基于CPLD的矿井压选择性漏电保护装置.docVIP

基于CPLD的矿井低压选择性漏电保护装置 本文利用零序功率方向性原理，用EDA电子设计自动化技术，将延时电路、脉宽检测电路、时序检测电路、数字滤波电路等组合到CPLD可编程逻辑器件芯片中，与外围电路组成集成度高、抗干扰性高、选线准确、可靠性高的低压选择性漏电保护装置。该装置经现场实际运行，取得良好的效果。 1 概述 随着煤矿系统的不断发展，矿井因低压电网漏电而产生的触电死亡事故和各种由漏电引起各种事故也日益增多，故漏电保护也被列为保证煤矿井下安全供电的三大保护（过流保护、漏电保护、和保护接地）之一。 《煤矿安全规程》规定：井下低压馈电线上应该设有漏电闭锁的检漏装置或有选择性的检漏保护装置。我国从20世纪50年代末就开始研究矿井的漏电保护技术，先后经历了无选择性的漏电保护（总的漏电保护）和选择性漏电保护装置，形式上也从机械式发展到晶体管式和电子式漏电保护，直至发展到如今的智能化漏电保护装置，而选择性漏电保护装置的原理也具有多样性，其中零序电流方向型、零序功率方向型为主要的选择性漏电原理，目前也出现了信号注入法等方式；在信号处理方式上，有晶体管、集成电路、单片机选择性漏电保护的方式，但由于复杂的现场条件和各种干扰波、谐波的存在，或多或少影响着选择性漏电装置工作的准确性，也在很大程度上存在“误动”、“拒动”的现象。在研究了大量同类资料的基础上，本文利用零序功率方向型原理，设计了基于CPLD的矿用低压选择性漏电保护装置。 2 系统设计 (1)CPLD简介 CPLD是一种复杂的可编程逻辑器件，随着EDA（电子设计自动化）技术、ASIC（专用集成电路）、CAD技术的发展，CPLD以其编程方便、集成度高、速度快、价格低等特点受到设计者的青睐，其中Altera公司不仅具有PLD的一般优点，还具有高性能、高集成度、价格合理、开发周期短、有利于在线编程的技术优势。其中MAX7000系列是工业界中速度最快的高集成度可编程逻辑器件系列，它通过工业标准4引脚JTAG接口实现在线编程，各种逻辑关系可以方便地进行在线修改。 (2)煤矿低压供电系统漏电信号的采集 信号采集见图1。由图1可知，R1、R2、R3组成三相平衡负载，电网正常时，三个电阻的星点对地电压约为0V，当电网漏电时三个电阻的星点平衡偏移，此时星点对地电压升高，此不平衡电压为零序电压Uo。该电压从星点的接地电阻上取出，CT为精密零序电流互感器，当所在的支路发生漏电时，CT上感应出微弱的零序电流信号Io。 点击图片查看大图 图1 低压供电系统漏电信号采集示意图 (3)输入信号的处理 供电支路发生漏电故障时，所产生的零序电压Uo和零序电流Io均为正弦波，其波形形状和相位关系如图2所示，零序电压Uo超前于零序电流Io。波形转换电路如图3和图4所示，图3中C1和R1构成微分电路，主要作为滤波和波形移相，可将零序电压Uo相对于零序电流Io前移一定的角度；R3和R4组成比较器门限电路，可限制小的干扰信号通过。图4中所不同的是没有微分电路，这样可以使零序电压Uo超前于零序电流Io更大的角度，利用比较器电路分别将其转变成具有固定幅值的方波信号，处理后的波形形状和相位关系如图5所示。 点击图片查看大图 图2 漏电信号正弦波相位关系 点击图片查看大图 图3 零序电压Uo输入处理电路 点击图片查看大图 图4 零序电流Io输入处理电路 点击图片查看大图 图5 漏电信号方波相位关系 3 功能实现 本文选用MAX7000系列中的EPM7064SLC44-10芯片作为系统的核心部分，该芯片具有1250个可用逻辑门、64个宏单元数目和32个用户I/O口，计数器的工作频率可达178.6MHz，完全可以满足系统的集成和响应时间的要求。此系统可完成方波信号的输入处理和开关控制量（灯光显示信号、跳闸控制信号等）的输出，其具体的输入/输出控制和系统逻辑处理原理框图如图6所示。 点击图片查看大图 图6 逻辑处理原理框图 在图6中，漏电时所产生的零序电压信号Uo和零序电流信号Io经图3和图4比较器电路鉴幅整形后输入到CPLD芯片，图中虚线框内为CPLD芯片内电路的组成图，Uo和Io转换成具有一定相位差的方波先经芯片内部的数字滤波电路进行滤波。由于Uo和厶具有50Hz工频信号，在信号经过处理后所产生的方波频率也为50Hz，这样，Uo和Io的方波宽度约为10ms。在设计思路中，若将宽度远远小于10ms的方波信号视为杂波干扰信号滤除掉，则可提高系统的抗干扰性。 Uo和Io经过数字滤波后先经过一道门禁电路，在图6中Uo信号另一路经过精密整流电路后转换成了具有一定数值的直流电压信号，此电压信号