基于电流变化率的短路检测保护技术研究

1基于电流变化率的短路检测保护技术研究Researchofshortcircuitdetection&protectiontechnologybasedoncurrentvarianceratio庞元俊，吉增权PANGYuan-jun，JIZeng-quan（平顶山工业职业技术学院，河南平顶山467001）(PingdingshanIndustrialCollegeofTechnology，Pingdingshan，467001，China)摘要：对基于电流变化率的短路检测技术进行了深入的研究，建立了基于电流变化率的短路检测保护技术理论。该技术与现有短路检测技术相比，采用不同的技术思路和理论基础，是以重创新技术，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，建立了数学模型，并在实际产品中检验了电流变化率短路检测保护技术的工作可靠性。Abstract：Researchingonshortcircuitdetectiontechnologybasedoncurrentvarianceratio,wegetatheoryofshortcircuitdetection&protectingbasedoncurrentvarianceratio.Newtechnologythoughtandtheorybasiswereadopted,comparingwithpresenttheoryonshortcircuitdetection,thedivisionproblemofthevarietyfaultcurrentwaveformbetweenshortcircuitandothers,andtheproblemofidentifyingbreakcurrentwaveformofshortcircuitfromdisturbanceweresolved.Amathematicalmodelwasmade,andthereliabilityofrealproductbasedonthistheorywasvalidated.关键词：短路保护；检测技术；综合保护；故障诊断Keywords：Shortcircuitprotection,dictiontechnology,integratedprotection,faultdiagnosis中图分类号：TP1文献标示码：A文章编号：前言国内外现有的短路检测保护技术，短路检测大致分为三种主要方式：一是基于检测短路电流大小的过流保护技术，这种过流保护按照躲过电动机的最大启动电流的原则进行整定，在供电线路长时，线路末端短路时，短路电流很小，保护的灵敏度受到限制；二是基于相敏原理的短路保护技术，国内外研究较多，也比较成熟，虽然解决了保护灵敏度的问题，但此种技术只能保护三相短路，两相短路不动作；三是基于载频原理的短路保护技术，国内在煤矿煤电钻综合保护器中应用较多，此种保护对线路参数（电缆截面、长度和电源变压器等）要求严格，线路参数变化时易发生误动作，可靠性差。基于电流变化率的短路检测保护技术，是利用线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。此技术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拟解决的问题基于电流变化率的短路检测保护技术，必须解决两个关键性问题：一是区分短路故障电流波形变化与其他故障电流波形变化的差别。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。二是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，可能使检测产生错误识别。2数学模型供电网络中，正常时线路电流：)(Iitsinmm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is，其值可由短路回路的微分方程确定：2)(sinURddLmsstiti为一阶常系数非齐次微分方程，解为：)(sinIspemappestiiisTtspemm)]e-sin(I-)-sin(I[式中Um——电源相电压的幅值；Im——短路前负荷电流的幅值；φ——负载的阻抗角；θ——发生短路瞬间电源电压的初相角；ipe——短路电流周期分量；Ipe.m——短路电流周期分量幅值，即22mmpe)L(RUI；iap——短路电流非周期分量；φs——短路回路的阻抗角，即RLarctans；Ts——短路回路的时间常数，即Ts＝L/R。短路电流的周期分量随时间按正弦规律变化：)(sinIspempeti短路电流的非周期分量随时间按指数规律衰减:sTtspemmap)]e-sin(I-)-sin(I[i可以看出：短路电流由两部分组成，一是短路电流的周期分量)(SmtsinI，一是非周期分量，两者合成，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，其波形的变化率dtdis将会很大。如图1所示。设：供电系统变压器容量4kVA，电缆截面积6mm2，长度L=300m、控制额定电压127V，功率1.5kw煤电钻一台，功率因数cosφ=0.83，如图2所示。ipeu0Iapiaptiimis稳态i图1短路电流暂态过程波形Figure1Transientwaveformofshortcircuitcurrenttidds大暂态IpeM~660v127v煤电钻综合保护装置s3×6+1×6—300图2系统接线图Figure2Systemwiringdiagram3系统正常运行的状态下负荷电流为：)t(sinImmi)t(sincos3uP)t(sin83.012735.1)t(sin2.8系统在末端短路时，系统阻抗最大，短路电流最小，保护应可靠的动作，设在t1时刻系统发生短路，短路电流：)(sins222mappestLRUiiisTts222m222m)]e-sin(R-)-sin([LULRU查：6mm2电缆R=1.45Ω忽略电感；最不利的情况下：系统时间常数Ta=0.05s，φs=900，θ=00，t=0.01s，则短路电流的冲击值为：)t(sin045.1127is2s0.050.01s22)]esin(01.45127)sin(045.1127[－－A221is系统电流波形见图3，局部放大波形见图4。可以看出，短路电流的电流变化率dtdIs远远大于其它电流的变化率。当时间△t趋近于无穷小时，可以认为：即：实际系统中我们取△t＝0.00001s，可认为：为使保护可靠，取系统末端短路电流is=100A，△t=0.00001s，代入电流表达式)-t(sinIims，算出各时间的电流值，以此为依据编写程序。当φ90o，即电流处于正半周的下降段短路时，正常的电流瞬时值减少，如此时短路，短路电流会突然大大增大，更有利于对电流变化率的检测与区别。电流波形见图5，局部放大图见图6。以上是电流的正半周短路的波形分析，电流的负半周可以采用全波整流的方式把负半周波形以横轴镜像处理后，按同样方法处理即可。短路电流负荷电流△t△is短路电流图4短路电流波形（局部放大）Figure4Waveformofshortcircuit(partialenlarged)图3短路电流波形Figure3Waveformofshortcircuitit0短路电流负荷电流t1△ttitiddss△△titti△△△sslmit0ddtitiddss△△4CBARX1-3RX4-6CX1-3图7阻容滤波电路Figure8Circuitofresistor-condenserfilter根据以上数学模型，用单片机技术检测电流，计算出故障状态下短路电流的变化率，以此数据为依据开发单片机程序，设计单片机电路，单片机输出通过接口电路控制执行元件，达到快速开断故障的目的。3干扰电流突变与短路电流突变的识别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两种方法解决。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，如图7所示，设计单片机滤波程序，在0.1ms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。通过试验，选择了在0.1ms内连续检测10次电流变化率的最佳连续检测次数方案。硬件滤波：就是在供电主回路设置阻容滤波电路，滤除干扰杂波。滤波电路如图7所示。4创新点本项目建立了基于电流变化率的短路检测保护技术。该技术与现有短路检测技术相比，采用不同的技术思路和理论基础，是以重创新技术。5技术应用利用本技术，可根据被保护设备及线路的实际情况，开发出不同的电气保护产品。为了验证电流变化率短路检测保护技术在实际应用中的可靠性，项目组结合煤矿电气设备的特点，开发了ZBZ—4.0/660（380）Z型煤电钻综△t负荷电流短路电流△is图6φ90o短路时电流波形（局部放大）Figure6Waveformwhenφ90oshortcircuit(partialenlarged)it0短路电流负荷电流图5φ90o短路时电流波形Figure5Waveformwhenφ90oshortcircuit△t短路电流负荷电流短路电流干扰信号图7软件滤波波形示意图Figure7WaveformoffilteringbysoftwareN个△t5合保护装置，利用开发的新型煤电钻综合保护装置，检验了电流变化率短路检测保护技术在电气设备现场的工作可靠性。参考文献：[1]王久和.井下短路电流快速检测的研究[J].华北科技学院学报,2002(1):16-17.[2]王怀群.低压供电系统微机综合保护[J].煤矿设计，2001(6):15-16.[3]王宾，祝龙记.基于凌阳16位单片机的矿用电机相敏保护的实现[J].煤矿机械，2005(8)：115-117.[4]郭强,张玉献.相敏和远端短路保护装置在井下的应用[J].安徽科技,2004(11).[5]郗忠梅,等.智能型相敏保护在煤矿中的应用[J].山东农业大学学报(自然科学版),2004(1).[6]成凌飞，邹有明.新型快速断电煤电钻综合保护装置[J].煤矿机械，2004(6)：81-83.[7]王文清.煤电钻综合保护装置中短路快速取样技术的探讨[J].煤炭科学技术,1997(2):15-18.[8]权耀庭.无触点电钻综合保护装置的开发应用[J].煤炭科学技术,1998(6):30-32.[9]成凌飞，邹有明.基于单片机的煤电钻漏电保护设计[J].煤矿机械，2005(9)：16-18.基金项目：河南省2007年重点科技攻关计划项目，编号：072102240021第一作者简介：庞元俊（1951—），男，河南通许人，毕业于中国矿业大学自动化专业，研究方向：供配电技术，电力电子技术。联系方式：平顶山市水库路3号，平顶山工业职业技术学院科研处，Email:[e-mail]电话：0375-206729013937557609