孫國棟

（山西煤炭進(jìn)出口集團洪洞恒興煤業(yè)有限公司，山西臨汾 041600）

0 引言

隨著生產(chǎn)技術(shù)的改革進(jìn)步，煤礦供電系統(tǒng)的負(fù)載單元逐漸增多，對供電系統(tǒng)的穩(wěn)定性與安全性提出了更高的要求[1]。目前，煤礦地面變電所主要負(fù)責(zé)礦井提升機、主通風(fēng)機、礦井電車、洗煤廠與排數(shù)泵等設(shè)施的供電需求，其中礦井提升機為一級供電[2]。為了保障各設(shè)備的供電安全與穩(wěn)定，一些煤礦每班都設(shè)有值班人員，浪費了人力資源，并與高效生產(chǎn)與安全生產(chǎn)的理念相悖[3]。因此，建立一種變電所故障診斷與監(jiān)測系統(tǒng)，采用傳感器對設(shè)備的運行參數(shù)進(jìn)行采集，利用計算機處理數(shù)據(jù)，以網(wǎng)絡(luò)傳輸信號，實現(xiàn)變電所的實時監(jiān)測功能，保障供電系統(tǒng)的安全性[4-5]。

1 監(jiān)測系統(tǒng)與保護方式

1.1 監(jiān)測系統(tǒng)方案

本文所設(shè)計變電所監(jiān)測系統(tǒng)可采集其各工作參數(shù)，通過以太網(wǎng)與其他設(shè)備交流信息，在上位機顯示界面進(jìn)行實時監(jiān)測。監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計時遵循3個原則：（1）準(zhǔn)確性，傳感器采集數(shù)據(jù)時，將非電信號轉(zhuǎn)換為電信號，為了保證數(shù)據(jù)的真實性，應(yīng)選用誤差范圍小的傳感器；（2）實時性，監(jiān)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸與處理應(yīng)當(dāng)及時高效；（3）穩(wěn)定性，變電所環(huán)境中，環(huán)境腐蝕與電磁干擾不可忽略，應(yīng)當(dāng)定期對系統(tǒng)硬件設(shè)施巡檢。

系統(tǒng)的整體方案如圖1 所示，主要由處理器單元、上位機和各信號檢測裝置組成。系統(tǒng)上位機界面需具有圖形編輯功能，根據(jù)使用者需求對原圖形進(jìn)行修改；需實時顯示變電所的各個工作參數(shù)等，可通過界面對系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行更改與操作。信號檢測裝置包括電參數(shù)測量模塊、溫濕度傳感器、水浸傳感器與SF6檢測裝置等。系統(tǒng)中各檢測模塊獨立運行，單個開關(guān)控制單個設(shè)備，相互獨立。

圖1 監(jiān)測系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)設(shè)計

1.2 保護方式

變壓器作為變電所關(guān)鍵設(shè)備，變壓器的正常運行關(guān)系到整個煤礦供電系統(tǒng)的穩(wěn)定性與井下生產(chǎn)的安全性。部分煤礦的變壓器安裝于室外，會出現(xiàn)雷擊與元件接觸不良等現(xiàn)象，造成負(fù)載短路、過電流與過電壓等故障。系統(tǒng)采用電壓差動保護法：在變壓器的高壓側(cè)與低壓側(cè)安裝2個相同規(guī)格的電流互感器，當(dāng)變壓器正常工作時，高壓側(cè)與低壓側(cè)兩端的電流大小相等，方向相反，經(jīng)過繼電器的電流為0，繼電器不發(fā)生動作；當(dāng)變壓器發(fā)生故障時，高壓側(cè)與低壓側(cè)電流平衡關(guān)系遭到破會，有電流流過繼電器，繼電器動作。

2 監(jiān)測系統(tǒng)硬件選型設(shè)計

2.1 處理器單元

本文選用的處理器為常見的ARM 處理器，具有價格低、功耗低、體積小等優(yōu)點，具體型號為某公司生產(chǎn)的S3C2440AL 處理器。S3C2440AL 處理器基于以太網(wǎng)通訊系統(tǒng)設(shè)計，是一款高性能的32RISC 微處理器，主頻最高可達(dá)533 MHz，具有64 M字節(jié)閃存[6]。

處理器單元中除了微控制器外，還包括電源電路、復(fù)位電路、時鐘電路、鍵盤電路、串口通信電路與外部存儲電路等。S3C2440AL 核心電路板需要1.8 V 電壓供電，I/O 口需要3.3 V電壓供電，模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊需要±12 V電壓供電[7-8]。

2.2 數(shù)據(jù)采集模塊

數(shù)據(jù)采集模塊主要包括溫度傳感器、濕度傳感器、水浸傳感器、SF6檢測裝置與模數(shù)轉(zhuǎn)換器等。系統(tǒng)溫度傳感器測量變電所油箱內(nèi)溫度信號，本文選用DS18B20 數(shù)顯溫度傳感器，具有體積小、使用簡單的優(yōu)點，可測量狹小空間內(nèi)的溫度信號。濕度傳感器安裝于主控室與變電所中，用于測量環(huán)境濕度百分比。本文選用SHT85 型數(shù)字濕度傳感器，其測試精度為±1.5%，工作溫度-40～100 ℃。水浸傳感器安裝于系統(tǒng)電纜溝兩側(cè)，選用卡軌殼水浸傳感器，采用交流檢測技術(shù)，可有效避免電纜等設(shè)備浸水所引發(fā)的故障。SF6為一種無色、無毒的穩(wěn)定氣體，具有良好的絕緣性質(zhì)，被廣泛應(yīng)用于高壓電氣設(shè)備中的絕緣介質(zhì)。SF6檢測裝置安裝于變電所絕緣設(shè)備附近，用于檢測絕緣介質(zhì)是否泄露，常用的電火花電離法與紅外吸收法等物理方法使用范圍有限，無法滿足系統(tǒng)需求，本文采用電化學(xué)檢測方法，通過將氣體裂解后檢測生成物的方式，測量空氣中SF6氣體的濃度。

溫度、濕度等模擬量信號無法直接被處理器識別，需要先將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，即模數(shù)轉(zhuǎn)換的過程。S3C2440AL處理器內(nèi)部設(shè)置有8 通道，10 位模數(shù)轉(zhuǎn)換器，所以不需要設(shè)計外置模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片，但由于內(nèi)置輸入帶寬僅為100 Hz，采樣頻率無法滿足，所以需在A/D 前端設(shè)置1 個采樣保護器。

2.3 電參數(shù)信號采集模塊

電參數(shù)信號采集模塊主要對變電所工作過程中的電壓、電流等參數(shù)進(jìn)行檢測，本文設(shè)計的電壓信號采集電路如圖2所示，輸入電壓經(jīng)過電壓互感器后，將其送入測量電路，電路利用互感器將交流電壓轉(zhuǎn)換為直流電壓，從而方便測量，并提高測量精度。直流電壓信號經(jīng)過運算放大器LM1458同比例放大后，流向輸出端，輸出端的上端設(shè)有1個單向二極管，防止輸出電壓過大，下端設(shè)置有1個電容，保證輸出電壓信號更加平滑。

圖2 控制電機電壓信號采集電路

3 系統(tǒng)抗干擾措施

變電所處于強電環(huán)境，監(jiān)控系統(tǒng)為弱電裝置，所以系統(tǒng)會受到較大的電磁干擾，引起監(jiān)測結(jié)果與保護動作的錯誤。電磁干擾的主要來源為外部高壓線路與內(nèi)部高壓設(shè)備，變電所內(nèi)部斷路器等設(shè)備動作時會產(chǎn)生脈沖，干擾系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性。

為了抑制和消除電磁帶來的干擾，本文結(jié)合系統(tǒng)工作環(huán)境提出了3 個措施：（1）接地，系統(tǒng)部分裝置放置于專用機箱，將機箱與接地網(wǎng)連接，從而屏蔽外部干擾；（2）濾波，當(dāng)電路開關(guān)量突然變化時，電流的改變可能干擾處理器的判斷，通常利用光電耦合器實現(xiàn)系統(tǒng)強弱電信號的隔離，采樣過程中采樣交流采樣法，利用濾波電路消除干擾；（3）電路抗干擾，在電源的公共端并聯(lián)1個大電容與高頻電容，抑制對電源電路的干擾，在變電所操作系統(tǒng)的線圈電路上接入RC電路，抵抗繼電器開關(guān)時造成的脈沖干擾。

4 結(jié)束語

本文設(shè)計了一種基于ARM處理器的煤礦變電所故障診斷與監(jiān)測系統(tǒng)，選型設(shè)計了系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)與硬件設(shè)備，提出了變電所電子設(shè)備的3種抗干擾措施，有效避免了外部信號對系統(tǒng)的電磁干擾，保障了系統(tǒng)故障判斷的準(zhǔn)確性。系統(tǒng)可實時監(jiān)測變電所得環(huán)境與工況，為井下設(shè)備的用電安全提供保障。