礦井供電過程漏電監控保護系統設計

席 欣

（山西霍寶干河煤礦有限公司，山西臨汾 041600）

0 引言

煤礦作為國家綜合快速發展的重要資源，在煤礦開采過程中會涉及到較大的煤礦開采設備，包括采煤機、掘進機、通風機、提升機、照明等，這些設備在使用過程中會消耗大量的電能，且設備運行功率相對較大，使得設備電纜承受較大的電流負荷作用。近年來，因設備漏電造成的井下事故頻發，井下漏電事故一旦爆發，將對煤礦開采及作業安全造成嚴重影響［1］。據分析，井下設備的正常運行主要依靠電纜進行供電，而電纜作業過程中因受到井下潮濕穩定影響，加上電纜長時間作業和設備耗電功率較高，導致了電纜出現不同程度的老化現象，部分井下的不規范操作，最終造成了設備電纜出現了漏電故障，嚴重影響礦井供電過程的安全。將自動化控制技術應用到井下供電過程的漏電監控過程中，實現對井下供電過程的安全監控保護成為當前重點［2］。

為此，本文開展了礦井供電過程漏電的安全監控保護系統的設計研究，并重點對該系統的關鍵分系統進行分析和實際應用，驗證了該監控系統的可靠性及穩定性，對提高井下供電過程的安全保護具有重要意義。

1 供電過程漏電保護的必要性分析

目前，市場上針對井下供電過程漏電監控保護的檢測方法包括穩態分量法、直流源檢測法、負序電流法等，根據不同井下工況及供電功率大小，選擇最佳的漏電保護檢測方法。其中，負序電流法判斷邏輯相對簡單，較易實現，但所采集的數據存在信號微弱、干擾信號多等問題，數據采集準確性相對較差［3］。針對井下供電過程，采取漏電保護的必要性主要包括以下兩個方面。

（1）防止電氣雷管爆炸。由于井下工作設備的工作功率相對較高，極容易造成工作電流突然變大，當發生設備漏電且漏電電流達到雷管爆炸電流閥值時，則容易發生電氣雷管的爆炸。安裝漏電保護系統后，可根據漏電電流大小自動切斷電網，有效防止事故發生。

（2）避免瓦斯爆炸。井下采煤過程中會產生大量粉塵及瓦斯，并在一定空間范圍內進行聚集，當設備出現漏電故障時，極容易產生火源或電火花，當漏電火源或電火花與一定濃度的瓦斯接觸時，則會瞬間發生井下瓦斯爆炸。設計漏電保護系統后，將通過檢測電路及產生的電火花，及時切斷電網，以防止瓦斯爆炸事故發生［4］。因此，采用科學、高效的漏電檢測算法，實現對井下多路供電電路的實時數據檢測，實現供電過程漏電的自動監控及保護，成為當前建設智能化安全礦井的重要方向。

2 漏電保護系統總體設計

該供電過程中的漏電監控保護系統包括了24 V工作電源、信號調節電路、CPU控制器、電阻連續檢測、顯示儀表、報警單元等部分。在整個環節中，首先通過終端的電壓采集模塊，對井下供電過程中的電壓及電流進行實時采集，所采集信號通過信號調理電路的分析處理后，輸出至DSP控制器中，將檢測信號轉變為電壓信號，并對信號進行分析和邏輯判斷［5］。所判斷出的控制命令傳輸上機位軟件系統，進行設備供電狀態的實時顯示，當檢測到的漏電電流或電壓值超過對應閥值時，該監控系統則及時發出相應的報警提示，通過執行機構及時切斷整個供電系統的供電電源。而24 V則主要是為整套供電漏電監控保護系統提供工作電壓。其中，DSP控制器選用了TMS320F28335型芯片，具有高精度、高準確性、數據響應速度快等特點，在煤礦供電保護系統中應用較為廣泛。整套漏電監控保護系統的結構框架如圖1所示。

圖1 供電過程漏電監控保護系統

3 關鍵分系統設計

3.1 漏電保護系統硬件系統設計

3.1.1 控制器選型設計

由于該漏電保護系統在運行過程中具有較大的數據獲取量及存儲量，為提高整套系統的運行能力，選用了TMS320F28335芯片作為系統的控制器，其實物如圖2所示。該芯片采用了32／64位處理器，融合了多種復雜算法，能快速實現系統數據的采集、計算、處理及判斷；同時，采用了DSP專用硬件乘法器，可提高系統漏電的檢查及判斷速度［6］。另外，該芯片設置了多路零序電流、電壓、電阻采樣獲取點，自備了A／D數據轉換模塊，能實現超過12條A／D信號的轉換，CPU主頻達到160 MHz，較好地滿足了該監控系統的數據處理需求。

圖2 TMS320F28335芯片實物

3.1.2 電源模塊設計

電源模塊是整個漏電監控保護系統正常運行的關鍵，保證該電源模塊的運行穩定，對提高該監控系統的保護性能至關重要。為此，在該電源模塊設計中，選用了DSP精密芯片，內部的工作電壓設置為1.8 V，I／O接口工作電壓為3.3 V，此引腳電壓均采用固定方式進行輸出。同時，設置了1個24 V的直流電源，可為漏電安全監控系統中各類繼電器、絕緣電阻等零件的運行提供必要的工作電源。同時，在電源模塊中設計了多個LM324運算放大器，其工作電壓為DC12 V。另外，該電源模塊中設計了一個電容和開關電源模塊，工作電壓為5 V，可實現對信號的諧波去除及干擾。電源模塊的電路如圖3所示。

圖3 電源模塊電路

3.1.3 電壓調節模塊電路設計

該漏電監控保護系統在運行時，所需的電壓值相對較多，且不穩定的電壓值將對該系統的運行構成重要影響。因此，對系統中電壓值進行了調節模塊設計。因此，選用了TV16E型電壓互感器，可實現電壓2 000∶2 000的變比，輸入電流為2.5 mA，在互感器一側添加了一個210 kΩ的電阻，可將外部的AC220 V電壓信號轉換為系統所需的DC直流電壓平臺和電流值。另外，通過設計的LM324運算放大器，可將電壓信號進行升壓或降壓，并保持在一定波動范圍內。由此，實現對系統中電壓范圍的調節，電壓調節模塊電路如圖4所示。

圖4 電壓調節模塊電路

3.2 軟件系統程序設計

在該軟件系統中，所涉及到的程序包括主程序、采樣程序、初始化子程序、中斷子程序等。在該系統啟動時，首先通過系統內部的主程序進行初始化操作，實現系統自檢，無誤后啟動采樣子程序，對供電過程中的零序電壓參數進行信號采集，并將采集信號經過調節后，進行A／D數字信號轉換，與設置的零序電壓閥值進行對比判斷，若超過對應閥值，則向保護子程序發出控制命令和啟動該保護程序，記錄相應的故障信息。同時，向中斷子程序發出命令，實現整個電路的供電中斷，軟件系統的主程序控制流程如圖5所示。另外，該軟件系統中的保護子程序設計中采用了GPIO寄存器、定時器、ADC寄存器等，在與主程序信號傳遞接收時，充分利用了EnableInterrupt、Init Adc等函數進行調用操作。而中斷子程序則主要利用XINT1、XINT2接口與外部進行信號連接。

圖5 主程序控制流程

4 監控系統應用效果分析

在完成上述井下供電過程漏電的監控保護系統設計后，將其在礦井中進行了應用模擬驗證。在應用過程中，該系統能對井下各主干電纜，分支電纜上的電流、電阻、電壓、溫度、火源等信息進行信號采集及檢測，整個信號的采集時間控制在0.4 s范圍內，并及時向監控系統的CPU發出信號。同時，由于添加了抗干擾模塊，所采集信號的準確性及清晰度相對較高。針對高阻接地、間接性故障狀態時，該監控系統也實現了較為準確的檢漏現象。在為期5個月的運行期間，該監控系統累計檢測了15次電流過大、電阻過熱等不同類型故障現象，針對這些故障類型，該監控系統根據內部的算法，及時自動切斷了10次電網通電，有效實現了對井下供電過程的安全保護。據相關人員評價，該漏電監控保護系統的應用，降低了井下電氣安全檢測人員的勞動強度，減少了企業相關電氣檢修的經濟費用支出，所帶來的實際應用價值重大。

5 結束語

將當前成熟的信息化、智能化的控制技術應用到礦井供電過程漏電保護中，實現對礦井供電過程安全的保護，已成為企業重點考慮方向，而實現供電過程中電流、電壓、電阻及溫度等信號參數的檢測是關鍵。為此，本文在分析當前礦用供電過程漏電監控保護系統應用的必要性基礎上，開展了漏電監控保護系統的總體設計及關鍵分系統研究，并將該系統進行了現場應用檢測。結果顯示，該監控系統運行穩定可靠，能準確、快速地對供電過程中相關參數進行檢測，并及時發出切斷電網的控制操作，實現了對井下電網及井下作業的安全保護，具有重要的實際應用價值。