戴晶晶

（同煤機電裝備有限公司，山西大同 037305）

0 引言

隨著煤礦自動化程度的提高，對供電系統(tǒng)的安全性與可靠性的要求也越來越高［1］。礦用高壓開關(guān)柜一般用于井下停車場和主通風(fēng)機硐室，負(fù)責(zé)向機械通電設(shè)備分配電能［2］。煤礦高壓開關(guān)柜作為供電系統(tǒng)中的一個重要設(shè)備，其工作的穩(wěn)定性將直接關(guān)系到井下工作面生產(chǎn)的效率與工人的生命安全［3］。需要實時監(jiān)測高壓開關(guān)柜的運行參數(shù)，防止柜內(nèi)熱量無法散發(fā)，溫度長時間升高，最終引發(fā)火災(zāi)等事故［4］。因此，本文為保障煤礦供電系統(tǒng)的穩(wěn)定性與安全性，針對井下的高壓開關(guān)柜設(shè)計了一種嵌入式保護系統(tǒng)。

1 高壓開關(guān)柜故障分析與方案設(shè)計

高壓開關(guān)柜一般由母線、絕緣子、載流導(dǎo)體、測量設(shè)備、控制設(shè)備與保護設(shè)備等組成，并安裝于一個封閉或敞開的金屬柜中。按照安裝方式，高壓開關(guān)柜可分為固定式和移動式兩種，其中固定式開關(guān)柜的斷路器相對固定，體積較大，檢修時需要進入柜內(nèi)，移動式開關(guān)柜的斷路器可移動，尺寸較小，維修時可將斷路移動到柜外。本文所設(shè)計的保護系統(tǒng)針對移動式高壓開關(guān)柜［5-6］。

1.1 高壓開關(guān)柜故障分析

高壓開關(guān)柜發(fā)生故障的主要原因是由于開關(guān)柜中元件發(fā)生物理化學(xué)反應(yīng)導(dǎo)致［7］。根據(jù)工程實際情況，高壓開關(guān)柜的故障類型大致有4 種：載流故障、絕緣故障、機械故障與斷開故障。其中載流故障是由于斷路器與母線連接處接觸不良，導(dǎo)致局部溫度升高，觸頭燒壞；絕緣故障是由于絕緣子的材料老化，無法繼續(xù)起到絕緣；斷開故障是由于斷路器在斷開后，仍有一定的電氣導(dǎo)通，破壞了滅弧裝置；機械故障是指斷路器與接觸器等功能器件無法執(zhí)行命令操作的故障。

煤礦高壓開關(guān)柜的柜體封閉，在工作過程中會產(chǎn)生大量熱量，加速設(shè)備老化，因此元件發(fā)熱，柜內(nèi)溫度過高是造成高壓開關(guān)柜故障的首要原因。電路短路會造成電流沖擊現(xiàn)象，溫度突增，對母線造成損壞，加速元件老化，形成不良的惡行循環(huán)，最終導(dǎo)致危險事故的發(fā)生。

1.2 保護系統(tǒng)方案設(shè)計

煤礦高壓開關(guān)柜保護系統(tǒng)需要滿足3 個要求：（1）信號傳輸穩(wěn)定，煤礦井下環(huán)境復(fù)雜，高壓開關(guān)柜的體積小且封閉，設(shè)計時應(yīng)保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃愿?、抗干擾性強；（2）絕緣性能較好，高壓開關(guān)柜的電壓等級較高，為了使保護系統(tǒng)各模塊穩(wěn)定運行，其絕緣性需達到國家標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)計要求；（3）

供電簡單，高壓開關(guān)柜的體積較小，高壓開關(guān)柜輸送的電源為高壓交流電，保護系統(tǒng)需要的電源為低壓直流電，所以系統(tǒng)的供電裝置要簡單可靠，安裝方便。

本文設(shè)計的煤礦高壓開關(guān)柜保護系統(tǒng)的工作原理如圖1所示，系統(tǒng)包括信號采集模塊、嵌入式處理器模塊、信號傳輸模塊和故障報警模塊。信號采集模塊主要由電壓、電流與溫度傳感器組成，將信號轉(zhuǎn)換后傳輸?shù)教幚砥髂K。處理器模塊對監(jiān)測到的數(shù)據(jù)分析與計算，判斷設(shè)備運行狀態(tài)，并將數(shù)據(jù)存儲。信號傳輸模塊將處理器中的數(shù)據(jù)傳輸?shù)骄系纳衔粰C中，以供工作人員查看與巡視。在高壓開關(guān)柜發(fā)生故障后，故障報警模塊負(fù)責(zé)切斷母線、停止開關(guān)柜工作，并啟動蜂鳴器報警。

圖1 保護系統(tǒng)工作原理圖

2 保護系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計

保護系統(tǒng)選用基于ARM 的32 位STM32F103C 8T6微處理器，其程序存儲器為64 kB，工作電壓為2～3.6 V。STM32F103C8T6微處理器環(huán)境適應(yīng)性強，具有大量的外部設(shè)備，包括7個計時器、2個SPI 接口與3 個USART 接口等，具有較好的人機交互功能［8］。保護系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)如圖2 所示，包括主處理器STM32F103C8T6，系統(tǒng)電源模塊、時鐘電路、存儲電路、JTAG電路、報警電路與復(fù)位電路等。

圖2 保護系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.2 信號采集模塊設(shè)計

本文采用數(shù)字式的電壓、電流和溫度傳感器對高壓開關(guān)柜的工作信號進行監(jiān)測，提高系統(tǒng)的抗干擾性，避免井下環(huán)境影響數(shù)據(jù)采集的準(zhǔn)確性。高壓開關(guān)柜內(nèi)的溫度檢測是判斷是否故障的主要依據(jù)，柜內(nèi)電壓與電流信號的監(jiān)測為了判斷故障發(fā)生的位置與原因，方便維修。由于供電系統(tǒng)電壓與電流過大，本文通過監(jiān)測互感器兩側(cè)的電壓與電流值來間接計算母線處的實際電壓、電流值。

本文選用的溫度傳感器為DS18B20 數(shù)字式溫度傳感器，其工作原理是：溫度變化會導(dǎo)致振蕩器元件的頻率發(fā)生變化，通過頻率與溫度之間的對應(yīng)關(guān)系來計算出被測設(shè)備的溫度。DS18B20溫度傳感器可測量-55 ～125 ℃的溫度，測量溫度的分辨率可精確到0.06 ℃，并且其擴展編碼可達16 位數(shù)。DS18B20溫度傳感器的工作電源既可以單獨供給，也可以利用處理器芯片直接供電。

本文選用的電流傳感器為霍爾式傳感器，利用半導(dǎo)體材料的磁敏物理特性，通過測量得到的磁感應(yīng)強度，計算出電路中的電流值。電流傳感器的具體型號為WCS2705，可測量-5 ～5 A的電流范圍，供電電源的電壓范圍為3 ～12 V。本文選用的電壓傳感器為ZMPT101B 型號，可將被測交流電壓依照一定的線性比例轉(zhuǎn)換為直流電壓，該傳感器可測量的最大電壓為250 V，電源供電電壓為5 V。

2.3 保護電路設(shè)計

高壓開關(guān)柜中溫度升高的主要原因為電路短路造成的電流過大，本文針對系統(tǒng)的過流保護電路進行了設(shè)計，當(dāng)處理器檢測到被測電路中的電流超過設(shè)定闕值時，STM32F103C8T6處理器將切斷母線的電源，避免高壓開關(guān)柜中的元件燒毀，本文設(shè)計的電路圖如圖3 所示。過流保護電路利用4584型號的施密特觸發(fā)器，當(dāng)電流超過給定值時，比較放大器輸出信號，關(guān)閉電源輸入。

圖3 系統(tǒng)過流保護電路設(shè)計

3 保護系統(tǒng)軟件設(shè)計

高壓開關(guān)柜保護系統(tǒng)的軟件采用模塊化編輯的方式，各子程序通過主程序連接起來，實現(xiàn)整體保護功能。系統(tǒng)的主程序流程圖如圖4 所示，系統(tǒng)啟動后，首先初始化系統(tǒng)，開啟各數(shù)據(jù)傳輸通道，進行信號采集。各信號經(jīng)過數(shù)據(jù)處理傳輸?shù)教幚砥髦?，?jīng)過計算分析，與設(shè)定闕值比較，判斷系統(tǒng)是否故障。當(dāng)開關(guān)柜發(fā)生故障后，系統(tǒng)蜂鳴器報警，保護電路切斷開關(guān)柜母線電源，等待檢修人員維修處理。

圖4 系統(tǒng)軟件主程序流程圖

4 結(jié)束語

本文針對煤礦井下高壓開關(guān)柜設(shè)計了一種嵌入式的保護系統(tǒng)，具有體積小，價格便宜，工作安全可靠的優(yōu)點，保障高壓開關(guān)柜的運行安全，可為煤礦機電設(shè)備穩(wěn)定、高效的供電。