3.3kV煤礦防爆組合開關控制技術研究

張萬澤

【摘要】 針對3.3kV組合開關控制系統集成化水平低、功能單一的問題，提出基于數字信號處理器（DSP）的數字化控制系統。在分析我國煤礦電網的發展需求和負荷控制設備發展狀況基礎上，以DSP為核心設計組合開關控制系統，并對電壓和電流檢測電路進行詳細設計。系統具有過載、斷相、短路等故障的保護功能，滿足煤礦3.3kV組合開關的控制的要求。

【關鍵詞】 煤礦 3.3kV 組合開關 控制 保護

富煤、少氣、缺油的資源條件，決定是我國以煤炭為主的能源結構。煤炭產業是我國重要的基礎產業，在國民經濟高速發展中起到不可替代的作用。伴隨煤炭的采掘技術不斷成熟，井下高產高效綜合機械化、電氣化工作面的不斷涌現，設備的總容量和單機容量不斷增加，對井下供電系統和負荷控制設備的安全性提出更高的要求。礦用啟動器是井下采掘工作面重要的電氣設備，具有過載、短路、斷相及漏電閉鎖等故障檢測與保護功能，在礦用隔爆型電動機啟動、運行、制動過程起到控制和保護雙重作用。

目前我國井下供電系統大部分為35kV的電壓經過井上中央變電所轉變成6kV或10kV電壓，通過雙回路供電系統至井下動力變壓器后轉變成380V、660V、1140V或3.3kV的電壓，最后經過組合開關、饋電開關等配電設備為采煤機、通風機、帶式輸送機等電器設備提供電能。在采掘技術不斷成熟和裝備制造業高速發展的推動下，井下用電設備容量不斷提升，1140V電壓等級供電系統允許電流達到極限，嚴重影響生產效率和井下的供電安全，為了適應我國井下采掘功率不斷提升的需求，我國將井下供電系統提升至3.3kV電壓等級。3.3kV供電系統的成功運行標志著我國井下供電系統電壓升級的順利完成，為我國高產、高效現代化礦井的建設提供技術保障，同時也縮短了我國煤礦供電系統與國際先進水平的差距。

一、組合開關

電磁啟動器是集短路、過載、斷相和漏電閉鎖等功能于一體的單臺電動機控制裝置，而組合開關是具有多臺電磁啟動器的功能的多臺電動機同時控制裝置。它簡化了各個單體啟動器之間的電纜連接，縮小了設備體積，便于設備集中控制與維修。同時，可以根據現場需求選擇不同支路的組合方式，適應井下各種工作場合的控制需求，極大地促進了機械化綜采技術的實現。組合開關用于對井下綜合開采工作面進行集中控制和保護，其性能好壞直接關系到井下綜采工作面負荷的可靠運行。

在煤礦井下電動機負荷控制從電磁啟動器到組合開關經歷了三個階段：第一階段，20世紀70年代初期，單路電磁啟動器階段，采用空氣接觸器進行通斷控制，基于熔斷器、熱繼電器保護的保護方式，設備功能單一、可靠性低，嚴重制約井下生產安全；第二階段，20世紀80年代到90年代初期，JDB系列多回路電磁啟動器階段，實現單啟動器多負荷控制，具有漏電閉鎖、過載、短路等故障的檢測功能，但通過分立元件實現保護，分散性大、安全性低，不能滿足井下安全生產需求；第三階段，20世紀90年代后期，電子式集中組合開關階段，伴隨電力電子技術的高速發展，PLC、單片機逐漸運用到組合開關產品保護系統中，提高了組合開關的性能和集成度，但保護原理簡單、故障率高、不能結合先進的控制算法進行運行狀態評估。

數字化控制技術具有控制精度高、運算速度快、算法運用靈活等優點，在工業控制和電力系統中具有廣泛運用，也是礦用組合開關保護技術的發展趨勢。將數字信號處理器（digital signal processor，簡稱DSP）和PLC相結合開發微機保護平臺，既解決了PLC交流信號采樣難的問題，也可以將先進的控制算法應用到礦用組合開關的保護系統中，為實現組合開關智能化操作奠定基礎。

3.3kV八組合開關由防爆外殼、真空接觸器、隔離開關和控制電路組成（如圖1所示），主回路包含八條支路，每四個支路配備一臺隔離開關，每個支路負荷配備一臺真空接觸器和一套控制電路，其中隔離開關作為設備的總電源，在故障檢修時起電氣隔離作用；八個真空接觸器實現對各個支路電動機起停控制；控制電路（1-8）負責監測系統故障，并進行保護和控制。

三、控制系統設計

3.3kV煤礦組合開關控制系統根據外界指令對電動機進行驅動控制，并對傳感器發送的信號進行調理和運算，同時具有故障檢測、封鎖和發送功能。控制系統主要包括高精度傳感器、信號處理電路、DSP最小系統、控制面板、顯示屏及CAN通訊電路，其中高精度傳感器由電流傳感器、溫度傳感器、電壓傳感器組成的傳感器組，負責采集組合開關主回路的電壓、電流和溫度等信號；信號處理電路將原始信號濾波并轉換成DSP可以接收的信號；DSP最小系統是控制系統的核心，用于信息采集和運算處理，并將故障信號發送給遠程的上位機監測系統；CAN通訊電路是DSP控制系統與遠程監測系統信息傳輸的紐帶，實現DSP與上位機之間的信息傳輸。

3.1 電流檢測

電流檢測電路為系統過載、短路故障提供判斷數據，采用400：1和5A/2.5mA兩級電流互感器將繞組大電流信號轉變成小電流信號，然后經過信號調理電路轉換成DSP可接收的信號。電流調理電路如圖3所示，其中Ia+、Ia-為經過400：1和5A/2.5mA兩級轉換后的小電流信號，R1為低溫票的信號轉換電阻，將電流信號轉變成電壓信號，R2、R3為限流電阻，放置電流過大而燒毀芯片，電容C1、C2、C3為濾波電容，起到信號平滑處理作用，Im、In為電流調理電路輸出信號，直接與DSP的模擬信號輸入端口相連接。

3.2 電壓檢測

電壓檢測電路用于實時檢測主回路的電壓信號，為DSP系統欠壓、過壓保護提供原始數據。由于井下中性點不接地，所以直接從主回路三相變壓器（3300：110）二次側輸出信號中性點取出A相電壓的信號可能出現溫漂現象，導致A相電壓讀取有較大誤差所以采用移相電路進行處理，使得DSP接受的信號相位與A相實際情況相符，電壓調理電路如圖4所示。

四、結束語

通過對我國煤礦井下電網容量需求和負荷控制技術的發展歷程的分析，設計3.3kV組合起動器控制系統，系統能夠實時監測電動機電壓、電流和溫度等參數，DSP對主要運行參數進行運算和處理，同時利用CAN通信電路將系統運行狀況發送給遠程的監控系統。

參 考 文 獻

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