礦用隔爆型高壓開關智能綜合保護系統研究

朱 銳

(西山煤電 西銘礦，山西 太原 030052)

0 引言

20世紀以來我國經濟步入快車道，煤炭消耗量也隨之增加，因此，保護與管理煤炭生產過程中所需的供電設備的重要性日益凸顯。為保證電源設備的安全穩定運行，對繼電和自動裝置保護的設計尤為重要，綜合保護系統的智能化可使煤礦井下電力系統的穩定性與連續性得到充分保障,并可根據實際要求,在發生故障時報警,實現故障設備快速有效的切除,阻止事故的進一步擴大，避免火災，確保煤礦現場的設備與人身安全。

1 國內外研究與應用現狀

20世紀20年代開始，英國、前蘇聯與德國相繼研發了煤礦安全設備并應用于實際生產中，隔爆型電氣設備在煤礦現場逐步得到了廣泛的應用。國外公司陸續推出了多種微機保護系統，華萊推出了可通過8085CPU實現保護的雙速開關微機式保護系統。德國西門子公司生產的具備完善的保護功能與良好的人機界面的Siprotec 4系列保護繼電器，能用于地面供電系統與礦井供電系統。

國內的礦井電網繼電保護裝置主要有3種類型：①具有機械轉動部件的繼電保護裝置；②具有晶體管電路的繼電保護裝置；③結合微機控制技術的繼電保護裝置。目前國內主要采用單CPU結構的高壓開關綜合保護系統，在采樣要求較高的應用場合,整個系統顯得較為乏力。而煤礦落后的生產技術水平、非智能化的缺點、保護電器不能達到預期保護等問題導致生產事故的發生概率大大增加。現有高壓隔爆開關的漏電保護技術存在諸多不足，造成了較多斷電事故，增大了故障點查找的難度，嚴重影響了生產。傳統開關多數不具備網絡通信功能，操作人員只能現場對高壓開關直接檢查，存在極大的安全隱患。

2 DSP與單片機的主從控制礦用隔爆型高壓開關智能綜合保護系統

2.1 系統功能

通過分析一個保護裝置可能發生的各種故障及其特點，最終才能提出實用有效的保護系統方案。根據《煤礦安全規程》：井下高壓變電站應具備短路、超負荷、欠電壓保護功能，綜合保護系統應具有漏電保護功能，保證切除漏電故障，若存在屏蔽電纜，還要設置監視保護。

2.2 保護功能與實現

(1) 過載保護。當系統中發生過載時，表現為電網電流大于額定電流，因此可通過檢測電網電流來判斷過載程度。根據反時限動作原理,工作電流與額定電流的比值越大，對過載動作速率的要求越高。

(2) 短路保護。當系統中發生短路故障時表現為大電流，因此單純的檢測電流大小很難與電氣設備啟動時的大電流區分，將引起誤動作。由于短路時功率因數大，啟動時功率因數小，本設計將相敏保護原理應用于短路保護，即通過短路電流的大小與功率因數綜合判斷此時是否發生短路。

(3) 漏電保護。將零序電壓基波作為漏電保護啟動信號，當零序電壓超過整定值時，通過零序電壓和零序電流5次諧波相位差可判斷其是否發生故障。

(4) 監視線保護。監視線保護是一種基于外加直流電源的電纜絕緣在線監測技術。圖1為電纜監視線的檢測原理圖。圖1中，Rd、Ra、Rr為電纜的等效電阻，Rd位于監視線與接地線間，Rr為接地電阻，Ra通常為1 kΩ的電阻；R1與R0分別為限流與采樣電阻；其兩端的電壓U0為采樣電壓，與Rr有關；Uj為直流電源電壓。監視線與地線因電纜故障被短路情況下，Rr減小，U0隨之變化終端器件也被短路；兩線斷路情況下，U0被送入檢測模塊，從而推算出絕緣電阻值。

圖1 監視線檢測原理

3 系統總體設計方案

3.1 硬件整體設計方案

本保護系統總體結構如圖2所示，將DSP芯片TMS320LF2407作為主CPU，其主要功能有采樣模擬信號、計算處理數據以及保護電路的識別與啟動、開關信號的給定與輸出。同時單片機作為協同CPU，主要功能有人機交互和通訊等。整個系統由以下部分構成：

圖2 隔爆高壓智能保護系統硬件總體結構圖

(1) 微機系統：由DSP和單片機實現主從控制,可實現邏輯判斷、計算、定時、數據采樣、存儲和人機交互等功能。

(2) 交流采樣單元：采樣計算電力系統三相電壓，以及a、c兩相的電流與零序電流電壓分量。

(3) 選擇性漏電處理單元：可得到電流電壓零序分量的五次諧波,經過相位比較后對中性點絕緣電網系統或經消弧線圈接地電網中的接地故障實現漏電保護。

(4) 絕緣監視保護單元：將信號經電壓頻率變換后，根據直流檢測原則，實現對電纜屏蔽線及接地線的故障保護。

(5) 開關量單元：由開關量采樣相應設備對應采樣點,從而判斷開關實時狀態。開關信號輸出部分包括故障報警信號和控制斷路器的開關信號。

(6) 人機交互單元：主要包括按鍵輸入、液晶顯示和通訊接口三部分，其主要功能是:輸入參考值,選擇操作方式、電網參數、工作狀況,顯示故障類型,進行數據通訊。

(7) 電源部分：采用+5 V、-12 V、+12 V與兩個+24 V的小型直流電源。

3.2 軟件設計方案

根據DSP和單片機雙核硬件系統的配置分別確定DSP和單片機的功能，DSP軟件系統的主要功能有算法、通訊和故障識別等。單片機系統的主要功能是液晶顯示、參數保存和故障記錄保存等。DSP部分包括系統的初始化，初始化子程序主要實現參數的初始化、中斷初始化、事件管理器的初始化與芯片外圍電路的初始化等。單片機部分主要包括完成調試菜單程序、人機接口功能、通訊程序與告警模塊程序等。

隔爆高壓開關智能保護系統的主程序流程如圖3所示，主程序包括:智能系統的初始化；整定值的輸入；模擬信號的采樣與數字信號轉換；應用傅里葉算法計算電壓U、電流I及兩者相位關系、計算有功與無功功率P、Q等參數；故障的識別與切除；與計算機軟件通訊等功能。

圖3 隔爆高壓開關智能保護系統主程序流程圖

圖4為DSP故障識別與切除的具體程序流程，當保護裝置上電后，程序對系統進行掃描判斷是否存在故障，若存在故障，識別故障類型，延時時間滿足條件后，發出跳閘命令，并生成故障報告傳送到交互界面。當故障切除后，系統發出復位信號，將定時器重置為0，返回主程序。

圖4 DSP故障識別及切除流程圖

4 結束語

近年來，開關綜合保護系統的研究受到大量關注，隔爆型高壓開關獲得廣泛應用后，對其研究方向應以深度與實用性為目標。本文分析了目前開關智能綜合保護的應用情況后，設計了基于DSP和單片機的雙CPU主從控制開關智能綜合保護系統，在原理和硬件設計等方面進行了綜合考慮與設計，使礦用高壓開關裝置保護系統的技術水平與可靠性進一步提高。