李大偉

(西山煤電 西曲礦，山西 古交 030200)

0 引言

對于煤礦井下低壓供電系統(tǒng)而言，惡劣的工作環(huán)境造成了其經(jīng)常發(fā)生各種故障，常見的礦用饋電開關(guān)故障有短路、缺相、漏電等，這些故障極易引起井下停電事故發(fā)生，直接造成生產(chǎn)效率的降低和影響煤礦安全運(yùn)行。本文研究了一種基于DSP的礦用饋電開關(guān)檢測與保護(hù)系統(tǒng)，對煤礦的安全生產(chǎn)和提高生產(chǎn)效率具有現(xiàn)實(shí)意義。

1 礦用饋電開關(guān)檢測與保護(hù)系統(tǒng)總體概述

礦用饋電開關(guān)檢測與保護(hù)系統(tǒng)硬件總體方案的設(shè)計(jì)應(yīng)當(dāng)建立在保護(hù)系統(tǒng)的功能分析基礎(chǔ)上，經(jīng)過實(shí)際調(diào)查研究和查閱相關(guān)資料，確定保護(hù)系統(tǒng)的基本功能應(yīng)當(dāng)包括漏電保護(hù)、缺相保護(hù)、短路保護(hù)、過載保護(hù)、過壓欠壓保護(hù)和過流保護(hù)。漏電保護(hù)應(yīng)用附加直流電壓法，缺相保護(hù)應(yīng)用附加直流電源檢測法，短路保護(hù)采用相敏原理，過載保護(hù)使用反時(shí)限動(dòng)作原理，過壓欠壓保護(hù)應(yīng)用鑒定幅值原理，過流保護(hù)應(yīng)用幅值判斷原理。根據(jù)上述功能和所應(yīng)用的原理，可以得到系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)方案。

基于DSP的礦用饋電開關(guān)檢測與保護(hù)系統(tǒng)的總體方案如圖1所示，以數(shù)字信號(hào)處理器DSP為核心，具有礦井下低壓電網(wǎng)監(jiān)測、監(jiān)控和保護(hù)等功能。系統(tǒng)包括信號(hào)調(diào)理電路、故障檢測電路、DSP控制電路、繼電保護(hù)電路、液晶顯示電路、按鍵操作電路和通信接口電路。井下供電系統(tǒng)經(jīng)隔離變壓器向系統(tǒng)信號(hào)調(diào)理電路和故障檢測電路提供信號(hào)，DSP控制電路對信號(hào)進(jìn)行處理，識(shí)別出當(dāng)前運(yùn)行狀態(tài)或故障類型后，通過控制繼電保護(hù)電路的繼電器開斷和液晶顯示屏進(jìn)行保護(hù)動(dòng)作和狀態(tài)顯示，按鍵操作的功能是方便運(yùn)行人員進(jìn)行狀態(tài)檢查和定值修改，通信接口采用RS-485總線通信方式，一方面向上位機(jī)傳輸當(dāng)前系統(tǒng)信息，另一方面接收上位機(jī)的控制指令，實(shí)現(xiàn)遙控操作。

圖1 系統(tǒng)總體方案

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

根據(jù)系統(tǒng)總體方案，得到系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示，DSP采集信號(hào)后進(jìn)行傅里葉變換，實(shí)現(xiàn)各類故障的判斷和發(fā)出動(dòng)作指令，此外系統(tǒng)還有液晶顯示電路、鍵盤電路、通信接口電路、繼電器控制電路等。下面簡要介紹關(guān)鍵電路的設(shè)計(jì)思路，具體的電路設(shè)計(jì)需根據(jù)《煤礦安全規(guī)程》規(guī)定的技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行。

圖2 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖

(1) 控制器選擇。TMS320F28335是一款浮點(diǎn)型數(shù)字信號(hào)處理器，其在計(jì)算精度、功耗、存儲(chǔ)、外設(shè)等方面均具有先進(jìn)的技術(shù)，能夠滿足預(yù)定的各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)。

(2) 漏電檢測電路。在合閘之前，需要對系統(tǒng)的絕緣進(jìn)行檢測，采用附加直流電壓法，通過電阻電壓的變化反映系統(tǒng)的絕緣水平，如果絕緣水平達(dá)到預(yù)定值，絕緣電阻解除閉鎖開關(guān)，允許設(shè)備正常啟動(dòng)；如果絕緣水平低于預(yù)定值，啟動(dòng)漏電閉鎖開關(guān)，不允許系統(tǒng)合閘。

(3) 缺相檢測電路。缺相故障發(fā)生后，電機(jī)可能會(huì)燒毀。本文采用附加直流電源法進(jìn)行缺相檢測，具體是通過電抗器在電源輸入端并聯(lián)一個(gè)電壓源，在負(fù)載端通過三相光耦的電平變化來檢測斷相與否，如果有缺相則切斷三相電源。

(4) 短路檢測電路。采用相敏檢測法，即同時(shí)檢測電流變化和電壓、電流的相位，以區(qū)分短路電流和啟動(dòng)電流，這種方法的靈敏性和快速性較好。

(5) 繼電器電路。繼電器電路和聲光報(bào)警電路是保護(hù)動(dòng)作的出口，通過一個(gè)放大電路對I/O口的電平變化進(jìn)行功率放大，控制繼電器的常開觸點(diǎn)和常閉觸點(diǎn)，同時(shí)發(fā)光二極管和蜂鳴器進(jìn)行聲、光報(bào)警，隔離系統(tǒng)中的故障點(diǎn)。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件可以分為上位機(jī)軟件和下位機(jī)軟件，下位機(jī)軟件是主控制器DSP的控制軟件，其主要包括系統(tǒng)初始化子程序、模數(shù)轉(zhuǎn)換子程序、數(shù)據(jù)處理子程序、分閘子程序、按鍵子程序、顯示子程序和SCI通信子程序等。

3.1 下位機(jī)軟件

主控制器DSP TMS320F28335的編程環(huán)境為CCS 4.2，這是一款專用的開發(fā)軟件，其具有功能全面、易上手、調(diào)試方便等特點(diǎn)。系統(tǒng)下位機(jī)的軟件主程序流程如圖3所示，程序開始后首先進(jìn)行系統(tǒng)初始化和自檢，系統(tǒng)正常則進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，數(shù)字濾波，計(jì)算電壓、電流、有功功率和功率因數(shù)以及對地絕緣電阻，然后進(jìn)行漏電閉鎖檢測，檢測完成后依次進(jìn)行漏電、缺相、合閘、過流、過壓、欠壓等故障判斷，最后將相關(guān)結(jié)論顯示在液晶屏幕和上傳到上位機(jī)中。

圖3 系統(tǒng)軟件主程序流程圖

3.2 上位機(jī)軟件

上位機(jī)軟件主要實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)和狀態(tài)監(jiān)測，本文采用LabVIEW編制上位機(jī)軟件。LabVIEW取代了常規(guī)的C語言和Basic語言，采用了更為簡潔的圖形化G語言，實(shí)現(xiàn)所有上位機(jī)軟件功能。上位機(jī)軟件主要包括用戶登錄界面、軟件啟動(dòng)界面和主監(jiān)測界面，主監(jiān)測界面下包含數(shù)個(gè)不同功能的子界面，包括合閘控制、界限值、漏電檢測、缺相檢測、功率因數(shù)監(jiān)控、有功功率監(jiān)控、正弦電流曲線、正弦電壓曲線、歷史數(shù)據(jù)記錄、實(shí)時(shí)電流曲線、實(shí)時(shí)電壓曲線、三相電流監(jiān)控、三相電壓監(jiān)控和串口設(shè)置等。

4 應(yīng)用效果分析

將設(shè)計(jì)的礦用饋電開關(guān)檢測與保護(hù)系統(tǒng)應(yīng)用于煤礦井下實(shí)際工作場景，并且對相關(guān)運(yùn)行技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行了測試，主要有過載測試、欠壓過壓測試和漏電測試等，測試結(jié)果見表1～表3。

從表1可以看出：當(dāng)系統(tǒng)中發(fā)生過載時(shí)，隨著工作電流從14.78 A到41.06 A的不斷增大，動(dòng)作時(shí)間越來越短，從2.6 min縮短到38 s，都能夠滿足規(guī)定值。

表1 過載測試

從表2可以看出:在整定電壓660 V和1 140 V兩種情況下，無論是過壓還是欠壓，繼電保護(hù)動(dòng)作時(shí)間均能滿足規(guī)定時(shí)間。

表2 欠壓、過壓測試

從表3可以看出:在整定電壓380 V和660 V兩種情況下，當(dāng)實(shí)際電阻值小于規(guī)定值時(shí)，動(dòng)作時(shí)間均小于0.1 s，滿足規(guī)定要求。

表3 漏電測試

5 結(jié)束語

基于DSP的礦用饋電開關(guān)檢測與保護(hù)系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)煤礦井下供電系統(tǒng)的繼電保護(hù)、檢測與通信功能。實(shí)際應(yīng)用結(jié)果表明：在660 V和1 140 V電壓等級(jí)的井下電力系統(tǒng)，電網(wǎng)的運(yùn)行狀況更加透明可控，安全性和可靠性顯著提高。應(yīng)用本系統(tǒng)之后，煤礦的井下低壓供電系統(tǒng)滿足了“三大保護(hù)”要求，對各項(xiàng)故障都能夠準(zhǔn)確判斷并有效及時(shí)切除，保護(hù)了設(shè)備和人身安全。