煤礦高壓開關(guān)保護(hù)系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)

盧 宏

（陽(yáng)煤集團(tuán)一礦，山西陽(yáng)泉 045000）

0 引言

煤礦井下移動(dòng)變電站是聯(lián)系煤礦井下中央變電站和采煤設(shè)備的重要設(shè)備，將中央變電站的電壓等級(jí)降低為綜采設(shè)備可以使用的電壓等級(jí)。移動(dòng)變電站的高壓真空開關(guān)既有故障診斷的功能，又有故障處理的功能，但是由于煤礦井下條件惡劣、工作環(huán)境差，井下用電設(shè)備漏電、短路、斷相等故障經(jīng)常發(fā)生。本文以stm32f103單片機(jī)為核心，對(duì)煤礦高壓開關(guān)保護(hù)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，在分析煤礦供電系統(tǒng)常見故障及故障原因的基礎(chǔ)上，確定保護(hù)實(shí)現(xiàn)方法，介紹主要硬件電路設(shè)計(jì)方案及軟件實(shí)現(xiàn)方法，提升煤礦高壓開關(guān)保護(hù)系統(tǒng)的選擇性和可靠性[1]。

1 煤礦供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

圖1 煤礦供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

煤礦供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，包括外部電源接入、煤礦地面變電站、井下中央變電站、采取變電所和工作面配電站等部分組成[2-4]。地面變電所中包含煤礦供電系統(tǒng)的主變壓器，可以接入外部10 kV或者35 kV等級(jí)電壓。外部電能經(jīng)過地面變電所的降壓處理后，輸送到煤礦井下中央變電所，進(jìn)行電能的分配。煤礦移動(dòng)變電站是煤礦供電系統(tǒng)中降壓處理的最后環(huán)節(jié)，輸出電壓等級(jí)為660 V或380 V低壓電，供給煤礦井下綜采設(shè)備、負(fù)荷使用。

2 煤礦供電系統(tǒng)故障分析

2.1 短路保護(hù)原理

短路故障是煤礦供電系統(tǒng)中常見故障之一，當(dāng)線路中出現(xiàn)短路故障，電路中的電流急劇增加，導(dǎo)致電纜溫度升高、煤礦井下發(fā)生火災(zāi)。因此，對(duì)于煤礦供電系統(tǒng)中的短路故障，需要及時(shí)切除故障，這對(duì)電力系統(tǒng)速斷保護(hù)的快速性有很高的要求[5-6]。圖2為故障點(diǎn)短路電流與線路長(zhǎng)度關(guān)系圖。由電路原理可知，線路中的短路電流隨距離的增加而變小，靠近發(fā)電機(jī)側(cè)的短路電流最大。

圖2 故障點(diǎn)短路電流與線路長(zhǎng)度關(guān)系

圖3 最小系統(tǒng)原理圖

2.2 短路保護(hù)故障分析

在不同的短路故障類型中，最大運(yùn)行方式下的三相短路電流在短路電流中的電流值最大，最小運(yùn)行方式下的兩相短路電流在短路電流中的電流值最小。因此，在保護(hù)開關(guān)處的電流整定值按照躲過下一線路的最大線路三相短路電流進(jìn)行整定，并取一定的可靠系數(shù)，保障故障切除的可靠性和速斷性。

3 硬件電路設(shè)計(jì)

3.1 主控制器選型

主控芯片選型為stm32f系列單片機(jī)，該芯片由意法半導(dǎo)體公司出品，屬于32位低端ARM控制器，可以滿足煤礦高壓開關(guān)保護(hù)的需求。芯片內(nèi)部集成2個(gè)12位的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，可以對(duì)0～3.6 V區(qū)間內(nèi)的模擬量輸入電壓進(jìn)行轉(zhuǎn)換、存儲(chǔ)和處理。

3.2 最小系統(tǒng)電路

stm32單片機(jī)的最小系統(tǒng)原理圖如圖3所示。VBAT引腳接外部3.3 V電源；VDD_1、VDD_2、VDD_3、VDDA引腳經(jīng)過104電容接地；VSS_1、VSS_2、VSS_3、VSSA引腳直接接地。在外接晶振電路中，并聯(lián)2個(gè)20PF的電容，晶振數(shù)值為8 MHz，可以為芯片提供精準(zhǔn)的時(shí)鐘源信號(hào)。

3.3 電壓采集電路

高壓開關(guān)的保護(hù)系統(tǒng)中，需要對(duì)高壓開關(guān)線路中的電壓、電流參數(shù)進(jìn)行采集與分析。在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，電網(wǎng)中的高電壓（強(qiáng)電流）信號(hào)通過電壓互感器（電流互感器）轉(zhuǎn)換成低電壓等級(jí)信號(hào)（小電流信號(hào)）。經(jīng)過光電隔離單元和信號(hào)調(diào)理電路后，進(jìn)入stm32單片機(jī)的模擬量采集引腳。

以線路中的a、b兩相之間的線電壓Uab采集為例，電壓采集電路如圖4所示，模擬量輸入信號(hào)的數(shù)值范圍是-5～+5 V。在電壓采集電路中，需要增加低頻濾波電路，抑制高頻信號(hào)對(duì)單片機(jī)數(shù)據(jù)采集的影響。D1為瞬態(tài)抑制二極管，最大承受電壓為+8 V，當(dāng)電路中出現(xiàn)沖擊電壓時(shí)，D1可以保護(hù)后面的元器件不受干擾。

圖4 電壓采集電路

3.4 測(cè)溫電路設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)中的測(cè)溫電路選用PT100高精度測(cè)溫電路，測(cè)溫電路如圖5所示。為了增加溫度測(cè)量的適用性，采用三線制的PT100測(cè)溫傳感器。外界氣溫沒變化1℃，鉑電阻的阻值變化0.39 Ω。因此，電路中的電阻選用精度為0.1%的高精度電阻，減少電路電阻對(duì)溫度測(cè)量的影響。R2、R3、R4與PT100組成電橋電路，REF3030為電橋電路提供標(biāo)準(zhǔn)的3.00 V電壓，運(yùn)用差分放大器對(duì)電橋壓差進(jìn)行放大。

圖5 PT100鉑電阻測(cè)溫電路

3.5 通訊電路設(shè)計(jì)

為了方便煤礦高壓開關(guān)狀態(tài)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的傳輸，采用RS-485通訊協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊，傳輸距離最大可達(dá)1.2 km，傳輸速度最大為10 Mbps。現(xiàn)場(chǎng)采集的電壓、電流、溫度數(shù)據(jù)通訊線上傳給煤礦中央變電所進(jìn)行備份。RS-485通訊模塊的電路設(shè)計(jì)如圖6所示。

圖6 RS-485通訊模塊

4 控制器軟件設(shè)計(jì)

4.1 故障判斷處理程序

圖7 故障處理流程圖

煤礦高壓開關(guān)的保護(hù)系統(tǒng)具有故障診斷及故障處理的功能，圖7為針對(duì)越級(jí)跳閘故障的診斷及故障處理流程圖。程序上電后，首先進(jìn)行電壓、電流、溫度參數(shù)的采集，將采集的數(shù)據(jù)與設(shè)定值進(jìn)行比較，確定現(xiàn)場(chǎng)采集數(shù)據(jù)是否在設(shè)定區(qū)間內(nèi)。如不滿足，啟動(dòng)短路保護(hù)，發(fā)出閉鎖信號(hào)，關(guān)閉放越級(jí)跳閘措施，并等待下一級(jí)線路的閉鎖信號(hào)。等待一定延時(shí)后，仍然沒有收到下一級(jí)線路的閉鎖信號(hào)，則默認(rèn)短路故障出現(xiàn)在本線路中，本線路中的高壓開關(guān)斷開。通過RS-485信號(hào)發(fā)送數(shù)據(jù)。

4.2 通信程序設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)中選擇RS-485通訊方案。RS-485通訊采用兩線制接法，線路中A、B通訊線中電壓差為-（2～6）V表示邏輯“0”；電壓差為+（2～6）V表示邏輯“1”。根據(jù)地址進(jìn)行數(shù)據(jù)接收和發(fā)送。煤礦高壓開關(guān)保護(hù)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)發(fā)送程序如圖8所示。

圖8 數(shù)據(jù)發(fā)送程序

5 結(jié)束語(yǔ)

本文對(duì)煤礦高壓開關(guān)保護(hù)系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，在分析短路保護(hù)原理及短路保護(hù)故障分析的基礎(chǔ)上，利用stm32單片機(jī)為核心，設(shè)計(jì)最小系統(tǒng)電路、電壓采集電路、PT100測(cè)溫電路和RS-485通訊電路，在軟件設(shè)計(jì)中，介紹故障判斷處理程序及通信程序。