基于功率因数检测的矿井低压电网相敏保护的研究宋建成恒王雁欣安平交通大学电力设备电气绝缘国家重点实验室，710049 潞安矿务局王庄煤矿，046031STUDY ON PHASE\|SENSITIVE SHORT\|CIRCUIT PROTECTION IN UNDERGROUND LV DISTRIBUTION NETWORKSBASED ON DETECTING POWER FACTORSong Jiancheng Xie HengkunXi'an Jiaotong UniversityXi'an, 710049 ChinaWang Yanxin Li AnpingWangzhuang Colliery, Lu'an Coal Mining BureauXiangyuan, 046031 ChinaABSTRACT Beginning with the importance of installing short circuit protective system in underground LV cable distribution networks, the principle of phase\|sensitive short\|circuit protection on the basis ofmeasuring power factor is presented in this paper, the definition methods for its action curve and all factors to interfere with action reliability is analyzed and discussed. Besides, the hardware structure and software flowchart of the protective system controlled by single\|chip microcomputer is also described in this paper. The protective system has been tested and applied to underground explosive\|proof feeder switchgear. It has been proved that this protective system is stable and reliable and is of great applied value in mining industry.KEY WORDS Underground LV cable distribution networksPhase\|sensitive short\|circuit protection Short\|circuit current Power factor摘要文章从煤矿井下低压电网中装设短路保护的重要性入手，描述了基于功率因数检测的相敏短路保护的工作原理。
分析并讨论了其动作特性曲线的确定方法以及影响动作可靠性的各种因素，介绍了以单片机为中央控制单元所构成保护系统的硬件结构和软件框图，对保护系统进行了测试试验并将其应用于矿用隔爆型真空馈电开关。
实践证明,该保护系统性能稳定，动作可靠，具有广阔的应用前景。
关键词矿井低压电网相敏短路保护短路电流功率因数短路保护是煤矿井下供电系统中的三大保护之一［1］，它是一种保证供电可靠性和安全性所必需的保护措施。
然而在我国煤矿井下供电系统中至今仍在沿用传统的鉴幅式继电保护或电子保护［2］。
这种保护整定误差大，动作时间长，可靠性低，尤其在用于馈电线路中的短路保护时，若要保护全线路，则应按保护围末端最小短路电流整定, 要求整定值小，因而使大型电动机起动时易造成保护误动作; 若要躲过起动电流，则要求整定值大，此时将不能保护线路全长而且灵敏度较低［3］。
另外在馈电开关附近短路时，其他开关往往会由于母线电压降低而造成误动作，无横向选择性［4］，远不能适应现代化煤矿供电系统监测监控的需要。
针对上述缺陷，本文研究了以单片机为中央控制单元的基于功率因数检测的相敏短路保护，建立了相敏短路保护的数学模型，分析了其作用原理，设计了硬件和软件电路，并将其应用于矿用隔爆型真空馈电开关［5］，验证了其有效性和实用性。
2 相敏保护的数学模型在煤矿井下供电系统中，现有隔爆型馈电开关中的短路保护大多是根据电流幅值整定动作值，其动作特性和大电机起动特性曲线如图1所示。
图1 鉴幅式过流保护特性和大电机起动特性Fig.1 Characteristics of short-circuit bymeasuring current magnitude and startingcharacteristics of large motor图中曲线3和2分别为供电系统不同整定值下的保护特性，a、a′、b、b′和c、c′分别为对应曲线的反时限、定时限和速断保护区，曲线1为大型电动机起动时的起动电流特性。
由图1可见，只要电流超过其整定电流，保护便立即动作，执行机构跳闸。
在大型电动机起动时，最大起动电流可能超过其整定电流，此时会引起保护误动作。
煤矿井下供电系统中的负载均为感性负载，在大型电动机起动时，功率因数比较低，而在短路故障情况下，功率因数则很高，所以采用基于功率因数检测的相敏保护原理不但可提高短路保护的灵敏度，而且还能保证其动作的可靠性。
由于功率因数和短路电流的鉴别方式不同，相敏保护的动作特性也不完全相同。
图2为一般相敏保护的保护特性。
图2 鉴幅、鉴相保护特性Fig.2 Protective characteristics of magnitudeand power factor discrimination respectively图2中，1为单独鉴相式保护特性，2为单独鉴幅式保护特性，显然存在保护死区，3为鉴幅值和鉴相值相乘后所构成的保护特性，即I*cosφ＝C(1)由式（1）可见，只要选择合适的常数C, 此时的保护区较单独鉴幅、鉴相的保护区大。
为了躲过大型电动机的起动电流而又使保护在正常运行方式下当保护围发生短路故障时能可靠动作，则必须确定合理的保护动作区。
图3给出了典型煤矿供电系统短路电流、功率因数和短路点距电源距离之间的关系曲线。
图中I*＝I sh/I smax，I sh为短路电流，I smax为供电系统最大短路电流。
图4给出了鼠笼式电动机起动电流与功率因数之间的关系曲线，其中I s*＝I s/I n, I s为电动机的起动电流，I n为电动机的额定电流。
图3 短路点至电源的距离与短路电流、功率因数的关系曲线Fig.3 Characteristics of cable length and short-circuit current, power factor将图2、图3和图4画于同一坐标下可得到短路电流、起动电流和功率因数之间的关系曲线，如图5所示。
图5中，A为短路电流相对值与功率因数的关系曲线，B、C为不同起动电流的相对值与功率因数的关系曲线，D为鉴幅、鉴相相乘的临界动作曲线，E、F为取不同系数C1、C2时，鉴幅、鉴相相“或”的临界动作曲线。
图4 电动机起动电流与功率因数的关系曲线Fig.4 Characteristics of starting currentand power factor图5 短路电流、起动电流和功率因数的关系曲线Fig.5 General characteristics of short-circuitcurrent, starting current and power factor在图5中，短路电流和起动电流相对值都是以供电系统可能发生的最大短路电流为基准。
由此可见，传统的鉴幅式短路保护要躲过起动电流，将使保护围大大缩小。
例如，电流动作值取I*＝0.25时，保护围小于500 m。
然而，对于单纯鉴相式保护，若要保护线路全长，即动作整定值为cosφ＝0.4, 则电动机起动时可能产生误动作。
若要躲过起动电流，则不能保护距离较小的围发生的短路；如取动作整定值cosφ＝0.8,则在保护围200 m短路时将会产生拒动作。
综合考虑这两个因素，就既能避免电动机起动时的误动，又能保护线路全长。
曲线D是两者相乘为一常数所确定的临界动作曲线，即I**cosφ＝C由式（2）可以看出，取不同的常数C，可得到不同的临界动作曲线，只要常数选择合理，就可以取得满意的保护效果，图5中的曲线D取C＝0.1。
然而从图中也不难发现，动作界限的选择余地是比较小的。
将鉴幅、鉴相所得到的值分别与常数C1、C2相乘后再相“或”，即C1*I*＋C2*cosφ＝1(3)选择不同的常数C1、C2，可得到不同的临界动作直线，如图5中直线E、F 所示。
根据电网负荷大小选择不同的C1、C2，可得到不同的动作区，这样可以取得最佳的保护效果，它不但有较宽的动作界限选择余地，而且有很高的动作灵敏度和可靠性。
图6中直线E是C1＝1和C2＝1时的临界动作线，直线F是C1＝1.25和C2＝0.9时的临界动作线。
3 保护的硬件和软件设计使用模拟式分离元件来实现上述保护功能，其电路是相当复杂的，而且可靠性比较低。
用单片计算机作为中央控制单元，再配合相应的波形处理、信号转换等电路，可完成矿井供电系统的相敏短路保护，其硬件框图如图6所示。
图6 保护电路原理框图Fig.6 Schematic diagram of hardware circuit系统电压经传感器和波形变换后得到周期为2π的方波信号，如图7(a)、(c)所示。
故障电流经电流传感器和波形变换后也是周期为2π的方波信号，如图7(b)、(d)所示，只是电流方波滞后于电压方波，滞后角度为φ，这就是功率因数角。
电压、电流方波经波形逻辑处理，然后再经光电耦合、全波相位合成为周期为π的脉冲序列，如图7(e)所示，脉冲宽度即为要检测的功率因数角。
同时故障电流经整流、滤波、V/F转换后向单片机提供幅值信号。
CPU对脉冲信号和电流信号进行检测、计算并判断线路所处的工作状态。
对不同的供电线路，其电源容量、负荷大小是不同的，系统的最大短路电流也不同。
为了计算线路电流的相对值并比较其过载程度，又考虑到现场操作方便，本保护系统设计了额定电流和最大短路电流整定值输入接口，操作人员只要按实际使用系统输入此参数，CPU在软件支持下会自动完成过载和相敏短路保护功能。
图7 功率因数测量波形Fig.7 Waveform for power factor measurement相敏短路保护软件是智能化真空馈电开关综合保护系统中的一中断模块，程序流程如图8所示。