礦用低壓饋電開關保護技術分析及應用方案設計

鄭艷紅

（大同煤礦集團機電裝備科工安全儀器有限責任公司， 山西 大同 037000）

引言

饋電開關是井下低壓供電系統的重要電氣設備，可實現對井下電網的故障檢測與保護，保障礦井低壓供電的安全性。而傳統饋電開關故障保護具有響應速度慢、可靠性和穩定性差等問題，隨著井下電壓等級、設備容量及工作安全性等要求的提升，傳統饋電開關保護技術對井下低壓用電安全構成較大威脅[1]。因此，開展礦用低壓饋電開關保護技術分析及應用方案設計十分必要。

1 礦用低壓饋電開關保護技術現狀分析

近年來，隨著科技的發展與進步，運用各種新理論和新技術提高了饋電開關的保護能力。其中，采用神經網絡技術提高故障診斷效果已成為饋電保護技術發展的重要方向[2]。

1）在饋電開關信號采樣方面。目前壓縮傳感采樣技術應用較為成熟，該技術利用固定的結構函數以兩倍關系對連續信號進行采集。相比于傳統的采樣方法，該方法所需要的傳感器和采集數據冗余度相對較少。將壓縮感知采集技術應用到饋電開關保護技術中，可增加保護系統的保護性能，實現了傳統數據采集的技術突破。

2）抗干擾方面。由于煤礦井下環境惡劣且干擾信號多，造成了礦用低壓饋電開關保護裝置發生較為明顯的誤動現象。因此，需要提高保護裝置的電磁兼容性，保證裝置即使在受到外界電磁干擾情況下，也能夠正常進行保護工作；同時，保證裝置自身產生的電磁干擾信號不對其他設備的正常工作造成一定影響，以保障系統功能夠正常運行。保護系統較強的抗干擾能力，保證了系統正常工作的連續性，降低了設備失效或誤導造成的損失[3]。

因此，隨著技術的進步與快速發展，綜合國內外保護技術發展現狀，將數字化、智能化、網絡化、抗干擾性等技術應用到煤礦供電保護系統中已成為未來發展趨勢，先進理論與保護裝置設計的有效結合設計出性能更好的保護設備。

2 礦用低壓饋電開關保護裝置基本要求

根據《煤礦安全規程》規定，煤礦井下低壓饋電線路上必須安裝漏電保護裝置[4]。因此，為保證供配電系統在井下惡劣環境下的正常工作，對饋電開關保護裝置做了如下基本要求：

1）安全性。饋電開關保護裝置主要是為了保證井下環境與人員的安全。因此，將安全因素作為衡量饋電開關是否合格的重要標準。在該裝置設計過程中，保護裝置應具有較好的速動性，保證人員具有較短的觸電電流及觸電時間。

2）功能全面。在礦用饋電開關保護系統設計過程中，應對系統進行過載、漏電、短路、斷相等保護功能設計。

3）可靠性。可靠性是指保護系統在其保護范圍內發生接地故障時，該裝置可以發出瞬時動作以避開故障線路；而在其他情況下則不發出動作。同時，要求保護器應具有良好的抗干擾能力，在外部干擾的影響下能做到不誤動、不拒動等功能，保證自身結構的完整性。

4）選擇性。在煤礦井下供電網絡中，將漏電閉鎖功能和選擇性漏電保護功能結合使用，通過減小停電范圍，對故障點所在的電路進行準確判斷，以保護裝置的完整性。

5）快速反應性。根據30 mA·s的安全指標和柯奧西撲卡公式t=30/IR（式中，t為人觸電時間，IR為人觸電電流）可知，在不同電壓等級情況下，可計算出人身體的最大允許觸電電流及最大允許觸電時間，如下頁表1所示。在設計過程中，應保證保護動作的反應時間不大于最大允許觸電時間。

表1 不同電壓等級下最大允許觸電電流與最大允許觸電時間值

3 饋電開關保護技術應用方案設計

3.1 系統功能分析

在系統設計過程中，將饋電開關保護裝置安裝在電網的饋電開關防爆腔內，通過控制斷路器，實現系統電路的通電與斷電，達到保護電路的目的[5]。結合生產現場，按照電氣原理圖，將各設備儀器進行連接，其關鍵設備及電氣連接圖如圖1所示。該系統的功能結構主要由電源模塊、信號預處理模塊、保護其核心模塊、電網參數信號采集轉換模塊、繼電保護輸出及其他各類模塊組成，具體如圖2所示。

圖1 饋電開關保護系統關鍵設備及連接圖

圖2 系統功能結構組成圖

在保護系統設計過程中，對整套系統進行了故障保護設計，其故障保護過程流程圖如圖3所示。在該故障保護過程中，通過互感器對電網故障信號進行采集，并將處理好的信號通過信號處理電路傳送至保護器，完成對信號的故障處理與判斷，利用驅動繼電器控制斷路器跳閘原理，實現系統故障保護。

3.2 系統硬件設計

該系統的硬件設計，以單片機技術為基礎，采用高性能的32位ARM嵌入式處理器STM32F103RB芯片設計，具有采樣電路簡單、性能高等特點[6]。該系統硬件的結構主要由電源模塊設計、通信模塊設計、采樣信號處理電路設計、液晶顯示模塊設計、開關量輸入輸出電路設計等部分組成，其系統硬件結構設計框如圖4所示。其中，系統的電源模塊是系統硬件中的關鍵部分，因此，在設計過程中，電源模塊考慮了不同等級的電壓和系統抗干擾措施。

圖3 系統故障保護過程流程圖

圖4 系統硬件設計框架圖

3.3 系統軟件設計

饋電開關保護系統采用功能較多的移植開源μC/OS—Ⅱ嵌入式操作系統。該系統功能通過對操作系統的選擇與裁剪，根據任務模塊內容，完成系統功能的劃分及功能程序編寫。因此，該系統軟件設計以系統硬件設計為基礎，主要程序主要由數據計算處理、保護功能判斷與輸出、邏輯判斷、各類管理、人機操作等，軟件系統設計框架如圖5所示。該系統軟件主要由系統任務、系統內核、中斷服務程序、驅動程序、BSP等部分組成，在其設計過程中，需要完成操作系統的移植、任務的設計、應用程序及中斷服務函數編寫等內容。

圖5 軟件系統設計框架圖

4 結論

根據本文研究的設計方案設計的礦用低壓饋電開關保護系統具有較高的可靠性，解決了傳統饋電開關保護技術穩定性差、安全性低等問題。該方案為后期開展保護系統的詳細設計提供了設計思路，對提高系統的保護性能和井下用電安全具有重要意義。