无线传感器网络在矿井电网漏电保护系统中的应用研究

赵跃光

（大同煤矿集团轩岗煤电有限责任公司，山西 原平 034114）

煤矿井下高压供电系统采用6kV左右电压，使用过程中经常会出现漏电故障，是煤矿生产迫切需要解决的主要问题。有线供电网络漏电保护以其低廉的成本被大多数煤矿使用，但随着井下用电设备数量的增加，有线网络监控方式的缺点愈加突显，不但布置形式混乱，而且有些区域非常难布置，不能随用电系统进行调整，最主要的缺点是有线网络方式出现线路损坏时会影响漏电故障的监测。一旦出现漏电现象，煤矿井下瓦斯及粉尘等物质就随时有可能被引爆，所以当出现漏电故障时能够及时监测并反馈报警对煤矿供电系统尤为重要。无线传感器网络技术近年来发展迅速，主要的优点是不受空间布置的影响，且因其不存在线路连接所以故障率较低。将无线传感器技术应用于井下供电漏电保护系统，可以增加保护系统的监控效率和准确性，并且随时可以根据要求重新布置传感器的位置，简化了漏电保护系统的线路布置，增加了井下作业的安全性。本文针对煤矿高压供电系统，将无线传感器网络技术应用于其漏电保护系统，对无线网络硬件和软件进行设计，并验证了系统的可行性。

1 供电电网漏电分析

煤矿供电系统中电缆漏电故障占的比重较大，电缆使用过程中可能会由于受热或磨损而破坏绝缘层，发生单相接地漏电故障时，另外一相电路可能会击穿造成短路起火等事故。我国煤矿电网往往用的是中性点绝缘形式，当发生故障时仍可短时间工作，可用于排除故障。采用三相电网的供电电路发生漏电故障时，会产生三个等大同相的电流，被称为零序电流，漏电保护装置可以根据此电流来监测是否有漏电情况发生。

使用MATLAB软件可以通过电路图建立电网系统的数学模型，这种模型简单方便，并且能直观地反映问题。本文应用MATLAB软件在建立模型的基础上，对电网系统单相接地的漏电故障进行了电气仿真。在MATLAB里对供电电网正常运行情况下的模型进行仿真，得出无故障情况下的三相电网电压及电流特征曲线，如图1所示。由图1可以看到正常工况下三相电流及电压曲线都是对称分布的。

图1 无故障工况下三相电路电压及电流曲线

对三相电网其中一端设置单相接地故障，通过MATLAB仿真后得出的三相电路特征曲线如图2所示。可以看出发生故障的这相电路对地电压迅速降至0，该相电流立即升高成为短路电流，而其余两相电压立即升高成为线电压，电流也有所增加，三相电路特征曲线不再对称分布。

图2 单相接地故障发生时的三相特征曲线

图3 故障相接地零序电压及零序电流

进而再对发生单相接地故障的这相电路的零序电压和零序电流进行分析，如图3所示，由图可以发现，接地故障发生后，故障相的零序电压和电流立即产生，零序电压相位领先零序电流90°相位。由此可以验证出现单相接地故障时会产生零序电压，可通过检测这一信号的瞬时值来进行故障的判定。

2 漏电保护系统设计

2.1 系统硬件设计

漏电保护系统将无线传感器安装在三相电网的各个支路，如图4所示，一组传感器监测一条支路，当电路运行状态出现故障时及时处理并发出警报信号，传感器节点单独监测漏电信息，以此降低系统耗能。一旦出现故障，传感器节点会把位置发给协调器节点，经过处理后输送给系统终端设备显示。单独监测的传感器比有线网络监控传输损耗降低，减少了干扰，信号更加精确。

图4 无线传感器网络保护系统设计

无线传感器节点内部主要包括检测部分、处理单元及无线通信电路。通过内部的零序电压检测、收集电路故障的发生情况，并经过信号转换后送入处理单元；通过内部微处理器可以将采集到的信号进行处理和管理；通过无线通信电路完成处理信号的传输。在处理器的选择方面，应重点考虑其性能及成本等因素，综合考虑后本次设计系统无线传感器采用ATMEGA128型单片机作为处理单元。

2.2 系统软件设计

本设计的核心在于无线传感器的数据采集程序，经过上述三相电网中性点不接地的故障分析，启动信号选择为零序电压，通过零序电流对故障进行判定以及相应的位置确定，流程图如图5所示。

传感器通信协议采用ZigBee协议栈，通信时可由内部时间修改运行模式。通信开始前应设计初始化过程，包括寄存器及信道频率等。采用网络节点定位。

2.3 网络测试

创建网络成功后，液晶屏会显示输出网络工作正常等信息。开启无线传感器节点后，通过网络节点可以发送节点位置地址信息，如图6所示，由此证明了此无线传感器网络漏电保护系统可以正常工作。

图5 节点程序流程图

3 结论

文章通过分析当前煤矿供电系统的单相接地故障，提出将无线传感器技术应用于漏电保护系统。通过MATLAB软件分析了三相电网的漏电情况，得出漏电过程中出现的一些参数特征，将此特征作为无线传感器监测的要点，设计了基于无线传感器网络的漏电保护系统的总体框架，并通过实验进行了验证，证明此系统能够准确地监测供电系统的单相接地漏电故障，为改善煤矿供电系统漏电保护的研究提供了参考。

图6 系统接收信息