鄭艷紅

（大同煤礦集團機電裝備科工安全儀器有限責(zé)任公司， 山西 大同 037000）

引言

饋電開關(guān)是井下低壓供電系統(tǒng)的重要電氣設(shè)備，可實現(xiàn)對井下電網(wǎng)的故障檢測與保護，保障礦井低壓供電的安全性。而傳統(tǒng)饋電開關(guān)故障保護具有響應(yīng)速度慢、可靠性和穩(wěn)定性差等問題，隨著井下電壓等級、設(shè)備容量及工作安全性等要求的提升，傳統(tǒng)饋電開關(guān)保護技術(shù)對井下低壓用電安全構(gòu)成較大威脅[1]。因此，開展礦用低壓饋電開關(guān)保護技術(shù)分析及應(yīng)用方案設(shè)計十分必要。

1 礦用低壓饋電開關(guān)保護技術(shù)現(xiàn)狀分析

近年來，隨著科技的發(fā)展與進步，運用各種新理論和新技術(shù)提高了饋電開關(guān)的保護能力。其中，采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)提高故障診斷效果已成為饋電保護技術(shù)發(fā)展的重要方向[2]。

1）在饋電開關(guān)信號采樣方面。目前壓縮傳感采樣技術(shù)應(yīng)用較為成熟，該技術(shù)利用固定的結(jié)構(gòu)函數(shù)以兩倍關(guān)系對連續(xù)信號進行采集。相比于傳統(tǒng)的采樣方法，該方法所需要的傳感器和采集數(shù)據(jù)冗余度相對較少。將壓縮感知采集技術(shù)應(yīng)用到饋電開關(guān)保護技術(shù)中，可增加保護系統(tǒng)的保護性能，實現(xiàn)了傳統(tǒng)數(shù)據(jù)采集的技術(shù)突破。

2）抗干擾方面。由于煤礦井下環(huán)境惡劣且干擾信號多，造成了礦用低壓饋電開關(guān)保護裝置發(fā)生較為明顯的誤動現(xiàn)象。因此，需要提高保護裝置的電磁兼容性，保證裝置即使在受到外界電磁干擾情況下，也能夠正常進行保護工作；同時，保證裝置自身產(chǎn)生的電磁干擾信號不對其他設(shè)備的正常工作造成一定影響，以保障系統(tǒng)功能夠正常運行。保護系統(tǒng)較強的抗干擾能力，保證了系統(tǒng)正常工作的連續(xù)性，降低了設(shè)備失效或誤導(dǎo)造成的損失[3]。

因此，隨著技術(shù)的進步與快速發(fā)展，綜合國內(nèi)外保護技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀，將數(shù)字化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化、抗干擾性等技術(shù)應(yīng)用到煤礦供電保護系統(tǒng)中已成為未來發(fā)展趨勢，先進理論與保護裝置設(shè)計的有效結(jié)合設(shè)計出性能更好的保護設(shè)備。

2 礦用低壓饋電開關(guān)保護裝置基本要求

根據(jù)《煤礦安全規(guī)程》規(guī)定，煤礦井下低壓饋電線路上必須安裝漏電保護裝置[4]。因此，為保證供配電系統(tǒng)在井下惡劣環(huán)境下的正常工作，對饋電開關(guān)保護裝置做了如下基本要求：

1）安全性。饋電開關(guān)保護裝置主要是為了保證井下環(huán)境與人員的安全。因此，將安全因素作為衡量饋電開關(guān)是否合格的重要標(biāo)準(zhǔn)。在該裝置設(shè)計過程中，保護裝置應(yīng)具有較好的速動性，保證人員具有較短的觸電電流及觸電時間。

2）功能全面。在礦用饋電開關(guān)保護系統(tǒng)設(shè)計過程中，應(yīng)對系統(tǒng)進行過載、漏電、短路、斷相等保護功能設(shè)計。

3）可靠性?？煽啃允侵副Ｗo系統(tǒng)在其保護范圍內(nèi)發(fā)生接地故障時，該裝置可以發(fā)出瞬時動作以避開故障線路；而在其他情況下則不發(fā)出動作。同時，要求保護器應(yīng)具有良好的抗干擾能力，在外部干擾的影響下能做到不誤動、不拒動等功能，保證自身結(jié)構(gòu)的完整性。

4）選擇性。在煤礦井下供電網(wǎng)絡(luò)中，將漏電閉鎖功能和選擇性漏電保護功能結(jié)合使用，通過減小停電范圍，對故障點所在的電路進行準(zhǔn)確判斷，以保護裝置的完整性。

5）快速反應(yīng)性。根據(jù)30 mA·s的安全指標(biāo)和柯奧西撲卡公式t=30/IR（式中，t為人觸電時間，IR為人觸電電流）可知，在不同電壓等級情況下，可計算出人身體的最大允許觸電電流及最大允許觸電時間，如下頁表1所示。在設(shè)計過程中，應(yīng)保證保護動作的反應(yīng)時間不大于最大允許觸電時間。

表1 不同電壓等級下最大允許觸電電流與最大允許觸電時間值

3 饋電開關(guān)保護技術(shù)應(yīng)用方案設(shè)計

3.1 系統(tǒng)功能分析

在系統(tǒng)設(shè)計過程中，將饋電開關(guān)保護裝置安裝在電網(wǎng)的饋電開關(guān)防爆腔內(nèi)，通過控制斷路器，實現(xiàn)系統(tǒng)電路的通電與斷電，達到保護電路的目的[5]。結(jié)合生產(chǎn)現(xiàn)場，按照電氣原理圖，將各設(shè)備儀器進行連接，其關(guān)鍵設(shè)備及電氣連接圖如圖1所示。該系統(tǒng)的功能結(jié)構(gòu)主要由電源模塊、信號預(yù)處理模塊、保護其核心模塊、電網(wǎng)參數(shù)信號采集轉(zhuǎn)換模塊、繼電保護輸出及其他各類模塊組成，具體如圖2所示。

圖1 饋電開關(guān)保護系統(tǒng)關(guān)鍵設(shè)備及連接圖

圖2 系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)組成圖

在保護系統(tǒng)設(shè)計過程中，對整套系統(tǒng)進行了故障保護設(shè)計，其故障保護過程流程圖如圖3所示。在該故障保護過程中，通過互感器對電網(wǎng)故障信號進行采集，并將處理好的信號通過信號處理電路傳送至保護器，完成對信號的故障處理與判斷，利用驅(qū)動繼電器控制斷路器跳閘原理，實現(xiàn)系統(tǒng)故障保護。

3.2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

該系統(tǒng)的硬件設(shè)計，以單片機技術(shù)為基礎(chǔ)，采用高性能的32位ARM嵌入式處理器STM32F103RB芯片設(shè)計，具有采樣電路簡單、性能高等特點[6]。該系統(tǒng)硬件的結(jié)構(gòu)主要由電源模塊設(shè)計、通信模塊設(shè)計、采樣信號處理電路設(shè)計、液晶顯示模塊設(shè)計、開關(guān)量輸入輸出電路設(shè)計等部分組成，其系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計框如圖4所示。其中，系統(tǒng)的電源模塊是系統(tǒng)硬件中的關(guān)鍵部分，因此，在設(shè)計過程中，電源模塊考慮了不同等級的電壓和系統(tǒng)抗干擾措施。

圖3 系統(tǒng)故障保護過程流程圖

圖4 系統(tǒng)硬件設(shè)計框架圖

3.3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

饋電開關(guān)保護系統(tǒng)采用功能較多的移植開源μC/OS—Ⅱ嵌入式操作系統(tǒng)。該系統(tǒng)功能通過對操作系統(tǒng)的選擇與裁剪，根據(jù)任務(wù)模塊內(nèi)容，完成系統(tǒng)功能的劃分及功能程序編寫。因此，該系統(tǒng)軟件設(shè)計以系統(tǒng)硬件設(shè)計為基礎(chǔ)，主要程序主要由數(shù)據(jù)計算處理、保護功能判斷與輸出、邏輯判斷、各類管理、人機操作等，軟件系統(tǒng)設(shè)計框架如圖5所示。該系統(tǒng)軟件主要由系統(tǒng)任務(wù)、系統(tǒng)內(nèi)核、中斷服務(wù)程序、驅(qū)動程序、BSP等部分組成，在其設(shè)計過程中，需要完成操作系統(tǒng)的移植、任務(wù)的設(shè)計、應(yīng)用程序及中斷服務(wù)函數(shù)編寫等內(nèi)容。

圖5 軟件系統(tǒng)設(shè)計框架圖

4 結(jié)論

根據(jù)本文研究的設(shè)計方案設(shè)計的礦用低壓饋電開關(guān)保護系統(tǒng)具有較高的可靠性，解決了傳統(tǒng)饋電開關(guān)保護技術(shù)穩(wěn)定性差、安全性低等問題。該方案為后期開展保護系統(tǒng)的詳細(xì)設(shè)計提供了設(shè)計思路，對提高系統(tǒng)的保護性能和井下用電安全具有重要意義。