高婷慧

（山西潞安集團公司電力事業(yè)部，山西長治 046200）

0 引言

煤礦井下安全問題一直以來都受到社會各界的廣泛關注，當前階段煤礦井下機電設備數(shù)量越來越多，因此用電安全變得越來越重要［1]。然而最近幾年以來，經(jīng)常會看到有關煤礦用電安全事故的新聞報道。這些礦井安全事故造成了極大危害，給井下人員身體健康和人身安全構成了嚴重威脅［2-3]。根據(jù)大量的實踐經(jīng)驗表明，煤礦井下供電系統(tǒng)漏電問題是造成很多用電安全事故的重要原因之一?，F(xiàn)階段煤礦井下通常都是使用電纜進行供電，但煤礦井下環(huán)境復雜，電纜電線的絕緣性能容易受到破壞［4]。另一方面，煤礦井下使用的機械設備功率通常都比較大，設備在運行過程中供電線路會出現(xiàn)嚴重的發(fā)熱問題，這會加劇電線電纜的老化。如果在日常維護中工作做得不到位，就容易出現(xiàn)漏電現(xiàn)象［5-6]。本文針對煤礦井下供電系統(tǒng)漏電問題，設計了一套漏電保護系統(tǒng)，能夠實現(xiàn)漏電現(xiàn)象的自動檢測。

1 總體結構設計方案

漏電保護系統(tǒng)是煤礦井下供電系統(tǒng)的重要構成部分，是保證供電系統(tǒng)正常安全穩(wěn)定運行的基礎和前提。漏電保護系統(tǒng)運行的可靠性直接決定著煤礦井下供電系統(tǒng)的安全。圖1所示為設計的煤礦井下供電系統(tǒng)漏電保護系統(tǒng)的總體結構圖。從圖中可以看出，漏電保護系統(tǒng)總共可以分為4 大部分，分別為電源部分、信號輸入部分、信號分析處理和控制部分、輸出部分。各個部分之間的相互配合與分工保證了整個漏電保護系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。

圖1 煤礦井下供電系統(tǒng)漏電保護系統(tǒng)的總體結構圖

2 硬件設計

從圖1中可以看出漏電保護系統(tǒng)的硬件部分主要包括控制器DSP、電壓和電流采集模塊、信息通訊模塊、結果輸出模塊等。以下分別對這些硬件模塊進行詳細分析和介紹。

2.1 控制器DSP的設計和選擇

本文所述的煤礦井下供電系統(tǒng)漏電保護系統(tǒng)在工作過程中牽涉到很多算法，需要進行大量的分析和計算，本文選用TMS320F28335芯片來完成相關的工作。該型號的處理器具有較高的處理性能，在應對中斷響應時同樣表現(xiàn)優(yōu)異，芯片具備多條A/D轉換模塊，完全能夠滿足本系統(tǒng)的使用要求。芯片中自帶的算法內(nèi)包含有豐富的乘法運算，可以顯著提升DSP硬件的計算分析速度。通過傳感器采集獲得的電路故障信號通常需要對其進行小波和FFT 等數(shù)據(jù)處理，該芯片能夠完成上述數(shù)據(jù)處理過程，且具有較高的數(shù)據(jù)處理精度。CPU具有非常高的頻率，可以達到150 MHz。

控制器DSP必須要有穩(wěn)定的電源才能夠發(fā)揮其最大的功效，如果供電電源的電壓不穩(wěn)定，就會對其性能產(chǎn)生非常不利的影響。本文選擇的DSP芯片在電源方面，內(nèi)核需要穩(wěn)定的1.8 V電源為其供電，F(xiàn)lash編程和I/O口引腳則需要穩(wěn)定的3.3 V電源為其供電。本系統(tǒng)中通過LM1117芯片實現(xiàn)3.3 V和1.8 V電壓的穩(wěn)定輸出。圖2 所示為控制器DSP 的電源供電線路圖。

圖2 控制器DSP的電源供電線路圖

2.2 電流和電壓采樣硬件模塊設計

（1）相電壓采樣設計

零序電壓值是本系統(tǒng)判斷供電系統(tǒng)是否存在漏電現(xiàn)象的重要依據(jù)，本系統(tǒng)將閾值設置為供電系統(tǒng)相電壓的20%。也就是說當零序電壓值超過了供電系統(tǒng)相電壓值的20%以后，漏電系統(tǒng)就會判定存在漏電現(xiàn)象。因此，對相電壓進行準確檢測是系統(tǒng)正常穩(wěn)定運行的關鍵。本文選擇的控制器DSP要求輸入信號在0 ～3 V范圍內(nèi)，為了與之相匹配，本系統(tǒng)中選用TV16E型號的電流型電壓互感器對相電壓進行檢測?？梢栽陔妷夯ジ衅鞯囊淮蝹忍砑右粋€200 Ω 的電阻，將電壓信號轉換成電流信號。具體而言，當輸入的電壓值為220 V時，可以輸出一個1.1 mA的電流值。再在電壓互感器的二次側添加一個470 Ω的電阻，可以進一步將相關信號轉換成為電壓信號值，且輸出電壓信號在0 ～3 V范圍內(nèi)，使檢測到的信號能滿足控制器DSP的輸入要求。

（2）零序電壓與零序電流采樣設計

前文已述，零序電壓值是判斷煤礦井下供電系統(tǒng)是否存在漏電行為的關鍵參數(shù)之一。它的檢測原理是首先人為地將三相電抗器與電網(wǎng)進行連接，使之產(chǎn)生一個中性點，然后通過電壓互感器對該中性點的電壓值進行檢測，本系統(tǒng)中使用的電壓互感器型號為ZM-PT120/1V。同樣的，需要將檢測信號進行轉換，使之滿足控制器DSP的輸入要求。在對零序電壓進行采樣過程中，由于存在高次諧波，會對采樣過程產(chǎn)生一定的干擾，使得到的采樣信號不準確。因此，為了盡可能降低諧波信號對采樣信號造成的影響，通過二階巴特沃斯濾波器對采樣信號進行處理。

零序電流也是判斷供電系統(tǒng)是否存在漏電行為的重要依據(jù)之一。通過精密的零序電流互感器對零序電流進行檢測，圖3所示為零序電流互感器的實物圖。通過在輸出端設計電路可以將檢測得到的電流信號值轉換成為DSP控制器能夠識別的0 ～3 V電壓值信號。由于本文選擇的控制器DSP芯片能夠自動對信號進行轉換，具備有A/D信號轉換功能。因此，本系統(tǒng)不需要專門設計A/D轉換電路。采集得到的信號值經(jīng)過簡單處理，將其處理成0 ～3 V的電壓值信號后就可以直接輸入給DSP控制器進行進一步的分析。

圖3 精密的零序電流互感器實物圖

2.3 數(shù)據(jù)傳輸硬件模塊設計

為了實現(xiàn)人機互動功能，本系統(tǒng)中設計了觸摸屏來顯示相關的數(shù)據(jù)信息，觸摸屏能夠利用RS485 和RS232 兩種通信模式實現(xiàn)信息的傳輸，而前者在通信過程中具有更強的抗干擾能力，且傳輸速率相對較高，最大的傳輸速率可以達到10 Mbit/s。因此，本系統(tǒng)選用RS485 通信模式實現(xiàn)數(shù)據(jù)信息的傳輸。

2.4 輸出部分硬件設計

漏電閉鎖與供電系統(tǒng)中的繼電器控制開關具有類似的原理。當供電系統(tǒng)中的絕緣電阻降低到設定的閾值，或者系統(tǒng)檢測到存在漏電現(xiàn)象時，控制器就會發(fā)出一個控制信號，對繼電器進行控制。輸出部分的控制過程可以簡單描述如下：DSP控制器經(jīng)過分析處理以后，發(fā)現(xiàn)供電系統(tǒng)存在漏電問題時，就會對執(zhí)行部分發(fā)出一個控制信號，控制信號通過TLP521實施光耦隔離處理后，再通過三極管將相關的信號進行放大處理，最終該信號作用在脫扣器上，繼電器根據(jù)控制信號做出相對應的動作。

3 軟件設計

3.1 漏電保護系統(tǒng)主程序

圖4所示為煤礦井下供電系統(tǒng)漏電保護系統(tǒng)軟件工作流程圖。系統(tǒng)開始運行時程序啟動，第一步就需要對系統(tǒng)內(nèi)各硬件相關參數(shù)進行初始化處理，并對硬件和軟件系統(tǒng)進行自動檢測，檢查是否存在問題。完成初始化工作以后，各個采樣模塊開始工作，對零序電壓值、零序電流值和相電壓值進行檢測。同時將檢測得到的電壓信號經(jīng)過一系列處理后，將其轉換成為DSP控制器能夠接受的信號?？刂破髟诮邮盏綑z測信號后，需要對相關信號進行分析和處理，比如檢測零序電壓值和相電壓值之間的大小，如果零序電壓值超過了相電壓值的20%，系統(tǒng)就會判定煤礦井下供電系統(tǒng)存在漏電現(xiàn)象。在記錄好各個支路的零序電流值數(shù)據(jù)后，系統(tǒng)將會對漏電保護子程序進行啟動，進一步分析漏電現(xiàn)象。

圖4 煤礦井下供電系統(tǒng)漏電保護系統(tǒng)軟件工作流程圖

3.2 漏電保護子程序

當系統(tǒng)軟件的主程序判斷分析煤礦井下供電系統(tǒng)存在漏電問題時，系統(tǒng)就會啟動漏電保護子程序，進一步判斷是哪個部分出現(xiàn)了漏電現(xiàn)象。子程序中利用信息融合的方法來判斷出現(xiàn)故障問題的線路。在系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)存在漏電問題后，將后續(xù)兩個周期的電流信號和電壓信號值進行分析判斷選出存在問題的線路。如果能夠成功判斷存在問題的線路，則通過DSP控制器直接發(fā)出控制信號，使繼電器發(fā)生動作對整個供電系統(tǒng)進行保護。如果基于兩個周期的數(shù)據(jù)信號無法判斷出現(xiàn)問題的線路，則繼續(xù)采集后續(xù)兩個周期的數(shù)據(jù)信息，再進行分析判斷。如果仍然無法判斷出現(xiàn)問題的線路，系統(tǒng)就會將母線總開關直接關閉，避免出現(xiàn)安全事故。

4 結束語

煤礦井下會使用大量的機電設備，對礦井用電安全提出了更高的要求。煤礦井下供電系統(tǒng)漏電是常見的故障問題之一，嚴重威脅著機電設備正常運行以及井下工作人員人身安全。本文針對煤礦井下供電系統(tǒng)設計了一套漏電保護系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過對零序電壓值、零序電流值以及相電壓值進行檢測、分析，判斷供電系統(tǒng)是否存在漏電問題。如果存在漏電問題，會進一步分析是哪個區(qū)域線路出現(xiàn)了問題，進而將該段線路進行隔斷，以維持整個供電線路的穩(wěn)定安全。