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2毕设说明书
摘要
本次设计是关于ABD-400数字式电动综合保护器测试系统设计。
首先了解保护器的保护功能，以及继电保护在煤矿井下的具体保护。
然后根据保护装置的测试方法及原理设计该保护装置的硬件测试系统和软件测试系统，以及对保护装置专用箱的设计。
最后，根据设计好的测试系统对ABD-400数字式电动机综合保护器进行短路保护、过载保护、过流保护、漏电闭锁保护以及断相保护进行测试，绘出该保护装置的流程图。
关键词：
测试系统设计；继电保护；专用箱
Abstract
ThisdesignisontheABD-400DigitalTestSystemMotorProtector.Firstofallunderstandtheprotectorofprotection,andrelayspecificprotectioninundergroundcoalmine.Thenundertheprotectionofthetestingmethodsandprinciplesofdesignoftheprotectionsystemofhardwaretestingandsoftwaretestsystems,aswellasthedesignofprotectiondevice-specificboxes.Finally,thedesignedtestsystemABD-400DigitalmotorprotectionelectricdevicesforShort-circuitprotection,overloadprotection,overcurrentprotection,leakageblockingprotection,drawaflowchartoftheprotectiondevice.
Keyword:
Testsystemdesign;relayprotection;specialcase
目录
摘要I
AbstractII
1绪论1
1.1课题研究的意义和背景1
1.2国内外技术研究现状及发展趋势2
1.3煤矿井下用电设备介绍2
1.4本课题设计的主要内容3
2煤矿井下的继电保护5
2.1短路保护5
2.2过载保护5
2.3漏电保护6
2.4断相保护7
3ABD-400数字式电动机综合保护器简介8
3.1技术数据8
3.2保护功能8
3.3主要性能指标10
3.4保护原理10
3.5工作原理13
3.6引脚信息13
4保护器测试系统设计15
4.1保护器测试原理15
4.2保护器测试系统的结构15
4.3测试系统设计目标16
4.4A电缆与B电缆引脚分析17
4.5大电流发生器的分析18
4.6专用箱设计20
5保护器测试流程22
5.1总体流程图22
5.2短路保护测试流程图23
5.3过载保护测试流程图24
5.4过流保护测试流程图25
5.5漏电闭锁测试流程图26
5.6断相保护测试流程图27
结论28
致谢29
参考文献30
附录A32
附录B33
附录C34
1绪论
1.1课题研究的意义和背景
煤是重要的能源之一，担任着保证国民经济良好快速发展的重要任务,是生产力发展的重要力量。
煤矿井下的负荷等级为一级负荷，如果发生中毒、爆炸和火灾等情况，将严重威胁到国家正常的生产生活活动，并且直接威胁到矿井下工作人员的生命财产安全，以致发生重大的生产安全事故。
因此，煤矿的生产安全是一个不容忽视的重要问题，需要引起我们的强烈重视。
根据资料记载，在已发生的矿难中，有很多事故是由煤矿中使用的用电设备发生故障而导致，这些让人悲痛的事实给我们敲响了警钟。
因此，确保煤矿中使用的保护器拥有良好的质量保证就显得尤为重要。
煤矿井下大型用电器主要由采区各个设备的电动机组成，所以ABD-400数字式电动机综合保护器在井下会被大量使用。
煤矿井下工作环境有较高的复杂性和多样性，包括如下的特点：
⑴正常工作环境下，为了保证供电的连续性，矿井电源应采用分列运行方式，一回路运行时另一回路必须带电备用；⑵具备专用一级负荷电源线路；⑶井下空气中含有易燃易爆的瓦斯和煤尘，极易引发事故；⑷设备对地泄漏电流可能引发电雷管爆炸；⑸井下空间狭窄导致的人体易触电问题；⑹冒顶、片帮事故可能损害电缆等电气设备；⑺井下的不良条件易使设备受潮；⑻有些硐室、巷道温度高，设备散热条件差；⑼采掘设备的启动、移动频导致的短时过载；⑽为了防止出水事故的发生，排水设备对供电要求提出较高要求；⑾井下停电可能引发瓦斯聚集、水淹，故对排风扇、抽水机的供电安全性和稳定性提出较高要求，这类事故一旦发生将对正常生产和人身安全造成严重影响；⑿井下设备、人员流动量大，空间狭窄，容易对电缆等电气设备挤压磨损，造成漏电事故；⒀井下水大，容易产生泉涌事故。
因此对于ABD-400数字式电动机综合保护器测试系统设计，在保证煤矿安全运行中就显得尤为重要了，而且在设计的过程中必须考虑到线路的阻燃和设备隔爆这两个重要问题。
1.2国内外技术研究现状及发展趋势
国内外磁力起动器的发展相比，西方发达国家的磁力起动器控制技术起步早、发展快。
在西德，70年代初真空接触器就被应用到井下磁力起动器之中。
到了80年代，AEG公司和西门子建立生产了种类齐全的电动机电子综合保护器家族。
英国在煤矿井下低压开关控制方面的研究处于世界领先水平，于80年代末已成功将微型计算机技术应用于单体磁力起动器的控制之中，但其漏电保护的动作电流较大，达150mA，超过了我国煤矿井下人身触电时的安全电流指标。
普遍使用的开关及隔爆型磁力启动器经历了几个阶段的发展，到了后来熔断器和热继电器两种保护曾被人们大量使用。
由于保护器件本身的分散性特性及整定不当，导致保护的可靠性极差，已陆续淘汰。
后来研制的综合保护器，在保护功能上有了较大的发展和提高，除了过载、短路保护外，还增加了断相和漏电闭锁保护，进而被大量推广使用。
但它大部分采用传统的保护原理和分立元件，可靠性和稳定性仍然差强人意，加之元件质量不过关、井下环境恶劣、维修人员素质低和超负荷运行等不良因素，使得井下电机的烧损率依然比较高。
到目前为止，煤矿井下变电所1140V/660V低压开关和6KV高压开关的综合保护器仍大范围采用模拟综合保护器，过流、漏电、绝缘监视、短路等综合保护功能虽然可以满足基本要求，但仍存在体积较大，控制精度不够精确，修改保护整定参数不方便，缺少通信功能等缺点。
随着煤矿信息化水平的不断提高，矿井综合自动化系统与开关综合保护器联网的要求势在必行，因此必须对开关模拟综合保护器进行数字化技术升级。
现代计算机技术、网络技术和通信技术为改变煤矿井下电力系统目前控制、监视、保护和计量装置及系统分割的状态提供了优化组合和系统集成的技术基础。
高压、超高压变电站正面临着一场技术革命。
继电保护和综合自动化的紧密结合已成为可能，它表现在集成与资源共享、远程控制与信息共享。
随着微机性能价格比的不断提高，现代通信技术的迅速发展，以及标准化规约的陆续推出，煤矿井下继电保护的综合自动化成了热门话题。
1.3煤矿井下用电设备介绍
煤矿井下生产环境复杂，井下巷道狭窄，空间狭小，光线不足，存在冒顶、片帮、滴水及淋水等现象，空气中含有煤尘和瓦斯气体，而且潮湿高温，工作地点经常会发生变动，存在对人体不利的自然条件和特殊的自然灾害，电气设备和电缆易受砸压而使绝缘损坏，易发生触电事故，人员工作环境恶劣。
正是因为煤矿井下的特殊环境,我们将电气设备分为矿用一般型电气设备和矿用隔爆型电气设备,前者不具有防爆性能,适用于没有瓦斯、煤尘爆炸危险的场所；后者具有防爆和隔爆性能,适用于有瓦斯、煤尘爆炸危险的场所。
按工作电压高低分为低压电气设备和高压电气设备,井下电气设备大多属一类负荷和二类负荷,工作时的电流、电压都较大。
井下供电系统中有一些矿用电气设备，如移动变电站、相敏过流保护器、真空馈电开关、真空电磁起动器、真空本体、高压真空配电装置、高压电缆连接器、高压漏电保护装置、电动机综合保护器以及采煤机、掘进机、输送机、装载机、风机、液压泵、水泵等矿用电机。
这些常用的具体电气设备为：
变压器、高压开关设备、高压开关柜、低压配电装置、高压电器、漏电保护装置、矿用隔爆型移动变电站、矿用隔爆配电装置、煤电钻变压器组合装置、整流设备、矿用电缆等。
由于煤矿井下的环境恶劣，空气中含有瓦斯气体和煤尘，有爆炸等事故危险，防爆性能是矿用电气设备必须具有，危险场所必须严格按照规程使用防爆电气设备，以消除火花、电弧或高温热表面等点火源。
井下巷道、硐室和工作面空间狭小，此外，为了方便搬迁设备，要求矿用电气设备体积小，重量轻。
井下存在冒顶、片帮、滴水及淋水等现象，所以矿用电气设备的外壳要有足够的机械强度和较好的防潮、防锈性能。
井下电气设备起动频繁，负载变化较大，设备易过载，要求矿用电气设备应有较大的过载能力。
井下空气潮湿，易触电，故矿用电气设备外壳应封闭良好，有机械、电气闭锁及专用接地螺丝。
煤矿井下使用的隔爆型电气设备外壳必须有足够的坚固性，需要达到以下要求：
具有足够的机械强度，能承受机械撞击，能承受内部爆炸压力而不损坏，不产生影响防爆性能的永久性变形，外壳内产生可燃性混合物爆炸时不传爆。
在煤矿电气设备中，还运用了大量的电气开关，以作为接通开关和隔离电源的电气设备，设置不当会造成火灾，做好安全防火非常重要。
1.4本课题设计的主要内容
要研究ABD-400数字式电动机综合保护器测试系统，要求能对其插件进行各个保护功能的自动检测。
ABD-400数字式电动机综合保护器测试系统的硬件设计：
硬件系统的整体结构设计，初步计划采用由测试台、专用箱、大电流发生器、继电器、EDA模块构成的整个硬件系统；本论文按照测试系统的设计开发过程，对测试系统的设计和实现做了系统的阐述。
本论文的主体内容为四个章节：
第一章为绪论，主要对本论文的研究内容、目的、意义及研究现状作一一介绍；第二章主要阐述了煤矿井下的继电保护原理；第三章主要对被测对象ABD-400数字式电动机综合保护器进行了系统分析，包括保护器的原理图和引脚说明；第四章主要研究了ABD-400数字式电动机综合保护器测试系统的硬件设计方案；第五章重点阐述ABD-400数字式电动机综合保护器测试系统的软件件设计的相关内容；本论文的结尾对此次毕业设计进行了工作内容总结和本论文的研究价值，以及本论文中不足之处和在今后的工作中需要改进的地方。
2煤矿井下的继电保护
“过流保护、漏电保护和接地保护”是国家煤矿安全规程中所谓的“三大保护”，对保护井下工作人员的生命安全和电气设备的安全运转起到举足轻重的作用，同时还有漏电、断相继电保护。
2.1短路保护
短路是指电流不流过负载，而经导线直接短接形成回路，此时，流过电网的电流叫短路电流。
产生短路的原因：
线路运行中因绝缘击穿而造成短路、机械损伤、原因有异物砸伤、设备挤压以及防护不当等、误操作。
原因有不同相序的两路电源线或变压器并联；地面架空导线或母线，因鸟、兽的跨接造成短路。
当电器或线路绝缘遭到损坏、负载短路、接线错误时将产生短路现象。
短路时产生的瞬时故障电流可达到额定电流的十几到几十倍，使电气设备或配电线路因过流而产生电动力损坏，甚至因电弧引起火灾。
短路保护当电器或线路绝缘遭到损坏、负载短路、接线错误时将产生短路现象。
短路保护的动作时间要短，其动作值设定较大，在很短的时间内切断电源。
电磁式继电器和电子式继电器均可实现短路保护。
2.2过载保护
当电动机过载运行时，由于负载转矩大于电动机的额定转矩，所以电动机为了拖动机器运转强迫降低转速，以增大转子电流来提高电动机的电磁转矩，由于转子电流增加，引起定子电流增加，造成电动机损耗增加。
若电动机或电气设备长期过载运行，其绕组或电气设备的温升超过允许值使绝缘老化、损坏。
过载保护过载是指电动机的运行电流或电气设备的工作电流大于其额定电流，但超过额定电流的倍数小些。
通常是额定电流的1．5倍以内。
引起电动机或电气设备过载的原因很多，如负载突然增加。
过载保护的动作时间与过载电流大小有关，其动作值设定小于短路保护的动作值。
动作延时取决于过载程度，过载程度越大。
延时越短，过载程度越小；延时越长，此特性称为反时限特性。
延时环节由时间继电器构成，过载时，电流继电器动作。
其触点接通时间继电器线圈，经延时后时间继电器触点动作。
使执行机构动作，切断主同路电源，同时发出过载信号。
2.3漏电保护
在煤矿井下，矿用电动机供电系统常工作在危险、潮湿的不良环境中，工作人员常常要操作电机完成各项生产活动，工作人员与电机接触频繁，故比较容易发生漏电故障。
主要有以下原因造成漏电故障：
①井下环境较暗，巷道狭窄，工人工作时所使用的劳动工具（锹、镐、钎等）易将电缆割伤或碰伤，造成漏电。
②井下环境多潮湿，且矿用电动机可能使用多年，造成绝缘老化或潮气入侵，引起绝缘电阻下降，使正常运行时系统对地的绝缘阻抗偏低或发生漏电。
③另外，有可能因为开关长期不使用，由于接线板潮湿可能造成漏电。
煤矿井下供电电网发生漏电，不仅会引起人身触电，而且还可能导致瓦斯、煤尘爆炸，甚至引起电气雷管提前引爆，同时漏电易烧毁电气设备造成火灾，使短路故障进一步恶化。
因此，研究漏电的发生，采取切实可行的漏电保护措施，对于井下安全供电具有重要意义。
漏电保护分为一般性保护和选择性漏电保护。
选择性漏电保护简称选漏保护，保护器基于设定的监视电压和监视电流的灵敏度以及监视电流与监视电压的相位角（根据电网对地的分布电容自动跟踪补偿）来判断系统是否存在漏电故障。
一般性漏电保护是当开关负荷侧绝缘电阻低于保护装置的整定值时总开关、分支开关均能可靠地实现漏电闭锁功能。
2.4断相保护
我国煤矿井下电网普遍采用中性点不接地的运行方式，电气设备在运行中易发生断相故障，则三相就会出现严重的不平衡。
在三相电源中有一相断开，另外两相电流将达到额定电流的一定倍数，如不切断供电电源，时间一长同样会烧毁用电设备。
断相保护器多用在三相电机电路上，如果缺少一路电，电机扭力会变小，转子转速会下降，从而导致其它两路电流增大，烧毁电机绕组。
其原理就是通过不同手段，对三相电进行监控，如有断路情况，就会自动切断电源，避免烧毁绕组。
相保护器的类型大至分为通过监测各路电压控制通断和监测各路电流进行控制两种。
3ABD-400数字式电动机综合保护器简介
3.1ABD8-400数字式电动机综合保护器的技术数据
表3-1起动器技术数据
型号
TTQ400/1140（660）
额定电压（V）
3相,1140
额定频率（A）
50
配接电机最大功率（AC3）（KW）
400（2×200）
电寿命AC3负荷（万次）
AC4负荷（万次）
10
5
机械寿命
5
操作频率
10次/小时
起动时间
依负载的惯性自动设定
最大起动电流倍数
≤4倍电机额定电流
最大起动力矩
1.电流反馈方式：
大于等于1倍电机额定力矩
2.强力矩起动方式：
大于等于1.4倍额定力矩
起动方式
1.电流反馈起动方式
2.强力矩起动方式
防爆标志
ExdibI（150℃）
防爆型式
矿用隔爆兼本质安全性
重量（kg）
450㎏
3.2ABD-400数字式电动机综合保护器保护功能
本案电路采用安全隔离栅，为“ib”等级，其参数为：
最大开路电压12.2V，最大短路电流12mA，最大电缆长度500m，最大分布电感1mH/km，最大分布电容0.1µF/km
起动器有以下保护功能：
⑴短路保护
短路保护动作倍数分档连续可调，分别为开关额定电流的1倍、2倍/……、10倍，精度为±5%。
短路保护动作时间小于100ms。
⑵过流保护
过流保护特性为9-10倍整定电流，动作时间0.2~0.4秒，复位方式为手动。
⑶过载保护
保护器具有反时限保护特性。
电动机启动后，在带载运行时，保护器的过载保护特性将由冷态曲线向热态曲线过渡。
当过载保护动作断开电源后，保护器将由过载状态向冷态特性恢复。
约一分钟后，继电器吸合，允许再启动，而恢复到热态曲线的时间约5分钟，再热态曲线恢复到冷态曲线的时间约20分钟。
在过载后的恢复过程中，若启动电机正常运行，保护器将恢复到热态曲线。
若在这期间再次过载，则过载动作时间将由保护特性曲线当时所处的位置及过载程度而定。
表3-2过载保护性能数据
名称
负载电流整定值
动作时间
起始状态
复位方式
过载保护
1.05
长期不动作
任意
任意
1.2
5min≤t≤20min
热态（注1）
自动
1.5
1min≤t≤3min
冷态
自动
6
8s≤t≤15s
热态（注2）
自动
注1：
起始状态“热态”，是指保护器的电力互感器一次侧通以额定电流，使电子线路延时环节到达稳定电压时的状态。
注2：
起始状态“热态”，是指保护器电流互感器一次侧未通电流是的状态。
⑷漏电保护
表3-3漏电保护性能数据
主回路工作电压（V）
闭锁动作值（KΩ）
解锁动作值（KΩ）
660
22+20%
≥30
1140
40+20%
≥50
⑸断相保护
当一线（相）为0.6倍或1.6倍整定电流，二线（相）为整定电流时，动作时间3~10秒，复位方式为手动。
3.3ABD-400数字式电动机综合保护器主要性能指标
表3-4ABD-400数字式电动机综合保护器主要性能指标
保护类型
整定电流倍数
动作时间
起始状态
复位方式
过载保护
1.05
t≥2h
任意
任意
1.2
5min≤t≤20min
热态
自动
1.5
1min≤t≤3min
冷态
自动
6
8s≤t≤15s
热态
自动
断相保护
1.05
1s≤t≤4s
热态
自动
短路保护
8～10
0.25s±0.05
冷态
自动
主回路电压（V）
闭锁动作值（KΩ）
解锁值（KΩ）
漏电闭锁
1140
40+20%
≥50
660
22+20%
≥30
3.4该保护装置的保护原理
过载保护；
过负荷首先是反映在电流增加超过了额定值，所以可以通过检测电流来间接地测到电动机的温升。
所谓电动机温升是指电动机运行时，某部件的温度高出周围介质的温度称之为电动机某部件的温升。
温升Q是随时间按指数函数变化，我们可以用电容器的充放电按指数变化的规律来模拟电动机的发热温升过程。
因为电动机温升按下式变化。
当起始条件Q0=0时
Q=q／A（1一e-t/T）
式中q——电动机每秒钟的发热量；
A——每下降1℃时散到外界热量；
t——时间；
r——电动机发热时间常数。
电动机冷却时在起始条件Q0=Q∞情况下Q=Q∞e-t/T一式中
Q∞——电动机最终温升；
T——电动机冷却时间常数。
而电容两端电压的变化规律为
Uc=U（1一e-t/RC）
它们二者都是按指数规律变化，有相似之处.如果能实现电容器充电电压正比于电动机单位时间发热量，也就是正比于电动机负荷电流，的平方以及实现电容器充电时间常数T=RC，近似地等于电动机发热时间常数，则用来模拟电动机温升Q，从而用电子线路来实现过负荷保护是很理想的。
但是，由于从电流互感器取样的电压Q∞，所以有能做到理想的反时限，通常采用以下两种方法解决。
（1）尺采用外线性电阻，使得尺过的增加而下降；
（2）在互感器检测电路和RC延时电路中增加个延时电路，来实现近似平方运算。
本保护器电路就是采用第一种方法组成非线性电阻的RC充电延时过负荷保护电路。
电动机的过载分为“冷态”过载和“热态”过载两种；所谓“冷态”过载是指电动机从起动开始过载称“冷态”过载；从额定负荷开始过载称为“热态”过载。
显然“冷态”允许过载时间大于“热态”过载时间。
过载保护是反时限特性，它由RC时限回路、开关电路、出口电路和执行继电器ZXJ组成。
过流保护和短路保护：
过流保护其信号经整定电路整定后与基准电压比较，使比较器反转．R—S触发器触发，继电器动作，以实现保护。
短路保护其信号经整定电路整定后与基准电压比较，使比较器反转，R—S触发器触发，继电器动作，以实现保护。
短路保护其信号直接取自输入信号V。
经比较器比较来完成保护功能。
主回路漏电闭锁保护：
图5的电路保护功能是通过电桥法检测对地电阻值完成，即当对地电阻值降到规定值时，带有反馈电阻的比较器输出低电平，继电器释放．电路闭锁，当对地电阻值升到规定值时比较器反转．继电器吸合，电路解锁。
V=18V
660V
18K51K51K22K
51K51K51K
1140V
30V200K3.9M
图3-5电桥法检测电路
3.5ABD-400数字式电动机综合保护器工作原理
⑴保护器三个电流互感器、保护插件、插件底座和显示器组成。
在插件顶部有7个拨动开关，可按整定值表进行整定电流。
显示器上可显示过载、过流、断相、漏电等故障状态。
插件与底座之间用插头座连接，显示器和插件问也用插头座连接，便于安装使用。
⑵保护器的基本工作原理如框图所示。
图3-6保护器工作原理框图
短路检测
闭
过流检测
执行电路
锁
过载检测
电动机运
行模拟
V/f
变换
整
定
互
感器
断相检测
显示电路
漏电检测
电机运行电流经电流互感器送到整定电路的T形网络分压，而后由电压——频率变换电路产生一定频率的计数脉冲，由数字电路组成的电机运行模拟电路对电机运行状态进行测试，当发生过载时，根据过载程度经一定时间延时后使执行继电器动作，保护电机。
3.6ABD-400数字式电动机综合保护器引脚信息
表3-7ABD-400数字式电动机综合保护器引脚信息
线号
名称
输入/输出
开关量/
模拟量
模拟量的范围
电压量/
电流量
开关量的开和关对应状态
引脚
作用
4
36V辅助电源输入端
输入
模拟量
36V
电压量
____
向ABD8-400提供电源
6
36V辅助电源输入端
输入
模拟量
36V
电压量
____
8
电流互感器公共端
输入
模拟量
____
电流量
____
过流、过载、断相、短路输入量
9
电流互感器输入端
输入
模拟量
0~50A
电流量
____
续表3-7ABD-400数字式电动机综合保护器引脚信息
10
电流互感器输入端
输入
模拟量
电流量
____
11
电流互感器输入端
输入
模拟量
电流量
____
12
电源+VCC
输出
模拟量
24V
电压量
____
提供直流电源
13
过载显示
输出
开关量
____
1、警示灯亮
0、警示灯灭
五大故障信号显示
14
漏电显示
输出
开关量
____
15
断相显示
输出
开关量
____
16
过流显示
输出
开关量
____
17
短路显示
输出
开关量
____
20
插件继电器触点
输出
开关量
____
____
保护器与远控相连
21
插件继电器触点
输出
开关量
_
升级会员 