礦井供電系統線路保護裝置的設計與分析

仇少雄

（潞安集團司馬煤業有限公司， 山西 長治 046000）

引言

煤礦生產過程中地下供電系統的可靠性和安全性起著重要作用。當前，中國的煤礦供電系統主要使用6 kV 或者10 kV 的供電系統。由于不斷擴展和深入的地下綜合開采工作面，導致大多數現有的供電系統均采取近距離線路、垂直和多層次供電方式。由于電源線的距離短以及惡劣的煤礦生產環境，電源線時常產生短路現象，以及出現漏電、過流、欠壓等電路故障。此外，在供電系統發生短路的情況時，難以區分上下級的短路電流，而且無法形成強有力的縱向選擇性短路繼電保護，容易造成過電流。單步跳閘事故造成大規模地下停電，從而減弱了供電系統的可靠性，并降低了煤礦的安全和正常生產。結合上述煤礦供電系統線路中存在的問題，提出了一種新型的供電系統線路保護裝置和方案。通過總線通訊技術、計算機控制技術和微控制器技術的幫助，繼電保護完成了繼電保護裝置的控制、測量、通訊和保護。

1 有關線路保護裝置的主要功能

按照煤礦工作人員的需求和生產需要，線路保護裝置應該擁有下列功能：

1）遠程監控的功能。通過電能計量芯片完成對無功功率和有功功率的計算，將計算內容上傳至上位機監控系統，并由微型線路保護裝置對電源線上的電流、電壓等電氣狀態量進行實時監控。微型線路保護裝置能夠遠程控制閉合和斷開動作的電源線開關斷路器。

2）保護功能。線路保護裝置擁有三級電流保護功能，這一功能是通過保護軟壓板進行控制，并具有延遲功能，以防止阻塞和過度跳閘。

3）故障報警的功能。如果線路上出現故障，保護裝置將在檢測到故障后以聲音和視覺警報的形式警告工作人員。

4）故障定位的功能。如果線路某個地方出現故障，故障信息將被保護設備實時上載到主機，并且主機能夠利用點位保護設備對故障進行定位。

5）參數存儲的功能。電源線的操作參數可以通過主機監控系統及時儲存。

2 煤礦供電系統線路保護裝置總體方案設計

如下頁圖1 所示為煤礦供電系統線路保護的總體方案。煤礦供電系統線路保護總方案采取分布式結構，主要包含多條線路保護裝置、CAN 總線通信模塊，上位機監控系統還有供電系統提供的變壓器和斷路器。CAN 總線通訊模塊采取雙向通訊，電源系統里內置有雙向通信網絡，便于提供用于數據信息的通道。主機監控系統能夠利用CAN 總線通信模塊進行各種保護。該設備是遠程控制的，與此同時各個線路保護設備能夠讓其監控的線路數據信息上傳到主機，便于實現線路保護設備與主機之間信息的快速交換。電力系統線路監控的終端設備是線路保護設備，能夠及時收集匯總電力線上的其他信號、模擬和數據。出現線路故障的時候，還會推送故障信號預警；主機控制系統能夠對保護裝置作出選擇性動作，確認線路故障位置并智能化分析線路保護裝置上載的信息，上位機監控系統可以智能分析線路保護裝置上傳的信息。

3 線路保護裝置的硬件方案分析與設計

3.1 保護裝置的硬件框圖分析與設計

圖1 煤礦供電系統線路保護總體方案

圖2 線路保護裝置硬件設計框圖

如下頁圖2 為線路保護裝置的硬件設計框圖。線路保護裝置由繼電操作裝置、開關量采集單元、電源管理單元、CAN 總線收發器單元、交流信號采集單元、液晶顯示單元、微控制器、聲光報警裝置等組成。繼電器操作裝置負責操作斷路器；開關量收集單元負責收集斷路器的開關位置信號；電源管理單元負責為整體線路保護裝置供電；CAN 總線收發器該設備單元用于保護設備和上位機監控系統之間的數據通信；交流信號采集單元主要包括電流互感器，電壓互感器和信號轉換電路三部分。電流互感器和電壓互感器負責收集電源線。三相電壓電流信號，信號轉換電路負責轉換和濾波收集到的電能；液晶顯示單元用于顯示線路監控數據和保護裝置的工作狀態；聲光報警裝置主要用于供電系統線路的故障報警提示。

3.2 選擇微控制器

微控制器是實現線路保護裝置的嵌入式和小型化不可或缺的部分。微控制器采用的STM32 單片機的F103 系列主控制芯片是保護設備的重要部分。此系列芯片擁有擴展性和低功耗的特點，非常適合在煤礦生產領域中的芯片對抗干擾能力強、豐富的銷釘、堅固的需求。由數據通訊、數據計算、數據存儲、數據采集、線路故障處理以及保護邏輯判斷等構成保護裝置中微控制器功能，STM32 單片機的F103 系列主控制芯片能夠充分適應以上工作需求。

3.3 CAN 總線通訊電路設計

因為煤礦中各類采礦設備的持續切斷，電源線上有很大的電壓波動并且具有較強的電磁干擾。所以，提出了線路保護裝置對通信方法的更高要求，這需要強大的抗干擾能力。工業自動化領域通常使用的傳輸方式是CAN 總線通信方法。該通信方法可靠性高，性價比高，通信協議簡單，抗干擾能力強。

圖3 為CAN 總線通信電路。微控制器選擇的STM32F103 系列單片機帶有CAN 總線控制器，所以，需要挑選外部型號TJ1050CAN 數據收發器。

3.4 交流信號采集單元的設計

圖3 CAN 總線同信電路

通過將電力線上的高電流信號和高電壓轉換成小電壓信號實現對電力線的小型化監視。所以，此設備使用變壓器隔離方法，讓線路上的大電流信號和高壓經過AC 信號、初級TV 和TA 采集電路上的次要信號。

將TA 和電視轉換后，將信號發送至相應的電源使用計量芯片和微控制器。如下圖4，是交流信號采集設備的交流信號采集電路。當中選擇的微型電壓互感器型號為TV31B，微型電流互感器型號為TA22B11。選擇了一種特殊的電能計量芯片ATTT702B。此芯片非線性測量誤差小，計算精度高，能夠測量無功功率、各相電壓和電流、有功功率以及視在功率的有效值。

圖4 交流信號采集電路

4 控制器軟件編程

如下頁圖5 為單線路保護設備的主程序流程圖。在上述線路保護方案中，每個斷路器都應該配備線路保護裝置。所以，以STM32F103 系列單片機為基礎，該單片機的下位機程序是用C 語言編寫的。編程基于結構化、模塊化和自上而下的編程設計，分為主程序和多個子程序。子程序包括故障處理子程序、開關檢測子程序、交流信號采集子程序、LCD 顯示子程序、CAN 總線通訊子程序、故障判斷子程序、聲光報警子程序等。與此同時，主機與主機之間采用電流保護，每個保護三級設備。以控制各個保護裝置的動作時間來實現各個保護裝置之間的聯動保護，因此保障斷路器選擇性跳閘。

下頁表1 顯示：如果高爆炸開關K5發生故障，則能夠在210 ms 內快速激活保護設備的限時速斷保護功能。爆裂開關K4的備用保護功能足以及時作出正確的應對[1-3]。

圖5 單個線路保護裝置的主程序流程圖

5 結論

通過金邦煤業的現場測試結果證明，此防超限保護裝置改造成本低，可靠運行，能夠滿足煤礦現場使用的需求，而且能夠實現全站儀的數據功能。實現礦山信息化、智能化建設和礦山安全高效生產。該次改造實踐能夠拓展到煤礦返井的改造中，超越其他礦山供電系統的保護范圍。

表5 D3 兩相短路的實驗結果（開關K5 發生失靈）