煤礦高壓防爆開關保護裝置設計與研究

藍 偉

（山西焦煤西山煤電股份有限公司鎮(zhèn)城底礦， 山西 古交 030203）

引言

隨著現代煤礦機械化和自動化的不斷的發(fā)展，采煤工作面的機械能力和礦區(qū)變電站數量的不斷增加。高壓防爆開關是輸變電的安全核心設備，該設備的可靠性和安全性對于整個礦區(qū)的安全有重大的影響。然而，井下常見的消弧線圈接地，容易出現高壓防爆開關漏電；保護裝置的運行精度在較低范圍內動作，采集的數據不精確會導致頻繁的誤操作，拒絕移動和泄漏發(fā)生時的不準確操作；特別是在過度補償的情況下，直接失敗，引發(fā)重大安全事故。

1 高壓防爆開關概述

高壓防爆開關在結構上主要包括防爆箱、斷路器和保護裝置三部分。防爆箱體分配布線室、隔離刀室和斷路器箱三腔，防爆箱由箱體、箱門、蓋板等組成。

高壓防爆開關的防爆箱為矩形，中間隔板將整個箱體分隔成三個防爆室。上室布線室的左右兩側有一個高壓電纜引入裝置。上室隔離開關室配有刀閘開關，并有顯示玻璃，便于了解內部情況。較低的房間配備電流互感器、電壓互感器和真空斷路器。右側的盒子分別配備了一個隔離開關閉合手柄、一個斷路器機械閉合手柄和一個機電鎖定裝置。

高壓防爆開關合閘通電15 s后，按下關閉按鈕，向下移動核心。永久磁力吸引到下端蓋的表面并保持在該位置在閉合位置，磁路由永磁體和圍繞它的可移動磁芯、下端蓋和外蓋組成。只要將芯體移動覆蓋表面，其外力也可以保持為零功耗。閉合過程中必須存儲斷路器的斷路器彈簧，并且在閉合過程完成之后，完成分閘彈簧的能量存儲。

打開位置是依靠打開彈簧拉動上蓋表面的活動芯，并將其保持在該位置，即打開位置。上端蓋不是鐵磁性材料，永磁體不能在其表面形成磁路，因此永磁體形成處于穩(wěn)定的閉合狀態(tài)。這也是單穩(wěn)永磁斷路器的名稱由來。單穩(wěn)態(tài)永磁體需要通過與閉合方向相反的流動形成相反的電磁場。該磁場降低了下端蓋與動鐵芯之間的接觸表面處的磁通密度并減小了閉合力。打開操作儲能在彈簧的反作用力下進行。表1為6 kV、10 kV的高壓防爆開關的技術參數。

表1 高壓防爆開關的技術參數

2 保護裝置總體結構設計

如下頁圖1所示，礦用高壓防爆開關保護裝置由ARM嵌入式微控制器、定時鑒別器、顯示屏和鍵盤操作電路組成。ARM嵌入式微控制器經過顯示電路，顯示在顯示器上，通過鍵盤控制電路，實現由鍵盤輸入指令參數，進行下一步數據采集功能，通過定時器觸發(fā)一定的周期內進行數據的采集和傳輸。ARM嵌入式單片機同時與精密整流電路結合進行電流信號的采集，開關的電壓信號經過內置的精密整流電路、通訊485電路，不斷通過控制電路制定動作、故障記錄存儲電路、時鐘日歷電路、控制器復位電路。定時鑒別器分別通過濾波幅度光隔離電路，連接到零序電壓互感器和零序電流互感器。

該礦用高壓防爆開關保護裝置還包括無線遙控器和液晶顯示器的無線連接，便捷的短距離遙控操作。

圖1 保護裝置總體結構

3 保護裝置工作流程

礦用高壓防爆開關保護裝置通過定時識別器完成泄漏判斷功能，而ARM嵌入式微控制器是整個保護器的控制核心，實現所有的數據采集保存和指令的觸發(fā)傳遞，除了泄漏判斷。并對變壓器得到的零序電流信號和零序電流互感器得到的零序電流信號進行濾波，并確定幅值。在光分離等之后，它被輸入到定時鑒別器并通過零序基波定時鑒別原理來判斷，是否收集和傳輸數據信息，實現故障線路動作，并向ARM微控制器發(fā)送故障信號；電流和電壓信號精密整流電路用于將交流電流電壓信號轉換成直流信號，供系統(tǒng)控制器ARM采樣，為系統(tǒng)故障保護提供依據，如設備過載、電路出現電流短路等。設備的過電壓轉換后的交流電壓信號由安裝在高阻開關中的電流和電壓互感器執(zhí)行。絕緣信號檢測電路能夠檢測電纜的絕緣程度。控制器ARM根據電壓信號的大小確定電力電纜的絕緣程度；相位檢測電路可以檢測到A相的電壓和電流之間的相位差，以便系統(tǒng)可以指示開關控制的功率因數。485接口電路用于實現485網絡通訊功能；開路控制電路用于向高阻開關提供緊密接觸信號；故障記錄存儲電路用于記錄操作員查看系統(tǒng)故障的時間和類型；時鐘日歷電路用作電子時鐘發(fā)生器生成包括年、月、日、小時、分鐘和秒的系統(tǒng)時間；LCD顯示電路用于顯示系統(tǒng)的各種參數；鍵盤接口電路用于連接系統(tǒng)的四個操作鍵，用于識別高壓防爆開關的控制器；控制器的復位電路在開關進行動作執(zhí)行和消除安全隱患后，確保保護裝置進行正常保護狀態(tài)。

4 結論

礦用高壓防爆開關綜合保護器的漏電保護功能是零序電流互感器得到零序電流信號。零序電壓信號經變壓器得到，經過濾波、識別和光學分離等處理后，被輸入定時鑒別器判斷其是否為故障分支，并替換當前微機選擇的排水功能，具有更高的可靠性和更快的動作，動作的準確度高達95%。此外，多CPU設計架構有效降低CPU的負載率，確保設備的穩(wěn)定性，并采用先進的ARM內核芯片作為主CPU，使保護裝置具有更快的處理速度、更強的保護和通信功能。