喬喆

(晉城市煤炭煤層氣工業(yè)局， 山西 晉城 048000)

0 引言

礦井下低壓電路網(wǎng)是煤礦供電的重要方式，而其低壓電氣設(shè)備受到煤炭、巖石、機械設(shè)備的擠壓碰撞，對其造成損壞而發(fā)生漏電和接地故障;受礦井下潮濕且有可燃性氣體環(huán)境的影響的低壓電氣設(shè)備，若故障不能及時排除，可能造成設(shè)備損壞、人身生命安全、瓦斯爆炸等嚴(yán)重事故[1-2]。我國井下設(shè)備的保護經(jīng)歷機電保護階段、半導(dǎo)體階段、微機式保護階段，并隨著數(shù)字化信息技術(shù)、自動化與智能化技術(shù)的發(fā)展，使得目前井下低壓配電線路面臨的一些問題可以通過微機的自動化監(jiān)測、保護、預(yù)警等功能及時解決。因此，研究設(shè)計一種在礦井惡劣環(huán)境下依舊能正常安全生產(chǎn)的監(jiān)低壓設(shè)備監(jiān)測保護系統(tǒng)具有十分重要的意義[3-5]。

1 常見故障及保護

1.1 短路故障分析及保護

在煤礦井下低壓設(shè)備的供電系統(tǒng)中，以短路故障最為常見。其中短路故障根據(jù)故障類型又可以分為三相短路、兩相接地短路、兩相短路和單相接地短路，其中以單相接地短路故障發(fā)生的概率最大，約占其65%。由于礦井下工作要求的特殊性，變壓器中性點禁止直接接地，故礦井下的供電系統(tǒng)在發(fā)生單相接地短路故障時，會直接發(fā)生漏電電流。假設(shè)礦井下供電系統(tǒng)電源容量無限大，電網(wǎng)中d點處發(fā)生三相短路故障，其等效電路如圖1所示，根據(jù)對稱性對其中一項進行分析，可得短路前的電壓、電流為：

u=Umsin(ωt+θ)

(1)

i=Imsin(ωt+θ-φ)

(2)

圖1 三項短路故障示意圖

由圖1可知，左側(cè)回路仍為一個回路，每項阻抗由原來R+Rz+j(XL+XLZ)，減為R+jXL；右側(cè)電力沒有電源供給，它的電流從短路點開始衰減直至0，其線路經(jīng)過一個暫態(tài)過程，設(shè)短路瞬間電流值為id,根據(jù)KVL方程得：

(3)

對上述一階常系數(shù)非齊次微分方程求解后，可得：

id=Izmsin(ωt+θ-φd)+[Imsin(θ-?)-

(4)

由式(4)看出,短路電流被分為兩部分，一部分呈正弦周期性變化，另一部分按指數(shù)隨時間而衰減。

針對礦井下短路故障，因兩相短路時的電流值在所有短路故障中最小，通常礦井下低壓饋電開關(guān)速斷保護電流值,其最常使用線路末端的兩相短路電流進行保證裝置的整定，即：

Iz≥IQe+Kx∑Ie

(5)

式中:Iz為速斷保護電流整定值；IQe為最大容量電動機的啟動電流；Kx為實際參數(shù)；∑Ie為其余電動機啟動電流之和。

1.2 過載故障分析及保護

礦上電氣設(shè)備的過載主要是指通過電氣設(shè)備的實際電流值超過規(guī)定允許時間內(nèi)的額定電流值的一種非正常運行狀態(tài)，其電流大約為額定電流值的1.2～3倍，作用時間從幾十分鐘到幾個小時不等。礦井下發(fā)生過載的主要原因為電動機啟動力矩不足或負載過重時啟動；井下電網(wǎng)中電壓發(fā)生偏移；過載時設(shè)備產(chǎn)生的高熱量隨時間不斷累積，長時間運行會加速設(shè)備老化，甚至造成設(shè)備損壞。

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針對礦井下電氣設(shè)備的過載反應(yīng)，采取反時限動作保護的原理，即可利用微機保護實現(xiàn)反時限的保護。由于礦井下配電設(shè)備負荷波動比其它地方較大，流過低壓開關(guān)中電流變化更加頻繁，相比于傳統(tǒng)三段式保護，反時限保護具有更多的動作選擇空間，延時動作更加準(zhǔn)確，能保證礦井下低壓電網(wǎng)出現(xiàn)故障時安全、可靠、選擇性做出保護反應(yīng)。同時，在利用反時限動作應(yīng)對礦井下過載保護時，要充分考慮電氣設(shè)備熱量累積效應(yīng)，防止給設(shè)備正常運行帶來不利影響。

1.3 漏電故障分析及保護

礦井下工作環(huán)境惡劣，負荷波動大，若電纜等電氣設(shè)備極易受到巖石煤炭的撞擊或擠壓，極易造成漏電故障的發(fā)生。目前國內(nèi)對于礦井下供電系統(tǒng)采用變壓器中性點不接地系統(tǒng)中對漏電故障的定義,即井下供電系統(tǒng)總絕緣阻抗下降使得入地電流增大，甚至高達數(shù)10 A時，線路或電氣設(shè)備發(fā)生漏電故障。根據(jù)煤礦安全要求，礦井下低壓饋電線上為防止漏電故障的發(fā)生必須有檢漏保護或漏電保護裝置，而對煤礦井下低壓漏電保護裝置一般有如下要求：

1) 具有漏電跳閘和漏電閉鎖的雙重保證功能。根據(jù)工程經(jīng)驗，對于額定電壓為380 V供電等級，漏電動作電阻的整定值為3.5 kΩ，漏電閉鎖電阻的整定值為7 kΩ；對于660 V電壓等級的供電，漏電動作電阻的整定值為11 kΩ，漏電閉鎖電阻的整定值為22 kΩ。

2) 漏電保護裝置在保證不發(fā)生誤動、不拒動、靈敏可靠的要求下動作時間短、速度快。國內(nèi)礦井下對于漏電人身觸電的電氣安全參量為30 mA·s,同時隨著所用電壓等級的提高就更應(yīng)保證故障發(fā)生時切斷故障的時間更短、速度更快。

2 低壓電氣設(shè)備監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計

2.1 總體結(jié)構(gòu)

本系統(tǒng)硬件電路系統(tǒng)將監(jiān)測、保護、通訊、控制功能于一體，通過實時采樣監(jiān)測電流、電壓等參數(shù)信號，當(dāng)發(fā)生故障時能自動判別，輸出控制動作，同時給與報警功能，并通過人機接口進行上傳下達交互命令。該系統(tǒng)的主要組成部分為：主控模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、開關(guān)輸入/輸出模塊、人機接口、通信單元等部分，其硬件總體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)硬件總體結(jié)構(gòu)

2.2 主控處理器介紹

為適用礦井下復(fù)雜環(huán)境，監(jiān)測系統(tǒng)以STM32F103ZET6為核心的嵌入式控制芯片，其性能相比于8bit單片機內(nèi)核更為強大，功耗更低，專門實用于工業(yè)控制和消費電子等領(lǐng)域但成本其成本僅略高于8 bit單片機。STM32F103ZET6主控處理器特點為：

2) 擁有USART串口數(shù)為3個，通過此串口可以對指定的數(shù)據(jù)與外部連接設(shè)備進行通信連接。

3) 此芯片存儲器容量為521 KB，144個引腳，能同時輸出多路PWM控制信號。

2.3 采樣電路

該系統(tǒng)為保證所需采樣結(jié)果高度線性關(guān)系，對模擬信號的的采集利用小型互感器將一次側(cè)電壓、電流信號通過互感器變換成二次側(cè)的-7.07 V至+7.07 V之間的弱電電壓、電流信號，再利用高精度運算放大器與濾波器對信號進行調(diào)理與濾波，最后通過A/D變換器進行轉(zhuǎn)化。

系統(tǒng)采用RPT-206B型號的電壓互感器進行電壓信號采集，該電壓互感器體積與質(zhì)量都小，相對方便進行電路板上的焊接工作。使用時只要調(diào)整輸入端限流電阻值大小便可將電壓信號變換為2 mA的電流信號，如圖3所示，R3、R6為限流電阻，R4、R5、C3、C4組成濾波電路，電容C6為小電容，用于去耦合濾波，運算放大器采用LM224。

圖3 電壓采樣電路

系統(tǒng)采用霍爾傳感器VSM025A完成對直流信號的采樣，該傳感器根據(jù)霍爾效應(yīng)可以之間測量直流、交流、脈沖等信號波形，精度較高，針對礦井下復(fù)雜環(huán)境，其良好的線性度能出色采集所需信息。其接線圖如圖4所示，測量電阻R16根據(jù)所需待測電壓的大小確定，同時與R16并聯(lián)的二極管可以進行穩(wěn)壓，防止電壓超過設(shè)定范圍。

圖4 電流采樣電路

2.4 驅(qū)動電路

系統(tǒng)的驅(qū)動電路設(shè)計中,增加變壓器對電路進行隔離，可以有效地防止全橋電路上橋臂上下驅(qū)動開關(guān)輸出占空比不同步而產(chǎn)生磁偏。該驅(qū)動電路通過互補對稱的設(shè)計完成輸入信號放大，效應(yīng)速度快，帶負載能力高，可以對開關(guān)管進行驅(qū)動。增加的變壓器一方面起隔離作用；另一方面將驅(qū)動信號根據(jù)需求分為4份,同時驅(qū)動主電路的4個開關(guān)導(dǎo)通和關(guān)斷，大大地提高了效率。

圖5 驅(qū)動電路

3 軟件程序設(shè)計

系統(tǒng)軟件程序設(shè)計采用模塊化結(jié)構(gòu)，主程序不斷進行循環(huán)掃描工作。系統(tǒng)由主程序監(jiān)測、初始化與自檢程序、采樣程序、整定參數(shù)子程序、保護子程序、故障監(jiān)測子程序、顯示子程序、通信子程序、故障處理子程序等模塊組成。將這些功能分別進行設(shè)計、編譯、調(diào)試，完成整體設(shè)計。軟件主程序流程如圖6所示。

圖6 主程序流程

系統(tǒng)先進入各模塊的任務(wù)初始化設(shè)定，例如中斷設(shè)定、寄存器設(shè)定、定時器工作方式、任務(wù)調(diào)配設(shè)定等工作，再進入自檢程序掃描，完成啟動前系統(tǒng)初始判斷。系統(tǒng)完成自檢后，每隔0.625 ms對系統(tǒng)各部分電壓、電流信號采集并整定計算處理，進入故障子程序完成故障類型識別，實時監(jiān)測故障，并對故障進行判別、警報、顯示、處理等功能。

4 結(jié)論

通過對礦井下低壓電氣設(shè)備常見故障原理的分析，根據(jù)礦井實際需求，以STM32F103ZET6為核心處理器，設(shè)計了相關(guān)硬件電路并對采樣電路、驅(qū)動電路等詳細地說明，同時對軟件實現(xiàn)功能完成了主程序與子程序設(shè)計，從而確保整個監(jiān)控系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。