礦用饋電開關保護裝置設計研究

趙小平，韓晨霞，馬 晟，高 濤

(神木職業技術學院，陜西 神木 719300)

近年來，我國煤炭行業歷經結構性調整，降低生產過程中高污染、高耗能，其比重有所下降，但是主體地位沒有發生改變。對新型智能化自動設備的使用都有全新的提高，尤其是礦井供電系統的加強和完善，不僅需要提供基本保障的供電功能，而且還需提供完善的保護功能。由于煤礦井下環境復雜、惡劣，致使低壓電網出現各種故障，當礦井空氣中含有瓦斯等氣體時，如果供電設備出現短路和漏電，容易引起重要的安全事故。目前，在具有瓦斯、煤塵等危險爆炸性氣體的環境中，煤礦常采用礦用隔爆低壓真空饋電開關，該設備具有智能化程度高、可靠性強的特點。饋電開關作為煤礦井下重要的供電系統安全保障的重要設備，國內外學者對其進行了深入的研究。文獻[1]將零序電抗器并聯到電阻接地系統，當發生單相接地故障時，在非故障支路與故障支路中，零序電流與零序電壓相位差出現差異，根據差異性實現故障選線，該裝置不受電網中零序電抗器補償的影響，可靠動作；文獻[2]采用PLC控制器，設計了煤礦饋電開關保護系統，降低了井下電網的故障發生率。鑒于此，為了確保在復雜環境下設備的穩定運行，饋電開關保護裝置應具有靈敏度高、選擇準確、可靠性高、功能全面等特性，本文研究設計了礦用饋電開關保護裝置，設計系統的硬件部分和軟件部分，研究推動了礦用防爆技術的進步和發展。

1 井下低壓供電系統結構

隨著我國經濟的發展，煤礦供電系統的裝機容量和電壓等級不斷提高。其中綜采裝機容量已經達到2 500 kW，電壓升至3 300 V。煤礦采用變電站+放射式供電的方式對井下低壓電網進行供電。礦井低壓供電系統結構包括磁力啟動器、分支饋電開關、總饋電開關、高壓配電裝置和變壓器，如圖1所示。在井下低壓供電電網運行過程中，系統存在3個狀態(正常狀態、異常狀態、故障狀態)[3-5]。本文所研究的饋電開關保護裝置主要用于異常狀態和故障狀態下。

圖1 井下低壓供電系統結構

2 饋電開關保護裝置硬件設計

2.1 饋電開關保護裝置硬件框架

基于系統的穩定性、可靠性、環境對性能的影響、性價比、維護方便等，饋電開關保護裝置主要通過控制斷路器來實現相應保護。饋電開關保護裝置硬件主要由電源模塊、輔助模塊、永磁操作機構驅動和儲能電容充電模塊、開關量輸入輸出模塊等構成[6-7]。饋電開關保護裝置硬件框架如圖2所示。

圖2 饋電開關保護裝置硬件框架

功能分析：①電源模塊。主要為系統提供各項電壓，采用銅柱固定，與主控電路板分開，減少電源模塊對主板電路的影響。②輔助功能模塊。為系統提供可增設性模塊，由溫度測量模塊、外擴Flash和故障信息存儲模塊構成。③儲能電容充電和永磁操作機構驅動模塊。主要是完成故障保護。④開關量輸入輸出模塊。主要用于識別現場的開關狀態。⑤通信模塊，主要采用CAN總線，實現和其他設備的通信。⑥人機接口模塊。主要由液晶和按鍵組成。⑦模擬量采集模塊。主要由電網電流、電壓，零序電流、電壓構成。

2.2 系統硬件電路設計

系統硬件電路設計主要包括永磁操作機構驅動模塊電路、開關量輸入輸出模塊電路、液晶顯示模塊電路、交流信號處理電路、TMS320F28335最小系統電路、電源模塊電路、其他外圍功能模塊電路等。電源質量會直接關系著系統的穩定，是系統運行的基礎。變壓器設計電路原理如圖3所示。

圖3 變壓器設計電路原理

系統主電源為48 V交流電、附加直流電源模塊需要+36 V電壓，機電控制電路需要+24 V電壓，信號調理模塊需要±2.5、±5.0 V電壓，TMS320F28335數字信號處理器、LCD12864液晶顯示模塊需要+3.3 V電壓，ADC保護電路需要±2.5 V電壓。因此，本文采用小型電源變壓器，對各個系統和模塊進行供電。

3 饋電開關保護裝置軟件設計

對饋電開關保護裝置軟件的設計，主要包括主程序、故障保護模塊、人機交互模塊、數據采集與分析模塊、CAN總線通信模塊等，本文僅介紹主程序、故障保護模塊等軟件的設計[9-10]。

3.1 主程序

系統主程序是整個系統的框架，主要是參數初始變量賦值和器件的初始化[11-12]。主程序執行流程如圖4所示。

圖4 主程序執行流程

3.2 故障保護功能程序設計

漏電故障保護程序流程[13-15]如圖5所示。系統電壓參數故障保護的程序流程如圖6所示。

圖5 漏電故障保護程序流程

圖6 系統電壓參數故障保護的程序流程

3.3 CAN通信模塊程序設計

CAN總線作為國際標準的現場總線，具有數據傳輸速率高、自動故障判斷、故障節點自動脫離、數據傳輸距離遠、成本低廉等特性。多節點CAN總線設備通信如圖7所示。

圖7 多節點CAN總線設備通信示意

4 系統抗干擾設計

由于礦用饋電開關設備的工作環境較為復雜，為了使礦用饋電開關具有良好的抗干擾設計，系統抗干擾設計[8]：①使用隔離技術。在礦用饋電開關保護裝置的開關量輸出和開關量輸入均采用隔離技術，能夠有效分離軟電路和強電路。②采用降額設計。在滿足電路設計的基礎上，使元件承受的應力值低于額定值。③每個IC芯片的電源端并聯濾波電容。主要作用是防止芯片因脈沖電壓而出現工作異常。④采用二極管。在AD轉換的模擬輸入端使用二極管，主要作用是防止電壓對模塊造成的損傷。⑤使用消抖電容。在按鍵輸入端接入消抖電容，避免消抖作用，也起到抗干擾作用。⑥使用電路功能模塊布局。在進行PCB元件布局時，采用電路功能模塊布局。

5 結論

基于礦井低壓供電系統結構，研究了饋電開關保護裝置硬件設計，主要包括電源模塊、輔助模塊、永磁操作機構驅動和儲能電容充電模塊、開關量輸入輸出模塊、通信模塊、人機接口模塊、模擬量采集模塊、核心微控制器模塊等，設計了變壓器電路及系統抗干擾；研究了饋電開關保護裝置軟件設計，主要包括主程序、故障保護模塊、人機交互模塊、數據采集與分析模塊、CAN總線通信模塊等，本文僅介紹主程序、故障保護模塊等軟件的設計，分析了主程序執行流程及漏電故障保護程序流程等，對煤礦事業的發展具有重要的意義。