基于STM32F103ZET6處理器的低壓電氣設備監測系統設計

喬喆

(晉城市煤炭煤層氣工業局， 山西 晉城 048000)

0 引言

礦井下低壓電路網是煤礦供電的重要方式，而其低壓電氣設備受到煤炭、巖石、機械設備的擠壓碰撞，對其造成損壞而發生漏電和接地故障;受礦井下潮濕且有可燃性氣體環境的影響的低壓電氣設備，若故障不能及時排除，可能造成設備損壞、人身生命安全、瓦斯爆炸等嚴重事故[1-2]。我國井下設備的保護經歷機電保護階段、半導體階段、微機式保護階段，并隨著數字化信息技術、自動化與智能化技術的發展，使得目前井下低壓配電線路面臨的一些問題可以通過微機的自動化監測、保護、預警等功能及時解決。因此，研究設計一種在礦井惡劣環境下依舊能正常安全生產的監低壓設備監測保護系統具有十分重要的意義[3-5]。

1 常見故障及保護

1.1 短路故障分析及保護

在煤礦井下低壓設備的供電系統中，以短路故障最為常見。其中短路故障根據故障類型又可以分為三相短路、兩相接地短路、兩相短路和單相接地短路，其中以單相接地短路故障發生的概率最大，約占其65%。由于礦井下工作要求的特殊性，變壓器中性點禁止直接接地，故礦井下的供電系統在發生單相接地短路故障時，會直接發生漏電電流。假設礦井下供電系統電源容量無限大，電網中d點處發生三相短路故障，其等效電路如圖1所示，根據對稱性對其中一項進行分析，可得短路前的電壓、電流為：

u=Umsin(ωt+θ)

(1)

i=Imsin(ωt+θ-φ)

(2)

圖1 三項短路故障示意圖

由圖1可知，左側回路仍為一個回路，每項阻抗由原來R+Rz+j(XL+XLZ)，減為R+jXL；右側電力沒有電源供給，它的電流從短路點開始衰減直至0，其線路經過一個暫態過程，設短路瞬間電流值為id,根據KVL方程得：

(3)

對上述一階常系數非齊次微分方程求解后，可得：

id=Izmsin(ωt+θ-φd)+[Imsin(θ-?)-

(4)

由式(4)看出,短路電流被分為兩部分，一部分呈正弦周期性變化，另一部分按指數隨時間而衰減。

針對礦井下短路故障，因兩相短路時的電流值在所有短路故障中最小，通常礦井下低壓饋電開關速斷保護電流值,其最常使用線路末端的兩相短路電流進行保證裝置的整定，即：

Iz≥IQe+Kx∑Ie

(5)

式中:Iz為速斷保護電流整定值；IQe為最大容量電動機的啟動電流；Kx為實際參數；∑Ie為其余電動機啟動電流之和。

1.2 過載故障分析及保護

礦上電氣設備的過載主要是指通過電氣設備的實際電流值超過規定允許時間內的額定電流值的一種非正常運行狀態，其電流大約為額定電流值的1.2～3倍，作用時間從幾十分鐘到幾個小時不等。礦井下發生過載的主要原因為電動機啟動力矩不足或負載過重時啟動；井下電網中電壓發生偏移；過載時設備產生的高熱量隨時間不斷累積，長時間運行會加速設備老化，甚至造成設備損壞。

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針對礦井下電氣設備的過載反應，采取反時限動作保護的原理，即可利用微機保護實現反時限的保護。由于礦井下配電設備負荷波動比其它地方較大，流過低壓開關中電流變化更加頻繁，相比于傳統三段式保護，反時限保護具有更多的動作選擇空間，延時動作更加準確，能保證礦井下低壓電網出現故障時安全、可靠、選擇性做出保護反應。同時，在利用反時限動作應對礦井下過載保護時，要充分考慮電氣設備熱量累積效應，防止給設備正常運行帶來不利影響。

1.3 漏電故障分析及保護

礦井下工作環境惡劣，負荷波動大，若電纜等電氣設備極易受到巖石煤炭的撞擊或擠壓，極易造成漏電故障的發生。目前國內對于礦井下供電系統采用變壓器中性點不接地系統中對漏電故障的定義,即井下供電系統總絕緣阻抗下降使得入地電流增大，甚至高達數10 A時，線路或電氣設備發生漏電故障。根據煤礦安全要求，礦井下低壓饋電線上為防止漏電故障的發生必須有檢漏保護或漏電保護裝置，而對煤礦井下低壓漏電保護裝置一般有如下要求：

1) 具有漏電跳閘和漏電閉鎖的雙重保證功能。根據工程經驗，對于額定電壓為380 V供電等級，漏電動作電阻的整定值為3.5 kΩ，漏電閉鎖電阻的整定值為7 kΩ；對于660 V電壓等級的供電，漏電動作電阻的整定值為11 kΩ，漏電閉鎖電阻的整定值為22 kΩ。

2) 漏電保護裝置在保證不發生誤動、不拒動、靈敏可靠的要求下動作時間短、速度快。國內礦井下對于漏電人身觸電的電氣安全參量為30 mA·s,同時隨著所用電壓等級的提高就更應保證故障發生時切斷故障的時間更短、速度更快。

2 低壓電氣設備監測系統設計

2.1 總體結構

本系統硬件電路系統將監測、保護、通訊、控制功能于一體，通過實時采樣監測電流、電壓等參數信號，當發生故障時能自動判別，輸出控制動作，同時給與報警功能，并通過人機接口進行上傳下達交互命令。該系統的主要組成部分為：主控模塊、數據采集模塊、開關輸入/輸出模塊、人機接口、通信單元等部分，其硬件總體結構如圖2所示。

圖2 系統硬件總體結構

2.2 主控處理器介紹

為適用礦井下復雜環境，監測系統以STM32F103ZET6為核心的嵌入式控制芯片，其性能相比于8bit單片機內核更為強大，功耗更低，專門實用于工業控制和消費電子等領域但成本其成本僅略高于8 bit單片機。STM32F103ZET6主控處理器特點為：

2) 擁有USART串口數為3個，通過此串口可以對指定的數據與外部連接設備進行通信連接。

3) 此芯片存儲器容量為521 KB，144個引腳，能同時輸出多路PWM控制信號。

2.3 采樣電路

該系統為保證所需采樣結果高度線性關系，對模擬信號的的采集利用小型互感器將一次側電壓、電流信號通過互感器變換成二次側的-7.07 V至+7.07 V之間的弱電電壓、電流信號，再利用高精度運算放大器與濾波器對信號進行調理與濾波，最后通過A/D變換器進行轉化。

系統采用RPT-206B型號的電壓互感器進行電壓信號采集，該電壓互感器體積與質量都小，相對方便進行電路板上的焊接工作。使用時只要調整輸入端限流電阻值大小便可將電壓信號變換為2 mA的電流信號，如圖3所示，R3、R6為限流電阻，R4、R5、C3、C4組成濾波電路，電容C6為小電容，用于去耦合濾波，運算放大器采用LM224。

圖3 電壓采樣電路

系統采用霍爾傳感器VSM025A完成對直流信號的采樣，該傳感器根據霍爾效應可以之間測量直流、交流、脈沖等信號波形，精度較高，針對礦井下復雜環境，其良好的線性度能出色采集所需信息。其接線圖如圖4所示，測量電阻R16根據所需待測電壓的大小確定，同時與R16并聯的二極管可以進行穩壓，防止電壓超過設定范圍。

圖4 電流采樣電路

2.4 驅動電路

系統的驅動電路設計中,增加變壓器對電路進行隔離，可以有效地防止全橋電路上橋臂上下驅動開關輸出占空比不同步而產生磁偏。該驅動電路通過互補對稱的設計完成輸入信號放大，效應速度快，帶負載能力高，可以對開關管進行驅動。增加的變壓器一方面起隔離作用；另一方面將驅動信號根據需求分為4份,同時驅動主電路的4個開關導通和關斷，大大地提高了效率。

圖5 驅動電路

3 軟件程序設計

系統軟件程序設計采用模塊化結構，主程序不斷進行循環掃描工作。系統由主程序監測、初始化與自檢程序、采樣程序、整定參數子程序、保護子程序、故障監測子程序、顯示子程序、通信子程序、故障處理子程序等模塊組成。將這些功能分別進行設計、編譯、調試，完成整體設計。軟件主程序流程如圖6所示。

圖6 主程序流程

系統先進入各模塊的任務初始化設定，例如中斷設定、寄存器設定、定時器工作方式、任務調配設定等工作，再進入自檢程序掃描，完成啟動前系統初始判斷。系統完成自檢后，每隔0.625 ms對系統各部分電壓、電流信號采集并整定計算處理，進入故障子程序完成故障類型識別，實時監測故障，并對故障進行判別、警報、顯示、處理等功能。

4 結論

通過對礦井下低壓電氣設備常見故障原理的分析，根據礦井實際需求，以STM32F103ZET6為核心處理器，設計了相關硬件電路并對采樣電路、驅動電路等詳細地說明，同時對軟件實現功能完成了主程序與子程序設計，從而確保整個監控系統的穩定運行。