煤礦供電系統線路保護裝置研究與設計

弓鵬飛

(西山煤電 晉興公司 斜溝煤礦，山西 呂梁 033600)

0 引言

作為我國工業生產的主要能源之一，煤炭的生產效率和生產安全至關重要。隨著自動化技術及機械制造工藝的不斷進步，大量電氣設備已在井下得到廣泛使用，目前煤礦供電系統的電壓等級主要為6 kV與10 kV，隨著綜采工作面的持續擴大，供電線路及裝置也布局到礦井下較深位置，因此井下供電系統層級較多、變電站分布較散且輸電距離長。在這種供電方式下，線路保護裝置存在著安全限值無法統一、保護功能欠缺等問題，當供電系統出現過壓、過流、欠壓等故障時，保護裝置不能及時有效地啟動保護動作，跳閘事故發生概率較高，易引發井下大規模停電事故，對煤礦的生產效率與安全性影響較大。

隨著自動控制技術、通訊技術及軟件技術的快速發展，線路保護的技術水平也得到大幅提高。根據國內煤礦井下供電系統的特點，本文設計了一種基于CAN總線通訊技術的線路保護系統方案，可實現供電系統中多個保護裝置的數據互通，通過主機對故障數據進行處理并發出控制信號，可避免越級跳閘現象的發生，實現對井下供電系統的遠程監控與保護。

1 保護裝置總體設計

1.1 保護原理

線路保護的基本原理是搭建基于CAN總線的通訊網絡，供電系統中多個保護裝置與主機可通過該網絡實現數據互通，主機接收到保護裝置上傳的故障數據后，可快速識別出故障狀態與位置，選擇合適的保護動作對線路進行保護，以保證供電系統的穩定運行，線路保護結構如圖1所示。通訊網絡中某一節點可向其他節點傳輸數據信息，當多個保護裝置同時向CAN總線傳輸數據時，系統會中斷級別較低節點的傳輸數據功能，而級別較高節點可繼續上傳數據。圖中保護裝置的傳輸數據等級由QF6～QF1依次降低，而跳閘等級則由QF6～QF1依次升高。通過設定各級之間保護動作的延時，并選擇合理的跳閘保護動作，可有效避免越級跳閘事故的發生。

圖1 線路保護結構示意圖

1.2 主要功能

線路保護裝置主要有以下4種功能：

(1) 遠程監控功能。保護裝置可在線測量供電系統中電壓與電流等電氣量，并進行有功、無功等參數的計算，將數據傳輸到主機，主機可對保護裝置的參數進行設定與調整；同時保護裝置也可監測到斷路器、閘刀的開關信息，在線控制斷路器與閘刀的通斷。

(2) 保護功能。保護功能包括過流保護、欠壓保護及過壓保護等，可通過保護軟壓板對每個保護動作的啟動與停止進行控制。

(3) 故障報警功能。保護裝置檢測到故障時，會通過語音報警、主機界面顯示等方式提醒工作人員。若保護裝置自身存在故障，也可進行故障報警并停止運行，經工作人員修復后保護裝置可上電繼續運行。

(4) 故障定位功能。主機可通過對上傳故障數據的分析處理確定故障發生位置，從而方便工作人員及時進行故障線路維修。

2 硬件設計

硬件電路結構示意圖如圖2所示，該電路主要包括交流電壓電流輸入模塊、CPU模塊、開關量模塊、通信模塊、人機對話模塊及電源模塊，這種插件式的硬件設計方式可方便電路的功能改造與擴展。CPU為整個保護電路的核心，包含存儲、晶振及復位電路，主要功能有數據處理分析、邏輯判斷、故障處理、通訊及存儲等。交流信號輸入模塊則包含電壓電流互感器、電壓變換與濾波電路，可將采樣得到的信號傳輸至控制芯片。通信模塊包括RS485與CAN接口電路，可實現供電系統中保護裝置與主機間的數據傳輸功能。開關量輸入模塊則用于采集多個開關的狀態信息。人機對話模塊的主要作用是便于工作人員掌握保護裝置的狀態并對其進行設置。電源模塊則用于給所有硬件電路供電，維持保護裝置的正常運行。

圖2 硬件電路結構示意圖

2.1 交流輸入電路

交流電壓與電流的傳感器變比分別為120 V/7.07 V和100 A/7.07 V,電壓與電流經采樣后轉換為有效值7.07 V的交流信號，因芯片MB9BF518S的信號測量范圍為0 V～5 V，所得交流信號還需經信號轉換電路轉換為控制芯片可測量的0 V～5 V信號。

圖3為信號轉換電路圖，電壓與電流傳感器輸入的信號經分壓電阻R1與R2，將正弦信號按10 V/1.37 V比例轉換后，再經運算放大器轉換為0 V～5 V的正極信號，經RC濾波后輸入到芯片進行AD轉換。

圖3 信號轉換電路

2.2 CAN總線接口電路

控制芯片本身已具備CAN總線控制功能，所以接口電路只需圍繞CAN總線收發器進行設計。圖4為CAN總線接口電路，芯片CTM8251T具備直流電壓隔離與收發信號功能，CTXD與CRXD分別為發送信號和接收信號的引腳。

圖4 CAN總線接口電路

2.3 開關量輸入電路

開關量輸入電路如圖5所示，輸入信號為220 V交流電壓，交流信號經整流與濾波后輸入到光耦模塊，此時交流信號已轉換為正極信號，可使光耦芯片TLP521導通，最終輸出低電平信號到控制芯片。

圖5 開關量輸入信號電路

3 功能測試

為驗證本文保護裝置設計的有效性，根據礦井實際供電狀況，搭建如圖6所示的試驗電路，設置QF1的電流傳感器變比為80/1，過流保護延時為300 ms；QF2、QF3與QF4、QF5傳感器變比分別為60/1與40/1，過流保護延時分別為150 ms與75 ms；QF6電流傳感器比值為20/1，過流保護無延時；6個開關的快速過流保護動作最大電流值均為100 A。

圖6 試驗電路示意圖

設置A、B、C處發生短路故障，其線路電流超過100 A時，6個開關在可正常運行狀態下的測試數據如表1所示。設置D處發生故障且QF2、QF3發生故障，測試數據如表2所示。由表1與表2測試數據可知，本文所設計的保護裝置方案可迅速切斷短路電流，且可避免越級跳閘事故的發生。

表1 A、B、C處故障的測試結果

表2 D處與部分開關故障的測試結果

4 結束語

本文根據礦井目前供電系統線路保護的實際需求，設計了基于控制芯片MB9BF518S的保護裝置，首先對煤礦井下線路保護裝置的工作原理和主要功能進行了介紹，隨后對保護裝置的總體結構及具體電路進行了詳細的設計。測試結果表明，所設計線路保護裝置可滿足煤礦供電系統的保護需求，對煤礦的高效、安全生產具有積極意義。