礦用高壓開關(guān)保護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

任吉文

（陽煤集團(tuán)一礦機(jī)電工區(qū)礦修隊(duì)，山西陽泉 045000）

0 引言

煤礦井下高壓開關(guān)常用于保護(hù)高壓供電系統(tǒng)的供電線路與變電站，是一種故障保護(hù)和處理的電氣設(shè)備，但是該裝置處于井下工作環(huán)境差、空氣濕度大、綜采負(fù)荷變化大的場合中[1-2]。傳統(tǒng)的高壓開關(guān)使用的短路保護(hù)實(shí)時(shí)性低、靈敏性差，也不具備遠(yuǎn)程通信的能力，也就難以實(shí)現(xiàn)保護(hù)的選擇性[3-5]。隨著微機(jī)信息技術(shù)的發(fā)展，利用微機(jī)控制原理，開發(fā)一套集保護(hù)、通訊、監(jiān)測等功能于一體的高性能高壓開關(guān)保護(hù)系統(tǒng)對(duì)于提高煤礦智能化管理水平以及生產(chǎn)效益具有重要的意義[6-8]。本文根據(jù)煤礦實(shí)際情況，設(shè)計(jì)一套基于DSP的高壓開關(guān)保護(hù)系統(tǒng)，針對(duì)井下生產(chǎn)特點(diǎn)，設(shè)計(jì)相關(guān)硬件電路與軟件系統(tǒng)，從而實(shí)現(xiàn)煤礦高壓開關(guān)保護(hù)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)監(jiān)測與應(yīng)急處理功能。

1 高壓開關(guān)保護(hù)系統(tǒng)主要功能及原理

1.1 保護(hù)系統(tǒng)主要功能

為滿足井下供電質(zhì)量與安全性，適應(yīng)現(xiàn)代化煤礦的建設(shè)需求，高壓開關(guān)保護(hù)系統(tǒng)具備以下功能。

（1）保護(hù)功能。具有短路保護(hù)、漏電保護(hù)、低電壓過電壓保護(hù)、反時(shí)限保護(hù)以及閉鎖等基本保護(hù)功能。

（2）事件記錄功能。能記錄最近發(fā)生的事件且在保護(hù)裝置即使停電時(shí)信息也不丟失，便于工作人員分析事故原因。

（3）電能質(zhì)量監(jiān)測功能。具有高精度的信息采集單元，并能高速地對(duì)三項(xiàng)電壓和電流進(jìn)行跟蹤，實(shí)時(shí)計(jì)算有功、無功以及功率因素的大小，為供電質(zhì)量的計(jì)算提供可靠基礎(chǔ)信息。

（4）人機(jī)交互與通訊功能。人機(jī)交互方面可以實(shí)時(shí)顯示保護(hù)系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)與系統(tǒng)菜單顯示，方便工作人員進(jìn)行開關(guān)的操作及整定；同時(shí)有故障發(fā)生時(shí)能自動(dòng)報(bào)警，并通過CAN總線連接的光纖環(huán)網(wǎng)進(jìn)行實(shí)時(shí)傳輸信息。

1.2 常見故障保護(hù)原理

1.2.1 短路保護(hù)

短路是指供電系統(tǒng)中由于電位不相同導(dǎo)致導(dǎo)體在電氣設(shè)備上被短接，該事故的發(fā)生是井下供電系統(tǒng)最常見的故障之一。為應(yīng)對(duì)短路故障，一般采用電路檢測來進(jìn)行判定，控制器通過電流幅值的大小判定是否進(jìn)行保護(hù)動(dòng)作，同時(shí)為避免保護(hù)盲區(qū)，在此基礎(chǔ)上也要加入相敏保護(hù)，從而使得保護(hù)更加可靠。

1.2.2電纜絕緣保護(hù)

煤礦井下特殊的工作環(huán)境使得供電電纜向工作面進(jìn)行供電時(shí)，除裝有漏電保護(hù)裝置還需具備監(jiān)視線保護(hù)，從而能實(shí)時(shí)監(jiān)測到電纜線是否有斷路或短路故障的發(fā)生。當(dāng)監(jiān)視線與接地線發(fā)生短路故障時(shí)，其電阻兩端的電壓將會(huì)大于正常電壓值；當(dāng)監(jiān)視線與接地線發(fā)生斷路故障時(shí)，其電阻兩端的電壓將會(huì)小于正常電壓值，由電壓信號(hào)的不同，控制器便可以判別監(jiān)視線與電纜存在何種故障。

2 硬件電路

2.1 保護(hù)系統(tǒng)硬件整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本文為了在對(duì)保護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)的方便性，將硬件電路按照模塊化的思路將整體電路分為模塊單元設(shè)計(jì)，使得它們之間相互獨(dú)立又有關(guān)聯(lián)，對(duì)其分別測試時(shí)可以方便程序的修改。如圖1所示，本系統(tǒng)的硬件部分主要有信號(hào)采集的模擬量輸入單元、信號(hào)調(diào)理電路、開關(guān)量輸入輸出電路、CAN總線與485通信電路、顯示與鍵盤控制電路等組成。

圖1 系統(tǒng)硬件整體結(jié)構(gòu)

2.2 主控芯片選型

本系統(tǒng)為適用礦井下復(fù)雜環(huán)境，完成保護(hù)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)監(jiān)測與數(shù)據(jù)處理的功能，以TMS320F2812為核心的嵌入式控制芯片進(jìn)行控制，該型號(hào)的控制處理器有如下特點(diǎn)。

（1）內(nèi)部自帶12位分辨率的數(shù)模轉(zhuǎn)換器，該ADC模塊因具有自動(dòng)排序能力，每次進(jìn)行任務(wù)時(shí)可以選擇16個(gè)通道輸入進(jìn)行快速轉(zhuǎn)換，且單次轉(zhuǎn)換時(shí)間為200 ns。

（2）該數(shù)字處理控制器每秒可以實(shí)現(xiàn)1.5億次指令的執(zhí)行運(yùn)算操作，強(qiáng)大的運(yùn)算能力可使其具有更高的效率，能同時(shí)輸出多路PWM控制信號(hào)。

（3）自帶有128 KB的Flash用于存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，該型號(hào)的邏輯與數(shù)字處理性能提高1倍且集成度與存儲(chǔ)量更高，方便開發(fā)軟件程序在線升級(jí)。

2.3 CAN通信電路

在煤礦井下通信環(huán)境惡劣的條件下，為保證通訊質(zhì)量以及監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)測的線路電壓電流、斷路器電信號(hào)、刀閘位置信息、功率、頻率等主要監(jiān)測量傳輸?shù)姆€(wěn)定可靠性，常采用CAN通信總線的方式進(jìn)行各設(shè)備之間的信息傳輸，從而達(dá)到實(shí)時(shí)監(jiān)測目的。CAN通信總線因其通信速度快、傳輸距離遠(yuǎn)、容錯(cuò)率低、糾錯(cuò)能力強(qiáng)且成本低的特點(diǎn)，所以被煤礦中的井下設(shè)備廣泛使用，故它也是煤礦井下高壓開關(guān)保護(hù)系統(tǒng)重要組成部分。

本系統(tǒng)中采用的DSP主控芯片中內(nèi)置有eCAN模塊，而該模塊集成有CAN控制器與必要的通訊協(xié)議，無需再外接CAN控制器，僅僅需要匹配合適的收發(fā)裝置即可，所以這便節(jié)省了主控芯片的控制信號(hào)資源。如圖2所示，本系統(tǒng)采用飛利浦公司的82C250器件作為收發(fā)裝置，該裝置具有物理總線和協(xié)議控制器接口，便可以為CAN總線提供差動(dòng)發(fā)送信息的能力，將該器件上的CANTX與CANRX引腳作為DSP主控單元上的通迅信息的發(fā)送和接受引腳。同時(shí)，為保證信息傳輸過程中電平信號(hào)對(duì)DSP主控芯片的保護(hù)，在收發(fā)器與主控芯片之間增加高速光電耦合器6N137，從而對(duì)主控芯片進(jìn)行隔離保護(hù)。

圖2 CAN通信電路

2.4 放大濾波電路

由上節(jié)可知，在煤礦供電系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，特別是高壓開關(guān)保護(hù)裝置，在故障發(fā)生的瞬間含有大量的高頻分量，而本文設(shè)計(jì)的保護(hù)系統(tǒng)是以微機(jī)保護(hù)的原理進(jìn)行設(shè)計(jì)，所以為保障設(shè)計(jì)的微機(jī)系統(tǒng)能對(duì)低頻信號(hào)穩(wěn)定控制，需要對(duì)采樣電路增加低頻濾波電路。為保證消除采樣電路中的部分高頻信號(hào)獲得更好的濾波效果，如圖3所示，本文在濾波電路設(shè)計(jì)時(shí)通過將低通濾波電路與運(yùn)放電路相結(jié)合。運(yùn)算放大器采用ADI公司的Opx177系列放大器，該放大器功耗低、漂移量小、精度高、具有廣泛的使用溫度范圍，這些優(yōu)勢可以保證即使在大電容高電阻負(fù)載與環(huán)境惡劣的條件下也可以穩(wěn)定輸出，保護(hù)輸入電路。

圖3 放大濾波電路

在采樣過程中最高采樣頻率不能大于設(shè)定采樣頻率的1/2，為防止采樣過程中出現(xiàn)混疊效應(yīng)，去除輸入信號(hào)中的高頻信號(hào)，在低通濾波器中每個(gè)工頻周期采樣設(shè)置24個(gè)點(diǎn)，采集的模擬量信號(hào)經(jīng)過互感器后由低通濾波電路進(jìn)入運(yùn)算放大器，同時(shí)在運(yùn)算放大電路外部連接穩(wěn)壓管，從而提高輸入模擬量的穩(wěn)定性。

3 軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)監(jiān)測故障的采樣程序是通過主控芯片中自帶的A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行采樣。如圖4所示，本系統(tǒng)采樣開始前先將已有的中斷標(biāo)志位清除，并重新分配中斷向量表。系統(tǒng)設(shè)置好下一次的中斷觸發(fā)方式和模式后再進(jìn)入信號(hào)采集過程。需注意的是在利用主控芯片控制采集信息時(shí)，使用內(nèi)部時(shí)鐘的基準(zhǔn)，當(dāng)芯片開始產(chǎn)生初始化采集間隔時(shí)開始。主控制單元在讀取數(shù)據(jù)時(shí)將進(jìn)行故障識(shí)別，保護(hù)系統(tǒng)正常則將數(shù)據(jù)寫入存儲(chǔ)設(shè)備中，當(dāng)判別有故障時(shí)進(jìn)入保護(hù)子程序并進(jìn)行相應(yīng)的處理。

圖4 采樣流程圖

4 結(jié)束語

本文首先通過對(duì)井下高壓開關(guān)保護(hù)系統(tǒng)所需要的基本功能進(jìn)行分析，同時(shí)對(duì)保護(hù)的基本原理進(jìn)行介紹，設(shè)計(jì)了以DSP數(shù)字處理器系列為核心的保護(hù)控制系統(tǒng)。對(duì)硬件電路設(shè)計(jì)方面，詳細(xì)介紹CAN通信電路、信號(hào)放大濾波電路以及顯示電路的設(shè)計(jì)，同時(shí)采用模塊化的編程思路對(duì)軟件程序中的采樣程序進(jìn)行說明。整個(gè)保護(hù)系統(tǒng)在煤礦井下運(yùn)行良好，極大提高保護(hù)的安全性。