趙小平，韓晨霞，馬 晟，高 濤

(神木職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西 神木 719300)

近年來，我國煤炭行業(yè)歷經(jīng)結(jié)構(gòu)性調(diào)整，降低生產(chǎn)過程中高污染、高耗能，其比重有所下降，但是主體地位沒有發(fā)生改變。對新型智能化自動設(shè)備的使用都有全新的提高，尤其是礦井供電系統(tǒng)的加強和完善，不僅需要提供基本保障的供電功能，而且還需提供完善的保護功能。由于煤礦井下環(huán)境復(fù)雜、惡劣，致使低壓電網(wǎng)出現(xiàn)各種故障，當?shù)V井空氣中含有瓦斯等氣體時，如果供電設(shè)備出現(xiàn)短路和漏電，容易引起重要的安全事故。目前，在具有瓦斯、煤塵等危險爆炸性氣體的環(huán)境中，煤礦常采用礦用隔爆低壓真空饋電開關(guān)，該設(shè)備具有智能化程度高、可靠性強的特點。饋電開關(guān)作為煤礦井下重要的供電系統(tǒng)安全保障的重要設(shè)備，國內(nèi)外學(xué)者對其進行了深入的研究。文獻[1]將零序電抗器并聯(lián)到電阻接地系統(tǒng)，當發(fā)生單相接地故障時，在非故障支路與故障支路中，零序電流與零序電壓相位差出現(xiàn)差異，根據(jù)差異性實現(xiàn)故障選線，該裝置不受電網(wǎng)中零序電抗器補償?shù)挠绊?，可靠動作；文獻[2]采用PLC控制器，設(shè)計了煤礦饋電開關(guān)保護系統(tǒng)，降低了井下電網(wǎng)的故障發(fā)生率。鑒于此，為了確保在復(fù)雜環(huán)境下設(shè)備的穩(wěn)定運行，饋電開關(guān)保護裝置應(yīng)具有靈敏度高、選擇準確、可靠性高、功能全面等特性，本文研究設(shè)計了礦用饋電開關(guān)保護裝置，設(shè)計系統(tǒng)的硬件部分和軟件部分，研究推動了礦用防爆技術(shù)的進步和發(fā)展。

1 井下低壓供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

隨著我國經(jīng)濟的發(fā)展，煤礦供電系統(tǒng)的裝機容量和電壓等級不斷提高。其中綜采裝機容量已經(jīng)達到2 500 kW，電壓升至3 300 V。煤礦采用變電站+放射式供電的方式對井下低壓電網(wǎng)進行供電。礦井低壓供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)包括磁力啟動器、分支饋電開關(guān)、總饋電開關(guān)、高壓配電裝置和變壓器，如圖1所示。在井下低壓供電電網(wǎng)運行過程中，系統(tǒng)存在3個狀態(tài)(正常狀態(tài)、異常狀態(tài)、故障狀態(tài))[3-5]。本文所研究的饋電開關(guān)保護裝置主要用于異常狀態(tài)和故障狀態(tài)下。

圖1 井下低壓供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2 饋電開關(guān)保護裝置硬件設(shè)計

2.1 饋電開關(guān)保護裝置硬件框架

基于系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可靠性、環(huán)境對性能的影響、性價比、維護方便等，饋電開關(guān)保護裝置主要通過控制斷路器來實現(xiàn)相應(yīng)保護。饋電開關(guān)保護裝置硬件主要由電源模塊、輔助模塊、永磁操作機構(gòu)驅(qū)動和儲能電容充電模塊、開關(guān)量輸入輸出模塊等構(gòu)成[6-7]。饋電開關(guān)保護裝置硬件框架如圖2所示。

圖2 饋電開關(guān)保護裝置硬件框架

功能分析：①電源模塊。主要為系統(tǒng)提供各項電壓，采用銅柱固定，與主控電路板分開，減少電源模塊對主板電路的影響。②輔助功能模塊。為系統(tǒng)提供可增設(shè)性模塊，由溫度測量模塊、外擴Flash和故障信息存儲模塊構(gòu)成。③儲能電容充電和永磁操作機構(gòu)驅(qū)動模塊。主要是完成故障保護。④開關(guān)量輸入輸出模塊。主要用于識別現(xiàn)場的開關(guān)狀態(tài)。⑤通信模塊，主要采用CAN總線，實現(xiàn)和其他設(shè)備的通信。⑥人機接口模塊。主要由液晶和按鍵組成。⑦模擬量采集模塊。主要由電網(wǎng)電流、電壓，零序電流、電壓構(gòu)成。

2.2 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計

系統(tǒng)硬件電路設(shè)計主要包括永磁操作機構(gòu)驅(qū)動模塊電路、開關(guān)量輸入輸出模塊電路、液晶顯示模塊電路、交流信號處理電路、TMS320F28335最小系統(tǒng)電路、電源模塊電路、其他外圍功能模塊電路等。電源質(zhì)量會直接關(guān)系著系統(tǒng)的穩(wěn)定，是系統(tǒng)運行的基礎(chǔ)。變壓器設(shè)計電路原理如圖3所示。

圖3 變壓器設(shè)計電路原理

系統(tǒng)主電源為48 V交流電、附加直流電源模塊需要+36 V電壓，機電控制電路需要+24 V電壓，信號調(diào)理模塊需要±2.5、±5.0 V電壓，TMS320F28335數(shù)字信號處理器、LCD12864液晶顯示模塊需要+3.3 V電壓，ADC保護電路需要±2.5 V電壓。因此，本文采用小型電源變壓器，對各個系統(tǒng)和模塊進行供電。

3 饋電開關(guān)保護裝置軟件設(shè)計

對饋電開關(guān)保護裝置軟件的設(shè)計，主要包括主程序、故障保護模塊、人機交互模塊、數(shù)據(jù)采集與分析模塊、CAN總線通信模塊等，本文僅介紹主程序、故障保護模塊等軟件的設(shè)計[9-10]。

3.1 主程序

系統(tǒng)主程序是整個系統(tǒng)的框架，主要是參數(shù)初始變量賦值和器件的初始化[11-12]。主程序執(zhí)行流程如圖4所示。

圖4 主程序執(zhí)行流程

3.2 故障保護功能程序設(shè)計

漏電故障保護程序流程[13-15]如圖5所示。系統(tǒng)電壓參數(shù)故障保護的程序流程如圖6所示。

圖5 漏電故障保護程序流程

圖6 系統(tǒng)電壓參數(shù)故障保護的程序流程

3.3 CAN通信模塊程序設(shè)計

CAN總線作為國際標準的現(xiàn)場總線，具有數(shù)據(jù)傳輸速率高、自動故障判斷、故障節(jié)點自動脫離、數(shù)據(jù)傳輸距離遠、成本低廉等特性。多節(jié)點CAN總線設(shè)備通信如圖7所示。

圖7 多節(jié)點CAN總線設(shè)備通信示意

4 系統(tǒng)抗干擾設(shè)計

由于礦用饋電開關(guān)設(shè)備的工作環(huán)境較為復(fù)雜，為了使礦用饋電開關(guān)具有良好的抗干擾設(shè)計，系統(tǒng)抗干擾設(shè)計[8]：①使用隔離技術(shù)。在礦用饋電開關(guān)保護裝置的開關(guān)量輸出和開關(guān)量輸入均采用隔離技術(shù)，能夠有效分離軟電路和強電路。②采用降額設(shè)計。在滿足電路設(shè)計的基礎(chǔ)上，使元件承受的應(yīng)力值低于額定值。③每個IC芯片的電源端并聯(lián)濾波電容。主要作用是防止芯片因脈沖電壓而出現(xiàn)工作異常。④采用二極管。在AD轉(zhuǎn)換的模擬輸入端使用二極管，主要作用是防止電壓對模塊造成的損傷。⑤使用消抖電容。在按鍵輸入端接入消抖電容，避免消抖作用，也起到抗干擾作用。⑥使用電路功能模塊布局。在進行PCB元件布局時，采用電路功能模塊布局。

5 結(jié)論

基于礦井低壓供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，研究了饋電開關(guān)保護裝置硬件設(shè)計，主要包括電源模塊、輔助模塊、永磁操作機構(gòu)驅(qū)動和儲能電容充電模塊、開關(guān)量輸入輸出模塊、通信模塊、人機接口模塊、模擬量采集模塊、核心微控制器模塊等，設(shè)計了變壓器電路及系統(tǒng)抗干擾；研究了饋電開關(guān)保護裝置軟件設(shè)計，主要包括主程序、故障保護模塊、人機交互模塊、數(shù)據(jù)采集與分析模塊、CAN總線通信模塊等，本文僅介紹主程序、故障保護模塊等軟件的設(shè)計，分析了主程序執(zhí)行流程及漏電故障保護程序流程等，對煤礦事業(yè)的發(fā)展具有重要的意義。