煤礦低壓饋電開關智能保護系統的研究和設計

劉 暉

(山煤集團 凌志達煤業有限責任公司，山西 長治 046606)

0 引言

煤炭是我國的主要能源，在我國能源經濟中占有很大的比例。目前，為了滿足國家經濟發展對能源的需求，我國在煤炭開采方面投入很大[1]。礦井下低壓供配電系統是煤礦開采中非常重要的一環，但由于負荷端經常性地投入切出，波動性很大；此外，供配電線路絕緣損壞或者斷裂、工作人員維護不當或者操作失誤等等，導致整個低壓配電網經常會出現漏電、短路、過載、過壓及欠壓等故障，若不能及時排除故障，將會把線路絕緣擊穿，進而造成更為嚴重的電路故障。此外，電路故障產生的電火花和電弧，一旦與煤礦瓦斯、粉塵接觸，將會發生爆炸，直接給工作人員人身及煤礦安全帶來嚴重威脅[2-3]。

針對以上煤礦供配電網出現的問題，本文設計了一套礦用低壓饋電開關智能保護系統，可實時在線檢測低壓配電網中出現的短路、斷相、漏電、過壓、過載等線路故障，迅速進行跳閘保護動作，切除相應故障，保障了煤礦礦井下供電系統的可靠性和安全性。

1 煤礦井下低壓配電網常見故障分類

煤礦井下低壓配電網線路通常發生的故障包括短路、斷相、漏電、過壓、欠壓、過載等，為設計低壓饋電開關智能保護系統，本文對各類故障進行深入分析，針對每一類故障提出相應的檢測方法，為智能保護系統的研究和設計打下了基礎[4]。

(1) 漏電故障：大多是由于工作面的電纜被礦井下的墜落重物砸壞或者擠壓導致絕緣損壞而發生的故障，可用附加直流電源檢測法和零序電流方向檢測法進行檢測。

(2) 短路故障：一般有4種。其中，三相短路屬于對稱短路故障，采用相敏檢測方法；兩相短路、單相接地短路、兩相接地短路屬于不對稱性短路故障，會產生負序電流分量，故采用負序檢測方法。

(3) 斷相故障：是指饋電開關接線端子掉線或觸頭接觸不良造成的單線斷相現象，屬于不對稱故障，同樣可采用負序檢測方法。

(4) 過載故障：通常是指電氣設備的工作電流超過其正常工作電流，當煤礦井下低壓電網發生電網電壓嚴重偏移或不對稱、負載過多、單相運行情況時，就會發生過載故障，過載故障采用反時限檢測原理進行故障檢測。

(5) 過電壓：分為內部和外部過電壓兩種。其中，內部過電壓是由系統的操作故障和某些不正常運行狀態引起的，外部過電壓是由雷電引起的。

(6) 欠電壓：通常是由短路故障引起的，線路發生短路時電壓將出現暫時性的下降和消失。過壓故障與欠壓故障采用鑒幅式檢測方法進行檢測。

2 低壓饋電開關智能保護系統總體設計方案

煤礦低壓饋電開關智能保護系統的總體設計方案如圖1所示。整個保護系統由上位機、多個智能保護器、多個低壓饋電開關單元組成。其中，智能保護器是系統的核心部分，包括微控制器、開關量輸入單元、故障保護采集單元、有功功率檢測模塊、聲光報警模塊、液晶顯示模塊、按鍵輸入模塊、電源管理模塊等。故障保護采集單元主要負責對低壓電網線路出現的漏電、短路、斷相、過載等故障進行實時參數檢測并將信息傳輸給微控制器；微控制器主要負責對檢測到的故障參數進行智能處理和判斷分析，鑒別故障種類，并實現遠程跳閘保護，同時實現與上位機的信息交互；聲光報警模塊主要用于故障報警提示；按鍵輸入模塊和液晶顯示模塊用于實現人機交互，包括參數顯示、參數設置等；電源管理模塊負責為各模塊進行供電；開關量輸入單元主要用于檢測各保護裝置的開關狀態。

3 硬件電路設計與選型

3.1 控制器PLC選擇

根據保護系統的功能需求，選用德國西門子公司的S7-300系列PLC作為主控制器。該系列控制器穩定性高、響應快、易于模塊化、技術成熟、抗干擾能力強，同時中央處理單元處理速度快，完全能夠滿足保護系統的功能要求[5]。中央處理單元采用型號為CPU315-2DP的CPU。由于該保護系統需要處理的模擬量較多，分別擴展了模擬量輸入模塊SM331和模擬量輸出模塊SM332，同時采用PS307電源模塊為 CPU 模塊和 I/O 模塊提供電源。

3.2 不對稱故障保護設計

圖1 低壓饋電開關智能保護系統總體方案

在電路故障中，兩相短路和單相斷相屬于不對稱故障。根據電路原理，線路不對稱故障的最大特征之一就是會產生負序電流，顯然，我們可以根據負序電流大小來判斷兩相短路故障和斷相故障。為檢測發生不對稱故障時的負序電流分量，本文設計了一種負序電流提取電路，以實現不對稱故障保護[6]。圖2為負序電流提取的硬件框圖。從圖2中可以看出，為得到三相電流中的負序電流分量，保護電路需要對A相轉換電壓UIA超前移相120°，C相轉換電壓UIC滯后移相120°，B相轉換電壓UIB保持不變。將處理后得到的值相加，然后通過整流濾波，輸送到模擬量輸入模塊。其中，UIA、UIB、UIC分別為三相電流經過電流互感器轉換后的小電壓信號。

圖2 負序電流提取的硬件框圖

3.3 過壓、欠壓保護電路設計

由前文可知，過壓、欠壓保護電路采用鑒幅式檢測原理，即把實時采樣到的電網電壓與系統設定的額定電壓進行比較，當所測電網電壓大于或者等于額定電壓的118%時，線路發生過電壓；當所測電網電壓低于或者等于額定電壓的65%時，線路發生欠電壓[7]。PLC在接收到采樣電壓后，通過與額定電壓比較判斷欠壓過壓，同時可設置保護系統的額定電壓，以適用于不同的電網。礦井電網線電壓信號在傳輸給PLC之前，需要經過整流濾波電路以及模擬量輸入模塊，圖3為線電壓整流濾波采集電路，其中Uab為低壓電網線電壓通過電壓互感器轉換后的電壓，Uout為輸出電壓，接模擬量輸入模塊。

圖3 線電壓整流濾波采集電路

4 下位機程序設計

為實現對低壓電網故障信息的處理、故障的判斷、故障的排除、故障報警等功能，需要對下位機PLC進行程序設計。本文采用西門子公司的STEP7 V5.4軟件對整個保護系統進行程序設計，編程語言為梯形圖語言[8]。采用模塊化程序設計思想編寫監控主程序和各功能模塊子程序，監控主程序是整個下位機程序的核心，由其調用各功能模塊子程序，從而完成對電網參數的檢測、運算和顯示，最終實現故障判斷及跳閘保護等。各功能模塊子程序包括電流檢測程序、電壓檢測程序、聲光報警程序、功率檢測程序、液晶顯示程序等。圖4為低壓饋電開關智能保護系統的主程序監控流程圖。

5 結論

本文在分析煤礦井下低壓供配電網線路發生的諸多故障的基礎上，結合礦井的實際環境，深入討論了線路故障發生的原因，并給出故障檢測方法，同時設計了一種新型的礦用低壓饋電開關智能保護系統，以PLC為控制系統核心，實現了對礦井低壓配電網的全生命周期的動態檢測與保護，避免了線路故障的進一步擴

大，提高了供電系統的可靠性。

圖4 智能保護系統的主程序監控流程