席 欣

（山西霍寶干河煤礦有限公司，山西臨汾 041600）

0 引言

煤礦作為國(guó)家綜合快速發(fā)展的重要資源，在煤礦開(kāi)采過(guò)程中會(huì)涉及到較大的煤礦開(kāi)采設(shè)備，包括采煤機(jī)、掘進(jìn)機(jī)、通風(fēng)機(jī)、提升機(jī)、照明等，這些設(shè)備在使用過(guò)程中會(huì)消耗大量的電能，且設(shè)備運(yùn)行功率相對(duì)較大，使得設(shè)備電纜承受較大的電流負(fù)荷作用。近年來(lái)，因設(shè)備漏電造成的井下事故頻發(fā)，井下漏電事故一旦爆發(fā)，將對(duì)煤礦開(kāi)采及作業(yè)安全造成嚴(yán)重影響［1］。據(jù)分析，井下設(shè)備的正常運(yùn)行主要依靠電纜進(jìn)行供電，而電纜作業(yè)過(guò)程中因受到井下潮濕穩(wěn)定影響，加上電纜長(zhǎng)時(shí)間作業(yè)和設(shè)備耗電功率較高，導(dǎo)致了電纜出現(xiàn)不同程度的老化現(xiàn)象，部分井下的不規(guī)范操作，最終造成了設(shè)備電纜出現(xiàn)了漏電故障，嚴(yán)重影響礦井供電過(guò)程的安全。將自動(dòng)化控制技術(shù)應(yīng)用到井下供電過(guò)程的漏電監(jiān)控過(guò)程中，實(shí)現(xiàn)對(duì)井下供電過(guò)程的安全監(jiān)控保護(hù)成為當(dāng)前重點(diǎn)［2］。

為此，本文開(kāi)展了礦井供電過(guò)程漏電的安全監(jiān)控保護(hù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)研究，并重點(diǎn)對(duì)該系統(tǒng)的關(guān)鍵分系統(tǒng)進(jìn)行分析和實(shí)際應(yīng)用，驗(yàn)證了該監(jiān)控系統(tǒng)的可靠性及穩(wěn)定性，對(duì)提高井下供電過(guò)程的安全保護(hù)具有重要意義。

1 供電過(guò)程漏電保護(hù)的必要性分析

目前，市場(chǎng)上針對(duì)井下供電過(guò)程漏電監(jiān)控保護(hù)的檢測(cè)方法包括穩(wěn)態(tài)分量法、直流源檢測(cè)法、負(fù)序電流法等，根據(jù)不同井下工況及供電功率大小，選擇最佳的漏電保護(hù)檢測(cè)方法。其中，負(fù)序電流法判斷邏輯相對(duì)簡(jiǎn)單，較易實(shí)現(xiàn)，但所采集的數(shù)據(jù)存在信號(hào)微弱、干擾信號(hào)多等問(wèn)題，數(shù)據(jù)采集準(zhǔn)確性相對(duì)較差［3］。針對(duì)井下供電過(guò)程，采取漏電保護(hù)的必要性主要包括以下兩個(gè)方面。

（1）防止電氣雷管爆炸。由于井下工作設(shè)備的工作功率相對(duì)較高，極容易造成工作電流突然變大，當(dāng)發(fā)生設(shè)備漏電且漏電電流達(dá)到雷管爆炸電流閥值時(shí)，則容易發(fā)生電氣雷管的爆炸。安裝漏電保護(hù)系統(tǒng)后，可根據(jù)漏電電流大小自動(dòng)切斷電網(wǎng)，有效防止事故發(fā)生。

（2）避免瓦斯爆炸。井下采煤過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大量粉塵及瓦斯，并在一定空間范圍內(nèi)進(jìn)行聚集，當(dāng)設(shè)備出現(xiàn)漏電故障時(shí)，極容易產(chǎn)生火源或電火花，當(dāng)漏電火源或電火花與一定濃度的瓦斯接觸時(shí)，則會(huì)瞬間發(fā)生井下瓦斯爆炸。設(shè)計(jì)漏電保護(hù)系統(tǒng)后，將通過(guò)檢測(cè)電路及產(chǎn)生的電火花，及時(shí)切斷電網(wǎng)，以防止瓦斯爆炸事故發(fā)生［4］。因此，采用科學(xué)、高效的漏電檢測(cè)算法，實(shí)現(xiàn)對(duì)井下多路供電電路的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)檢測(cè)，實(shí)現(xiàn)供電過(guò)程漏電的自動(dòng)監(jiān)控及保護(hù)，成為當(dāng)前建設(shè)智能化安全礦井的重要方向。

2 漏電保護(hù)系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

該供電過(guò)程中的漏電監(jiān)控保護(hù)系統(tǒng)包括了24 V工作電源、信號(hào)調(diào)節(jié)電路、CPU控制器、電阻連續(xù)檢測(cè)、顯示儀表、報(bào)警單元等部分。在整個(gè)環(huán)節(jié)中，首先通過(guò)終端的電壓采集模塊，對(duì)井下供電過(guò)程中的電壓及電流進(jìn)行實(shí)時(shí)采集，所采集信號(hào)通過(guò)信號(hào)調(diào)理電路的分析處理后，輸出至DSP控制器中，將檢測(cè)信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷盒盘?hào)，并對(duì)信號(hào)進(jìn)行分析和邏輯判斷［5］。所判斷出的控制命令傳輸上機(jī)位軟件系統(tǒng)，進(jìn)行設(shè)備供電狀態(tài)的實(shí)時(shí)顯示，當(dāng)檢測(cè)到的漏電電流或電壓值超過(guò)對(duì)應(yīng)閥值時(shí)，該監(jiān)控系統(tǒng)則及時(shí)發(fā)出相應(yīng)的報(bào)警提示，通過(guò)執(zhí)行機(jī)構(gòu)及時(shí)切斷整個(gè)供電系統(tǒng)的供電電源。而24 V則主要是為整套供電漏電監(jiān)控保護(hù)系統(tǒng)提供工作電壓。其中，DSP控制器選用了TMS320F28335型芯片，具有高精度、高準(zhǔn)確性、數(shù)據(jù)響應(yīng)速度快等特點(diǎn)，在煤礦供電保護(hù)系統(tǒng)中應(yīng)用較為廣泛。整套漏電監(jiān)控保護(hù)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框架如圖1所示。

圖1 供電過(guò)程漏電監(jiān)控保護(hù)系統(tǒng)

3 關(guān)鍵分系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 漏電保護(hù)系統(tǒng)硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1.1 控制器選型設(shè)計(jì)

由于該漏電保護(hù)系統(tǒng)在運(yùn)行過(guò)程中具有較大的數(shù)據(jù)獲取量及存儲(chǔ)量，為提高整套系統(tǒng)的運(yùn)行能力，選用了TMS320F28335芯片作為系統(tǒng)的控制器，其實(shí)物如圖2所示。該芯片采用了32／64位處理器，融合了多種復(fù)雜算法，能快速實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)數(shù)據(jù)的采集、計(jì)算、處理及判斷；同時(shí)，采用了DSP專(zhuān)用硬件乘法器，可提高系統(tǒng)漏電的檢查及判斷速度［6］。另外，該芯片設(shè)置了多路零序電流、電壓、電阻采樣獲取點(diǎn)，自備了A／D數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換模塊，能實(shí)現(xiàn)超過(guò)12條A／D信號(hào)的轉(zhuǎn)換，CPU主頻達(dá)到160 MHz，較好地滿(mǎn)足了該監(jiān)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理需求。

圖2 TMS320F28335芯片實(shí)物

3.1.2 電源模塊設(shè)計(jì)

電源模塊是整個(gè)漏電監(jiān)控保護(hù)系統(tǒng)正常運(yùn)行的關(guān)鍵，保證該電源模塊的運(yùn)行穩(wěn)定，對(duì)提高該監(jiān)控系統(tǒng)的保護(hù)性能至關(guān)重要。為此，在該電源模塊設(shè)計(jì)中，選用了DSP精密芯片，內(nèi)部的工作電壓設(shè)置為1.8 V，I／O接口工作電壓為3.3 V，此引腳電壓均采用固定方式進(jìn)行輸出。同時(shí)，設(shè)置了1個(gè)24 V的直流電源，可為漏電安全監(jiān)控系統(tǒng)中各類(lèi)繼電器、絕緣電阻等零件的運(yùn)行提供必要的工作電源。同時(shí)，在電源模塊中設(shè)計(jì)了多個(gè)LM324運(yùn)算放大器，其工作電壓為DC12 V。另外，該電源模塊中設(shè)計(jì)了一個(gè)電容和開(kāi)關(guān)電源模塊，工作電壓為5 V，可實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)的諧波去除及干擾。電源模塊的電路如圖3所示。

圖3 電源模塊電路

3.1.3 電壓調(diào)節(jié)模塊電路設(shè)計(jì)

該漏電監(jiān)控保護(hù)系統(tǒng)在運(yùn)行時(shí)，所需的電壓值相對(duì)較多，且不穩(wěn)定的電壓值將對(duì)該系統(tǒng)的運(yùn)行構(gòu)成重要影響。因此，對(duì)系統(tǒng)中電壓值進(jìn)行了調(diào)節(jié)模塊設(shè)計(jì)。因此，選用了TV16E型電壓互感器，可實(shí)現(xiàn)電壓2 000∶2 000的變比，輸入電流為2.5 mA，在互感器一側(cè)添加了一個(gè)210 kΩ的電阻，可將外部的AC220 V電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為系統(tǒng)所需的DC直流電壓平臺(tái)和電流值。另外，通過(guò)設(shè)計(jì)的LM324運(yùn)算放大器，可將電壓信號(hào)進(jìn)行升壓或降壓，并保持在一定波動(dòng)范圍內(nèi)。由此，實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)中電壓范圍的調(diào)節(jié)，電壓調(diào)節(jié)模塊電路如圖4所示。

圖4 電壓調(diào)節(jié)模塊電路

3.2 軟件系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)

在該軟件系統(tǒng)中，所涉及到的程序包括主程序、采樣程序、初始化子程序、中斷子程序等。在該系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)，首先通過(guò)系統(tǒng)內(nèi)部的主程序進(jìn)行初始化操作，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)自檢，無(wú)誤后啟動(dòng)采樣子程序，對(duì)供電過(guò)程中的零序電壓參數(shù)進(jìn)行信號(hào)采集，并將采集信號(hào)經(jīng)過(guò)調(diào)節(jié)后，進(jìn)行A／D數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換，與設(shè)置的零序電壓閥值進(jìn)行對(duì)比判斷，若超過(guò)對(duì)應(yīng)閥值，則向保護(hù)子程序發(fā)出控制命令和啟動(dòng)該保護(hù)程序，記錄相應(yīng)的故障信息。同時(shí)，向中斷子程序發(fā)出命令，實(shí)現(xiàn)整個(gè)電路的供電中斷，軟件系統(tǒng)的主程序控制流程如圖5所示。另外，該軟件系統(tǒng)中的保護(hù)子程序設(shè)計(jì)中采用了GPIO寄存器、定時(shí)器、ADC寄存器等，在與主程序信號(hào)傳遞接收時(shí)，充分利用了EnableInterrupt、Init Adc等函數(shù)進(jìn)行調(diào)用操作。而中斷子程序則主要利用XINT1、XINT2接口與外部進(jìn)行信號(hào)連接。

圖5 主程序控制流程

4 監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)用效果分析

在完成上述井下供電過(guò)程漏電的監(jiān)控保護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)后，將其在礦井中進(jìn)行了應(yīng)用模擬驗(yàn)證。在應(yīng)用過(guò)程中，該系統(tǒng)能對(duì)井下各主干電纜，分支電纜上的電流、電阻、電壓、溫度、火源等信息進(jìn)行信號(hào)采集及檢測(cè)，整個(gè)信號(hào)的采集時(shí)間控制在0.4 s范圍內(nèi)，并及時(shí)向監(jiān)控系統(tǒng)的CPU發(fā)出信號(hào)。同時(shí)，由于添加了抗干擾模塊，所采集信號(hào)的準(zhǔn)確性及清晰度相對(duì)較高。針對(duì)高阻接地、間接性故障狀態(tài)時(shí)，該監(jiān)控系統(tǒng)也實(shí)現(xiàn)了較為準(zhǔn)確的檢漏現(xiàn)象。在為期5個(gè)月的運(yùn)行期間，該監(jiān)控系統(tǒng)累計(jì)檢測(cè)了15次電流過(guò)大、電阻過(guò)熱等不同類(lèi)型故障現(xiàn)象，針對(duì)這些故障類(lèi)型，該監(jiān)控系統(tǒng)根據(jù)內(nèi)部的算法，及時(shí)自動(dòng)切斷了10次電網(wǎng)通電，有效實(shí)現(xiàn)了對(duì)井下供電過(guò)程的安全保護(hù)。據(jù)相關(guān)人員評(píng)價(jià)，該漏電監(jiān)控保護(hù)系統(tǒng)的應(yīng)用，降低了井下電氣安全檢測(cè)人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，減少了企業(yè)相關(guān)電氣檢修的經(jīng)濟(jì)費(fèi)用支出，所帶來(lái)的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值重大。

5 結(jié)束語(yǔ)

將當(dāng)前成熟的信息化、智能化的控制技術(shù)應(yīng)用到礦井供電過(guò)程漏電保護(hù)中，實(shí)現(xiàn)對(duì)礦井供電過(guò)程安全的保護(hù)，已成為企業(yè)重點(diǎn)考慮方向，而實(shí)現(xiàn)供電過(guò)程中電流、電壓、電阻及溫度等信號(hào)參數(shù)的檢測(cè)是關(guān)鍵。為此，本文在分析當(dāng)前礦用供電過(guò)程漏電監(jiān)控保護(hù)系統(tǒng)應(yīng)用的必要性基礎(chǔ)上，開(kāi)展了漏電監(jiān)控保護(hù)系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)及關(guān)鍵分系統(tǒng)研究，并將該系統(tǒng)進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用檢測(cè)。結(jié)果顯示，該監(jiān)控系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠，能準(zhǔn)確、快速地對(duì)供電過(guò)程中相關(guān)參數(shù)進(jìn)行檢測(cè)，并及時(shí)發(fā)出切斷電網(wǎng)的控制操作，實(shí)現(xiàn)了對(duì)井下電網(wǎng)及井下作業(yè)的安全保護(hù)，具有重要的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。