电保护器研究的意义 . 1 2.2 漏电保护器的发展历史以及现状和前景 . 1 2.3 市场上漏 电保护 器的缺点 . 2 3 矿井供电系统的主要保护装置及原 理 . 2 3.1 过流保护的原理和不足 . 2 3.2 接地保护的原理和不足 . 2 3.3 漏电保护的重要性和作用 . 3 4 中央控制系统的电路设计 . 4 4.1 实施方案的硬件框架 . 4 4.2 数据采集电路的设计 . 5 4.3 按键与报警部分电路设计 . 6 4.
6、4 显示电路设计 . 7 4.5 电源电路的设计 . 8 4.6 触发电路的设计 . 9 5 器件选择及其优点 . 9 5.1 传感器的选 择 . 9 5.2 处理器选择 . 9 5.3 其他器件选择 . 10 6 数据采集分析处理 . 10 7 保护器软件设计 . 11 8 漏电保护器抗干扰性能设计 . 12 2 9 结论 . 12 参考文献 . 13 致 谢 . 14 附 录 . 14 1 煤矿直流架线系统漏电保护器的设计 1 前言 一些发达国家在矿下防止触电事故的方法主要采用架线电网区段化法、保护屏障法、漏电保护法、双架线供电法。前两种方法存在明显缺点，比如要改变电网运行状态，已经建立的
7、电网重新改建费用不菲。国内煤矿下低压电网漏电保护主要采用零序电流法，然而该方法容易受到架线上的寄生电感、寄生电容和天气的影响。 通过对市场的调研和辛勤的实验 ，以及对煤矿直流架线系统的研究分析，对漏电保护原理的深度探究，本人及队友在老师的帮助下共同研发出了一个基于脉冲直流保护原理的漏电保护装置。本装置具有高灵敏度、高可靠性等特点。通过实验观察发现能够保护生命体，反应速度也远超继电器式保护装置。 根据当前国内煤矿发展需求和技术的日新月异的发展，研制的漏电保护器是一种专门用于矿井下直流架线系统的保护装置，井上或其它地方使用直流的系统的也可使用设计的漏电保护器。该漏电保护器主要特点是漏电检测触发时间
8、在安全时间以内，能够降低触电伤亡率；采用 STM32 控制，可以实现供电和 漏电一体化。 2 漏电保护器的发展 2.1 漏电保护器研究的意义 一份大中型矿井现场调查统计资料中的一项明确表明，触电事故在矿井所有的事故中所占的比例大约为 30%。由于大部分电气事故所造成的破坏不明显，只有个别特大事故造成的破坏的程度大，所以一般的电气事故很少会引起社会注意，影响生产的时间也不长，这样也就很难引起上级重视，造成恶性循环，对矿井的安全形成一种潜在的隐患。 煤矿井下供电有三大保护即漏电保护、保护接地、短路保护。在低压供电系统中三大保护对保护人身安全有重要的作用。 保护接地：将电气设备的不 该带电的外壳金属
9、部分用导电性良好的导体与埋在地下的大面积导体连在一起。这样，电气设备因漏电使外壳带电的电压对地电压降低，减小了流经人体的电流，因此降低了伤亡率。 漏电保护：是在供电系统中装接漏电保护器。一般安装在供电配电柜中。其作用是：当供电系统漏电时，能迅速断电，进行绝缘监视；当人体触电时，瞬间切断电源，短的人体不会感觉得到。 短路保护：在电路中接入限流继电器、过流继电器、熔断器等。其作用是当线路以及电气设备的工作电流超过规定值时，自动切断电源，保护线路以及电气设备。所以研制一种高可靠性、高安全性的漏电保 护器对生产有重要意义。 2.2 漏电保护器的发展历史以及现状和前景 十九世纪以来，漏电保护越来越受到人
10、类的重视，自从出现触电伤亡开始，技术人员就开始对漏电保护技术研究了。而漏电保护器，是因触电保护的需要在二十世纪才出现的。 20世纪末期出现了许多的有关触电保护的方法，如电压动作漏电断路器。 1928 年德国根据高压差动保护原理，提出剩余电流动作漏电分析判断方法。根据这一原理，法国在十九世纪三十年代初期，制成了第一台剩余电流动作型漏电断路器。考虑到其安全系数高，也做了动物和人的触电试验。但英国等周边国家仍然使用以 电压动作型为主的漏电保护器。可以说，三2 十年代初触电漏电保护器采用电压动作型漏电保护器，四十年代末德国等国家又重新启用电流动作型为核心的漏电断路器，剩余电流动作型为主要原理的触电漏电
11、保护器，六十年代之后才开始批量生产。这些漏电保护器主要用于直接接触的裸线和金属外壳部分以及保护接地线部分。这些措施由于自身局限不能用于煤矿生产，或者灵敏度低，故障率高。研究一种可靠智能的漏电保护装置迫在眉睫。 随着电子技术电力技术的迅猛发展对漏电保护提出了新的要求，漏电保护不但对安全有要求，也逐渐网络化、智能化。随着嵌入式功能日益 强大，漏电保护技术的发展前景愈加广阔。 2.3 市场上漏电保护器的缺点 目前市场上主要型号的漏电保护器主要使用继电器等机械开关，严重影响了断电时间，据有关资料显示断电时间均在百毫秒级，而在矿下直流架线六百伏电压下人的安全时间在五十毫秒以内。所以目前漏电保护器安全系数
12、不高。另一个原因继电器不具备选择性，因此容易误动作，降低了可靠性。另一些继电器因为没有漏电闭锁降功能，能够在漏电情况下再次启动，也降低了电网的安全性。一些继电器功能单一竟然不设有过流保护功能，降低了保护器和用电机械的使用寿命。 如此的设备用不能 保护人的生命体安全，有待完善。 3 矿井供电系统的主要保护装置及原理 3.1 过流保护的原理和不足 过电流是矿井下电力供电网络的主要故障之一，我国相关规定要求必须安装过电流保护，尤其是低压电力供电网络，在电力供电网络安装一些具有过电流保护装置的设备，是供电保证连续和安全不可或缺的措施。从过去几十年到现在，鉴幅式继电保护在我国广泛流行，电子保护也普及应用
13、，尽管这种保护一般情况下能保证在出故障下被保护的线路不会被错误地断开，但某些情况下其保护特性不能发挥正常，而且在短路时候保护能力会产生 严重变差的后果。有些情况下，大功率电机瞬间起动时会产生误动作，导致一般正常生产无法继续的后果。 短路故障的危害性极大，所以规程要求短路保护要具有较快的动作速度，也必须有较大的电网保护范围。短路保护与电网的相序有关系。如果电力供电电网工作于逆相序，就势必会造成短路保护出现误判。变电所位于电力供电电网的最末端，相序未知因此要判断电网是正相序运行还是逆相序运行，这样才能使保护设备正常运行。 3.2 接地保护的原理和不足 我国对于矿井接地保护有着明确的规定。煤矿安全规
14、程中有一点规定大于三十六伏的电气设备的必 须接地，如果设备外漏部分不接地产生漏电时，有人触电，就会导致事故发生；但如果设备接地，电网对地没有高压回路产生，就会安全。所以保护接地线是一道安全生命线。保护接地后，如果设备发生碰壳等漏电事故，因为经过接地，漏电保护器会检测到对地电流，从而关闭电源，所以这也是一种带来安全的保险措施。由于人体电阻较小只有并联才能分担一部分电流，所以并联接地。其实接地的话可以认为是利用的短接的原理，短接之后电阻比人体电阻小得多可以认为只有极少的电流流过人体。 电力电网供配电系统中性点如何接线的方式对于安全很重要。中性点接地的方 式一般认为可以分为中性点直接接地以及不直接（
15、大电阻、电感）接地。单单从理论上进行分析探讨，当用电或者供电设备的中性点采用不直接接地方式时，系统线路及相干的一系列设备只要有一个设备发生了单相接地，那么接地点就会有很大电流流过电网，这样非正常电流就可能达到正常情况下的单相对地电容的电流的 3 倍以上，由于电流过大会产生瞬间电弧，如果设备3 不能消除电弧，这样就会使设备损坏。而此时中性点处对地电压将会达到相电压，但是其他的没有出故障的相电压转变为线电压，这样以来设备的中性点处的绝缘应以高于两倍线电压来考虑，机械设备的绝缘 性要从线电压到相电压转变，因而产品制造的成本提高，不少也变得复杂许多。设备发生接地故障以单相接地故障居多，单相接地时若中性
16、点直接接地，相电压正常情况下不会升高，设备中性点处绝缘特性和电网各相的绝缘特性将会仍保持原样，设备相对而言会简单便宜不少。但这样造成的弊病是出故障处的流过电容的电流增大到超过三相短路时产生的大电流，结果直接造成设备中性点、故障点构成的回路中瞬间流过的电流超过设备承受的额定电流，产生火灾。所以线路上一般情况下加上了断路器，在漏电保护器的配合下跳闸，瞬间将故障排除，等待故障消失后又自动将闸合 上。 3.3 漏电保护的重要性和作用 以上两种保护都有着不可避免的缺点。所以提出更为严格的漏电保护做最后的防线。由于煤矿井下空气湿度大，地方小，温度高，各项施工条件相对地面差。尽管防范措施做的到位周全，但仍不
17、可完全避免供配电力电网系统会发生漏电的可能。煤矿井下发生漏电，将会引起工作人员触电情况的发生，煤矿井下发生漏电还会酿成瓦斯爆炸、发生火灾等一系列灾难性事故。正因为以上原因，人们必须认识到井下漏电的危害和提高漏电保护的规范和标准的重要性，确保煤矿井下供配电力电网的安全运行。 造成煤矿下漏电现象主要有如下 几个因素： 1) 操作使用不正确致使设备损坏造成的漏电。 2) 电缆在井下被压、挤、刺出现导线露出。 3) 设备、电缆闲置不进行干燥，会导致设备、电缆受潮，致使绝缘性降低。 4) 电气设备、电缆长期过载而发热，绝缘严重下降而漏电。 5) 变压器的并联运行、对大型电气设备、检查维护不细，电缆线路过
18、长、电机设备数量过多，导致电网绝缘性降低而漏电。 煤矿井下，因为井下潮湿的环境，在电网发生漏电时危害性要比在矿上的漏电事故严重。例如如果人体接触将引起死亡危险。人在井下触电同地面同等电压的带电体相比，会因为井下环境 相对潮湿，人体电阻极小（一般认为一千到三千欧姆），这样就会使人体立刻麻木，不容易摆脱带电体，超过 50 毫秒就造成触电死亡。所以一般断电动作时间设为 50 毫秒以内，但是很少有设备达到要求，所以研发一种快速动作的漏电保护器很具有现实意义和科学意义。再例如漏电会导致危险品的引爆。漏电如果产生火花，将能引起煤矿起火以及瓦斯爆炸等事故。 井下供配电系统可以认为使用的是中性点绝缘的电力电网
19、供配电系统，而且井下供电系统采取了保护接地等安全措施，还是不可以避免因为漏电造成的系列事故。由于井下电网的中性点不直接接地，导致当电网一 相接地时，造成单相接地电流很小。过流保护装置需要的电流大于接地电流就不能触发保护电路。况且，短期不影响设备的运行，接地故障就不易发觉，这势必将对人身触电造成威胁，也会引起煤尘爆炸。鉴于此，为了防止人身触电必须装设漏电保护装置。 漏电保护器通常装在电网的电源端。漏电保护器从触发动作特点上讲可分为三大类：漏电闭锁功能的保护器以及有选择性和无选择性功能的保护器。按照原理来讲，漏电保护装置可以外加直流电源。也有的漏电保护器通过测零序电流、电压的大小检测。这几种漏电保
20、护装置在煤矿井的保护系统下很常见。 漏电闭锁保护装 置的作用是当电网发生漏电时漏电保护装置动作，会自动切断电源，起到保护的作用。漏电保护器不停歇地监视煤矿电网的电阻阻值状态，从而可以通过欧姆表原理，勘测电网对地的绝缘电阻，以便工作人员及时发现和处理电网问题。漏电保护器在电网以分散方式漏电时，也能切断触发电源，防止事态进一步扩大。所以漏电保护装置对井下的4 安全起着及其重要的作用。 漏电保护装置的动作时间短，当发生人身触电时，在生命体触电时间短到还没有感觉到时（六百伏安全时间最短五十毫秒）漏电保护装置就已经切断了电网的主要电源，有效的防止了人体触电死亡案例的发生。 漏电保护装置当然也可以作为电力
21、电网短路保护的一种备用保护。当短路保护不合理或因为供电距离远，或者短路保护的灵敏度不够而失效时，漏电保护装置检测到短路可迅速动作，继而切断主电源。也可以在电气设备的保护接地电阻过大，即便是发生单相碰壳漏电时候，保护器迅速动作。以上可知为了防止电网漏电造成的各种危害必须在电网电路中装设漏电保护器。 4 中央控制系统的电路设计 4.1 实施方案的硬件框架 方案主要实现的整体功能如图 4-1 所示。 图 4-1 实现 功能图 需要完成的部分整体框架如图 4-2 所示。 状态检测 电压检测 移相触发器 电流检测 STM32 可控硅 三相电 直流负载 附加电源 STM32 显示 5 图 4-2 框架简图
22、 漏电保护器的核心控制是用了一款叫 STM32F103RBT6 的单片机。通过电流传感器和电压传感器将采集的状态信号转化成模拟电压信号，再通过 A/D 转换器变为数字信号，交给单片机处理。单片机产生 PWM 波控制移相触发器控制可控硅的导通与关闭。主电源关闭的时候，附加反向电压检测是否漏电。产生漏电时关闭移相触发器信号并且报警。因此机车需要单向导通，即安装与机车串联的二极管。为了稳定电流 使用了续流二极管。移相触发器在这里可以触发可控硅导通，也可以使晶闸管截。设计采用了两块 STM32 芯片， STM32 之间通过串口通信。使用两片芯片的原因主要是为了提高对故障的检测的能力。为了进一步提高对故
23、障的检测的能力，在软件设计方面采用了中断与查询相结合的方式。 4.2 数据采集电路的设计 采集电路主要通过数模转换实现，因为对数据精度要求不是极高，所以使用了 STM32自带的数模转换接口如图 4-3 所示。 ADC1312P8接口 图 4-3 采集接口和单片机 微处理器 状态 电压 移相触发器 电流 驱动 A/D 显 示 示 键盘 盘 VBAT1PC13/ANTI2PC14/OSC323PD0/OSCIN5PD1/OSCOUT6NRST7PC0/ADC108PC1/ADC119PC15/OSC324PC2/ADC1210PC3/ADC1311VSSA12VDDA13PA0/WKUP/ADCO
24、/TIM2_CH1_ETR14PA1/ADC1/TIM2_CH215PA2/U2_RX/ADC3/TIM2_CH316PA317VSS18VDD19PA420PA521PA622PA723PC424PC525PB026PB127PB228PB1029PB1130VSS31VDD32PB1233PB1334PB1435PB1536PC637PC738PC839PC940PA841PA942PA1043PA1144PA1245PA1346VSS47VDD48PA1449PA1550PC1051PC1152PC1253PD254PB355PB456PB557PB658PB759BOOT060PB861PB962VSS63VDD64U1STM32F103RBT6
