煤礦井下高壓防爆開關控制器優化設計

牛維強

（西山煤電西曲礦， 山西 古交 030200）

引言

隨著我國煤礦開采規模的不斷擴大，煤礦井下電力系統供電距離不斷延長，用電負荷不斷增大，原有的6 kV的供電系統不能滿足用電要求，具體表現為用電負載電壓下降，為了解決這一問題，生產中可增加供電線路回數或增大線路容量，但是會帶來投資增加和空間壓縮等新問題。新建或升級改造的中小煤礦可采取10 kV供電系統，一是增大了供電能力，二是適用于新設備。10 kV供電系統的供電能力是6 kV供電系統的將近三倍，是目前中小煤礦供電系統的最佳選擇。供電系統的改造不僅涉及到電壓等級，原先相配套的保護系統也應進行升級改造，以適應新的供電系統保護要求。

1 控制器設計原理

1）漏電保護。煤礦井下輸電線路多用電纜，由于井下環境復雜，電纜供電線路表皮容易破損，導致單相漏電故障發生，如不及時將故障切除，極易引發人員觸電或電氣雷管誤爆等重大事故。本控制器針對零序電流漏電保護和零序功率方向型漏電保護設計，實現選擇性故障切除，非故障線路能夠繼續運行，減小了事故影響范圍。

2）電流保護。電流保護包括過載保護和短路保護，過載保護是基于電機運行的允許溫升確定的，為了使電機在一定溫度范圍內工作，線路上的電流不允許長期超過電機的額定電流。短路故障采取電流速斷保護，當電流幅值超過一定值時動作，電機正常啟動時電流較大，因此需區別電機的啟動電流和短路電流。采取“相敏保護”原理，當電流的幅值超過正常運行的電流幅值時，判斷電壓的相位，計算其功率因數，當功率因數高時判斷為短路電流，功率因數低時判斷為啟動電流[1-2]。

3）高低壓保護。系統電壓高于1.2倍額定電壓即12 kV時為過電壓故障，低于0.7倍額定電壓即7 kV時為欠電壓故障。過電壓會危及各種電氣設備的絕緣水平，需要保護動作切除故障。欠電壓是短路保護的后備保護，當非金屬性短路發生時，線路上的電壓可能不為零，會觸發欠電壓保護動作。

4）絕緣監視保護。由于井下線路采用雙屏蔽電纜，接地線和監視線的短路或斷路故障可通過保護線監視預知。本文設計了附加直流檢測的電纜絕緣在線監測電路，如圖1所示。虛線左邊是控制器電路，虛線右邊是外接電路。Rx是等效電阻，Rd是回路電阻，Rr是絕緣電阻，Rz是阻值為1 kΩ的終端元件。絕緣監視保護電路的原理為：當電纜發生監視線和接地線短路故障時，等效電阻減小，A點電壓降低；當電纜發生監視線和接地線開路故障時，A點電壓上升。通過A點電壓可以計算出絕緣電阻值，也就是說A點電壓高低反映了電纜的絕緣水平，電纜短路時A點電壓低，電纜斷路時A點電壓高。

圖1 絕緣監視在線監測電路

2 系統軟硬件設計

根據上述控制器保護原理和電網保護需求及技術指標，設計的控制器單片機系統及其外圍電路如下頁圖2所示。本設計選用美國Cygnal公司生產的單片機，型號為C8051F010，其特點是速度快，具有強大的模擬信號處理功能和控制功能等，十分適合保護控制器設計。電源部分為現成開關電源；復位電路設計為保護器復位按鍵和開關柜復位按鍵兩種復位方式；時鐘電路分為外部時鐘和內部時鐘；模擬信號采用單片機自帶的ADC模塊；開關量或脈沖信號通過單片機I/O口輸入；液晶顯示接口顯示電網實時參數和故障類型；輸出驅動是控制電磁閥，進而實現真空斷路器跳閘。

圖2 控制器單片機系統及其外圍電路

除了控制器及其外圍電路，硬件電路還包括電壓信號電路、零序電流信號電路、風電閉鎖與瓦電閉鎖電路、絕緣監視信號電路和輸出電路等。

控制器的軟件系統主程序流程圖如圖3所示，主要功能是液晶顯示和按鍵設置等。液晶顯示的內容包括歡迎界面、工作界面、跳閘界面和按鍵界面。按鍵功能可以實現參數設定、故障查詢、模擬跳閘和時間設置等功能[3-4]。

圖3 系統主程序流程圖

除了主程序，系統的軟件按照模塊化設計思想編制，可分為A/D中斷子程序、定時器T0子程序、定時器T1子程序（如圖4所示）以及分合閘子程序等。故障的延時通過定時器T1完成，在過載故障和漏電故障發生后執行，定時器T1子程序在主程序進入主循環后開啟，直到保護動作跳閘關閉。在精測子程序中設置相應的故障標志位，決定計時器的增減，一旦超過時限，控制器發出動作跳閘信號，驅動電磁線圈完成斷路器跳開動作。

圖4 定時器T1程序流程圖

3 電氣數據采集與處理

數據采集與處理精度是防爆開關控制器系統的關鍵，決定了其保護動作的性能。數據采集的方式有直流采樣和交流采樣兩種，考慮到煤礦井下供電情況復雜，電壓電流波形常有畸變，若采用直流采樣會出現較大誤差，因此采用精度更高的交流采樣。

對于正弦信號而言，采樣分為兩點法和三點法。設被測電壓信號U=Umsin（ωt+φu），兩點法是采樣相隔π/2電角度的兩點電壓U1=Umsinx、U2=Umcosx，顯然被測正弦信號的有效值可由下式計算：

由于電壓電流波形的畸變，只采用兩點法測量正弦信號的檢測并不能滿足系統要求。對于非正弦周期信號的采樣，可以采用的算法有傅里葉算法和方均根算法。傅里葉算法不但適用于正弦信號，同樣適用于非正弦信號的測量，具有濾波功能。但是其計算復雜影響保護動作快速性。方均根算法只需進行累加計算，通過查表完成開方計算，不需要浮點計算。

方均根算法還是以電壓信號的計算為例，電壓的有效值定義為：

經離散后可得：

方均根算法計算出的有效值與真有效值（True Root Mean Square，根據定義得到）十分符合。為了滿足JB8739對于100 ms的快速性要求，本設計優化結合初測和精測：用正弦信號的兩點法測量進行初測，迅速得出幅值大小，并不要求準確性很高。如果初測的結果滿足了保護動作的條件，則采用非正弦信號方均根算法進行精測。這樣初測和精測相結合的方法既能保證保護動作的快速性，又能兼顧準確性[5-8]。

4 結論

1）絕緣監視電路能夠監視井下電纜線路的絕緣水平，提前判斷出電纜可能出現的故障類別。

2）采用初測和精測相結合的信號采集方法測量井下畸變的電壓電流等波形，在保證測量快速性的形況下兼顧了動作的準確性。

3）高壓防爆開關控制器的優化設計對于煤礦井下供電安全具有重大意義，提升了煤礦電力系統的安全性和可靠性。