摘要：分析了目前矿井低压电网漏电保护系统存在的不足，提出了基于电力载
波通信的新型选择性漏电保护实现方案，介绍了装置的组成和工作原理。实验证明，该
装置构成的漏电保护系统具有实时性强、选择性判断准确和可靠性高等优点。
关键词：漏电保护；选择性；电力载波；全波比相

0 引 言
煤炭生产主要在井下进行，大部分为电缆供电，环境恶劣、故障多，电缆线路经常发生单相漏电或单相接地故障⋯。设置完善的选择性漏电保护和采取切实可行的漏电保护措施可以大大提高井下供电的安全性和可靠性。《煤矿安全规程》规定，在煤矿井下低压电网中必须装设漏电保护或选择性漏电保护装置。
漏电保护的主要目的是，通过切断电源来防止人身触电伤亡和漏电电流引爆瓦斯煤尘。目前，现场使用的低压漏电保护装置主要有3种：①检漏继电器。利用附加直流原理实现漏电保护，不具备选择性功能，只能做总开关使用。优点是装有零序电抗器，可以补偿电网对地电容电流 J。② 零序功率方向型选择性漏电保护。总馈电开关采用附加直流原理。分开关的横向选择性采用零序电压和零序电流比相原理来实现，上下级漏电保护装置之间靠延时来实现动作的纵向选择性 ；分馈电通过检测零序电压和零序电流的大小来间接反映漏电严重程度。③ 检测直流的零序方向型漏电保护。为了弥补分馈电不能准确判断漏电电阻值的不足，在方案2的基础上，分馈电利用主馈电提供的附加直流检测漏电阻值。但是，目前各厂家生产的主馈电开关内漏电检测附加直流电源的极性和幅值不统一。因而很难做到不同厂家产品的相互兼容，给产品的互换带来很大困难。

1 保护原理
电力线载波(Power Line Communication，PLC)技术是电力系统特有的通信方式，是指利用现有的电力线(高、中、低压等输配电线路)，通过载波方式将模拟或数字信号进行高速传输的技术L4]。针对现有选择性漏电保护的不足，本文利用PLC技术将主馈电开关检测到的电网漏电电阻传送到各个分馈电(设置不同的通信地址)，各个分馈电开关利用零序比相原理和主馈电提供的漏电阻值两个判据判定漏电保护跳闸。为保证信号传输的可靠性和选择性，采用“相一地”形式作为载波通信传输通路，避免通过变压器传输耦合造成开关误动作。漏电保护系统框图如图1所示。
图1 漏电保护系统框图

2 硬件设计
2．1 电力线接口电路
PLC系统的核心是PLC芯片，国外多家公司已推出了自己的芯片。由于国外芯片是针对其自身的电网特性、结构设计的，而对我国的电网特性和市场需求难以发挥优势。PL3105是国内专为自动抄表、智能信息家电以及远程监控系统而开发设计的单芯片片上系统(System on Chip，SoC)，是一种集扩频模块和8051于一体、基于直序扩频技术开发的半双工低压PLC芯片，通信速率为500／250 b／s可选，载波的中心频率约为120 kHz，内嵌的载波通信控制单元具备在低压电力线上组网远程通信的强大功能；CPU通过配置寄存器来实现对载波通信的控制，接口方便；集成了完善的电压监测上电掉电复位看门狗电路，确保了工业环境下运行时系统的可靠性 J。图2为基于PL3105芯片的载波通信原理结构框图。
图2 载波通信原理结构框图
PLC所需的直接序列扩频调制电路已在PL3105芯片内集成，外围电路主要包括功率放大、滤波整形、谐振及二次滤波电路。功率放大、载波耦合及接收电路如图3所示。
(a)功率放大电路
(b)载波耦合及接收电路
图3 载波通信接口电路原理图

2．2 全波比相原理
在选择性漏电保护系统中，分支漏电保护单元间是通过比较零序电流与零序电压之间的相位来区分故障支路和非故障支路的。比较方法有半波相位和全波相位比较两种，本设计采用全波相位比较。图4为全波比相的原理图。零序电压经过电压跟随、滤波、整形，形成2个宽度为1T、周期为2,tr的方波信号，零序电流通过放大、滤波、移相和整形变换，形成2个周期为2,tr的脉冲序列。若零序电流和零序电压同相位，为故障支路；否则，为非故障支路。显然，全波比相提高了比较频率，因而提高了保护单元的动作速度。
发生漏电时图4各点的波形如图5所示。
由图可见，当本条支路发生漏电时，零序电流和电压经过比相在G5点产生尖脉冲，此脉冲经过电压比较器后在G6点输出周期为10 ms的负脉冲，该负脉冲输入单片机的外部中断引脚。若此时从主馈电得到的漏电阻值达到规定要求(1 140 V：20 kQ，660 V：11 kQ)，则单片机驱动保护继电器动作，开关跳闸，动作时间<10 ms，远小于标准规定30 ms。但是在试验过程中发现，只检测1次负脉冲有时会出现误动作，实际使用中为了兼顾系统的可靠性和快速性，软件修改为只有单片机连续检测到在22 ms内出现3次负脉冲时才认为是真正漏电，改进后用1 kQ电阻对地和直接对地分别作2O次漏电试验，没有一次误动作。

3 结 语
本文提出了一种新的基于PLC和全波比相的选择性漏电实现方法。试验证明，该方法不仅具有稳定的漏电电阻值，而且具有动作速度快和选择性判断准确等优点，具有良好的应用前景。