煤礦井下供電系統(tǒng)漏電保護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

高婷慧

（山西潞安集團(tuán)公司電力事業(yè)部，山西長(zhǎng)治 046200）

0 引言

煤礦井下安全問題一直以來都受到社會(huì)各界的廣泛關(guān)注，當(dāng)前階段煤礦井下機(jī)電設(shè)備數(shù)量越來越多，因此用電安全變得越來越重要［1]。然而最近幾年以來，經(jīng)常會(huì)看到有關(guān)煤礦用電安全事故的新聞報(bào)道。這些礦井安全事故造成了極大危害，給井下人員身體健康和人身安全構(gòu)成了嚴(yán)重威脅［2-3]。根據(jù)大量的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)表明，煤礦井下供電系統(tǒng)漏電問題是造成很多用電安全事故的重要原因之一。現(xiàn)階段煤礦井下通常都是使用電纜進(jìn)行供電，但煤礦井下環(huán)境復(fù)雜，電纜電線的絕緣性能容易受到破壞［4]。另一方面，煤礦井下使用的機(jī)械設(shè)備功率通常都比較大，設(shè)備在運(yùn)行過程中供電線路會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重的發(fā)熱問題，這會(huì)加劇電線電纜的老化。如果在日常維護(hù)中工作做得不到位，就容易出現(xiàn)漏電現(xiàn)象［5-6]。本文針對(duì)煤礦井下供電系統(tǒng)漏電問題，設(shè)計(jì)了一套漏電保護(hù)系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)漏電現(xiàn)象的自動(dòng)檢測(cè)。

1 總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案

漏電保護(hù)系統(tǒng)是煤礦井下供電系統(tǒng)的重要構(gòu)成部分，是保證供電系統(tǒng)正常安全穩(wěn)定運(yùn)行的基礎(chǔ)和前提。漏電保護(hù)系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性直接決定著煤礦井下供電系統(tǒng)的安全。圖1所示為設(shè)計(jì)的煤礦井下供電系統(tǒng)漏電保護(hù)系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)圖。從圖中可以看出，漏電保護(hù)系統(tǒng)總共可以分為4 大部分，分別為電源部分、信號(hào)輸入部分、信號(hào)分析處理和控制部分、輸出部分。各個(gè)部分之間的相互配合與分工保證了整個(gè)漏電保護(hù)系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。

圖1 煤礦井下供電系統(tǒng)漏電保護(hù)系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)圖

2 硬件設(shè)計(jì)

從圖1中可以看出漏電保護(hù)系統(tǒng)的硬件部分主要包括控制器DSP、電壓和電流采集模塊、信息通訊模塊、結(jié)果輸出模塊等。以下分別對(duì)這些硬件模塊進(jìn)行詳細(xì)分析和介紹。

2.1 控制器DSP的設(shè)計(jì)和選擇

本文所述的煤礦井下供電系統(tǒng)漏電保護(hù)系統(tǒng)在工作過程中牽涉到很多算法，需要進(jìn)行大量的分析和計(jì)算，本文選用TMS320F28335芯片來完成相關(guān)的工作。該型號(hào)的處理器具有較高的處理性能，在應(yīng)對(duì)中斷響應(yīng)時(shí)同樣表現(xiàn)優(yōu)異，芯片具備多條A/D轉(zhuǎn)換模塊，完全能夠滿足本系統(tǒng)的使用要求。芯片中自帶的算法內(nèi)包含有豐富的乘法運(yùn)算，可以顯著提升DSP硬件的計(jì)算分析速度。通過傳感器采集獲得的電路故障信號(hào)通常需要對(duì)其進(jìn)行小波和FFT 等數(shù)據(jù)處理，該芯片能夠完成上述數(shù)據(jù)處理過程，且具有較高的數(shù)據(jù)處理精度。CPU具有非常高的頻率，可以達(dá)到150 MHz。

控制器DSP必須要有穩(wěn)定的電源才能夠發(fā)揮其最大的功效，如果供電電源的電壓不穩(wěn)定，就會(huì)對(duì)其性能產(chǎn)生非常不利的影響。本文選擇的DSP芯片在電源方面，內(nèi)核需要穩(wěn)定的1.8 V電源為其供電，F(xiàn)lash編程和I/O口引腳則需要穩(wěn)定的3.3 V電源為其供電。本系統(tǒng)中通過LM1117芯片實(shí)現(xiàn)3.3 V和1.8 V電壓的穩(wěn)定輸出。圖2 所示為控制器DSP 的電源供電線路圖。

圖2 控制器DSP的電源供電線路圖

2.2 電流和電壓采樣硬件模塊設(shè)計(jì)

（1）相電壓采樣設(shè)計(jì)

零序電壓值是本系統(tǒng)判斷供電系統(tǒng)是否存在漏電現(xiàn)象的重要依據(jù)，本系統(tǒng)將閾值設(shè)置為供電系統(tǒng)相電壓的20%。也就是說當(dāng)零序電壓值超過了供電系統(tǒng)相電壓值的20%以后，漏電系統(tǒng)就會(huì)判定存在漏電現(xiàn)象。因此，對(duì)相電壓進(jìn)行準(zhǔn)確檢測(cè)是系統(tǒng)正常穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵。本文選擇的控制器DSP要求輸入信號(hào)在0 ～3 V范圍內(nèi)，為了與之相匹配，本系統(tǒng)中選用TV16E型號(hào)的電流型電壓互感器對(duì)相電壓進(jìn)行檢測(cè)。可以在電壓互感器的一次側(cè)添加一個(gè)200 Ω 的電阻，將電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成電流信號(hào)。具體而言，當(dāng)輸入的電壓值為220 V時(shí)，可以輸出一個(gè)1.1 mA的電流值。再在電壓互感器的二次側(cè)添加一個(gè)470 Ω的電阻，可以進(jìn)一步將相關(guān)信號(hào)轉(zhuǎn)換成為電壓信號(hào)值，且輸出電壓信號(hào)在0 ～3 V范圍內(nèi)，使檢測(cè)到的信號(hào)能滿足控制器DSP的輸入要求。

（2）零序電壓與零序電流采樣設(shè)計(jì)

前文已述，零序電壓值是判斷煤礦井下供電系統(tǒng)是否存在漏電行為的關(guān)鍵參數(shù)之一。它的檢測(cè)原理是首先人為地將三相電抗器與電網(wǎng)進(jìn)行連接，使之產(chǎn)生一個(gè)中性點(diǎn)，然后通過電壓互感器對(duì)該中性點(diǎn)的電壓值進(jìn)行檢測(cè)，本系統(tǒng)中使用的電壓互感器型號(hào)為ZM-PT120/1V。同樣的，需要將檢測(cè)信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，使之滿足控制器DSP的輸入要求。在對(duì)零序電壓進(jìn)行采樣過程中，由于存在高次諧波，會(huì)對(duì)采樣過程產(chǎn)生一定的干擾，使得到的采樣信號(hào)不準(zhǔn)確。因此，為了盡可能降低諧波信號(hào)對(duì)采樣信號(hào)造成的影響，通過二階巴特沃斯濾波器對(duì)采樣信號(hào)進(jìn)行處理。

零序電流也是判斷供電系統(tǒng)是否存在漏電行為的重要依據(jù)之一。通過精密的零序電流互感器對(duì)零序電流進(jìn)行檢測(cè)，圖3所示為零序電流互感器的實(shí)物圖。通過在輸出端設(shè)計(jì)電路可以將檢測(cè)得到的電流信號(hào)值轉(zhuǎn)換成為DSP控制器能夠識(shí)別的0 ～3 V電壓值信號(hào)。由于本文選擇的控制器DSP芯片能夠自動(dòng)對(duì)信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，具備有A/D信號(hào)轉(zhuǎn)換功能。因此，本系統(tǒng)不需要專門設(shè)計(jì)A/D轉(zhuǎn)換電路。采集得到的信號(hào)值經(jīng)過簡(jiǎn)單處理，將其處理成0 ～3 V的電壓值信號(hào)后就可以直接輸入給DSP控制器進(jìn)行進(jìn)一步的分析。

圖3 精密的零序電流互感器實(shí)物圖

2.3 數(shù)據(jù)傳輸硬件模塊設(shè)計(jì)

為了實(shí)現(xiàn)人機(jī)互動(dòng)功能，本系統(tǒng)中設(shè)計(jì)了觸摸屏來顯示相關(guān)的數(shù)據(jù)信息，觸摸屏能夠利用RS485 和RS232 兩種通信模式實(shí)現(xiàn)信息的傳輸，而前者在通信過程中具有更強(qiáng)的抗干擾能力，且傳輸速率相對(duì)較高，最大的傳輸速率可以達(dá)到10 Mbit/s。因此，本系統(tǒng)選用RS485 通信模式實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)信息的傳輸。

2.4 輸出部分硬件設(shè)計(jì)

漏電閉鎖與供電系統(tǒng)中的繼電器控制開關(guān)具有類似的原理。當(dāng)供電系統(tǒng)中的絕緣電阻降低到設(shè)定的閾值，或者系統(tǒng)檢測(cè)到存在漏電現(xiàn)象時(shí)，控制器就會(huì)發(fā)出一個(gè)控制信號(hào)，對(duì)繼電器進(jìn)行控制。輸出部分的控制過程可以簡(jiǎn)單描述如下：DSP控制器經(jīng)過分析處理以后，發(fā)現(xiàn)供電系統(tǒng)存在漏電問題時(shí)，就會(huì)對(duì)執(zhí)行部分發(fā)出一個(gè)控制信號(hào)，控制信號(hào)通過TLP521實(shí)施光耦隔離處理后，再通過三極管將相關(guān)的信號(hào)進(jìn)行放大處理，最終該信號(hào)作用在脫扣器上，繼電器根據(jù)控制信號(hào)做出相對(duì)應(yīng)的動(dòng)作。

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 漏電保護(hù)系統(tǒng)主程序

圖4所示為煤礦井下供電系統(tǒng)漏電保護(hù)系統(tǒng)軟件工作流程圖。系統(tǒng)開始運(yùn)行時(shí)程序啟動(dòng)，第一步就需要對(duì)系統(tǒng)內(nèi)各硬件相關(guān)參數(shù)進(jìn)行初始化處理，并對(duì)硬件和軟件系統(tǒng)進(jìn)行自動(dòng)檢測(cè)，檢查是否存在問題。完成初始化工作以后，各個(gè)采樣模塊開始工作，對(duì)零序電壓值、零序電流值和相電壓值進(jìn)行檢測(cè)。同時(shí)將檢測(cè)得到的電壓信號(hào)經(jīng)過一系列處理后，將其轉(zhuǎn)換成為DSP控制器能夠接受的信號(hào)。控制器在接收到檢測(cè)信號(hào)后，需要對(duì)相關(guān)信號(hào)進(jìn)行分析和處理，比如檢測(cè)零序電壓值和相電壓值之間的大小，如果零序電壓值超過了相電壓值的20%，系統(tǒng)就會(huì)判定煤礦井下供電系統(tǒng)存在漏電現(xiàn)象。在記錄好各個(gè)支路的零序電流值數(shù)據(jù)后，系統(tǒng)將會(huì)對(duì)漏電保護(hù)子程序進(jìn)行啟動(dòng)，進(jìn)一步分析漏電現(xiàn)象。

圖4 煤礦井下供電系統(tǒng)漏電保護(hù)系統(tǒng)軟件工作流程圖

3.2 漏電保護(hù)子程序

當(dāng)系統(tǒng)軟件的主程序判斷分析煤礦井下供電系統(tǒng)存在漏電問題時(shí)，系統(tǒng)就會(huì)啟動(dòng)漏電保護(hù)子程序，進(jìn)一步判斷是哪個(gè)部分出現(xiàn)了漏電現(xiàn)象。子程序中利用信息融合的方法來判斷出現(xiàn)故障問題的線路。在系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)存在漏電問題后，將后續(xù)兩個(gè)周期的電流信號(hào)和電壓信號(hào)值進(jìn)行分析判斷選出存在問題的線路。如果能夠成功判斷存在問題的線路，則通過DSP控制器直接發(fā)出控制信號(hào)，使繼電器發(fā)生動(dòng)作對(duì)整個(gè)供電系統(tǒng)進(jìn)行保護(hù)。如果基于兩個(gè)周期的數(shù)據(jù)信號(hào)無法判斷出現(xiàn)問題的線路，則繼續(xù)采集后續(xù)兩個(gè)周期的數(shù)據(jù)信息，再進(jìn)行分析判斷。如果仍然無法判斷出現(xiàn)問題的線路，系統(tǒng)就會(huì)將母線總開關(guān)直接關(guān)閉，避免出現(xiàn)安全事故。

4 結(jié)束語

煤礦井下會(huì)使用大量的機(jī)電設(shè)備，對(duì)礦井用電安全提出了更高的要求。煤礦井下供電系統(tǒng)漏電是常見的故障問題之一，嚴(yán)重威脅著機(jī)電設(shè)備正常運(yùn)行以及井下工作人員人身安全。本文針對(duì)煤礦井下供電系統(tǒng)設(shè)計(jì)了一套漏電保護(hù)系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過對(duì)零序電壓值、零序電流值以及相電壓值進(jìn)行檢測(cè)、分析，判斷供電系統(tǒng)是否存在漏電問題。如果存在漏電問題，會(huì)進(jìn)一步分析是哪個(gè)區(qū)域線路出現(xiàn)了問題，進(jìn)而將該段線路進(jìn)行隔斷，以維持整個(gè)供電線路的穩(wěn)定安全。