范鵬偉

(山西中招招標(biāo)代理有限公司，山西 太原 030053)

0 引言

隔爆饋電開關(guān)是煤礦井下低壓供電系統(tǒng)中的重要電氣設(shè)備，起到控制低壓供電系統(tǒng)通斷的作用?！睹旱V安全規(guī)程》規(guī)定井下低壓供電系統(tǒng)必須安裝低壓饋電開關(guān)保護(hù)裝置，在發(fā)生短路、過載、漏電、欠壓等故障后應(yīng)能在相關(guān)保護(hù)器的控制下迅速動作跳閘，因此饋電開關(guān)保護(hù)裝置的性能關(guān)系到井下供電系統(tǒng)的安全性和可靠性；另一方面，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，饋電開關(guān)保護(hù)裝置也朝著智能化和信息化方向發(fā)展，因此研究高性能、高可靠性、高智能化的保護(hù)器具有重要意義。

1 保護(hù)器基本要求

(1) 選擇性。選擇性指的是當(dāng)井下供電系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，保護(hù)器能夠判斷故障范圍，對發(fā)生故障的饋線支路進(jìn)行跳閘保護(hù)，而非故障范圍內(nèi)的饋線支路正常供電，盡量減小故障所帶來的停電影響。

(2) 可靠性?？煽啃灾傅氖钱?dāng)井下供電系統(tǒng)發(fā)生的故障在本保護(hù)器保護(hù)范圍內(nèi)時(shí)，保護(hù)器能夠發(fā)出跳閘指令，斷開所在饋線的短路器，而當(dāng)本保護(hù)器保護(hù)范圍之外發(fā)生故障時(shí)本保護(hù)器不發(fā)出跳閘指令。

(3) 快速性?？焖傩灾傅氖钱?dāng)井下供電系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，保護(hù)器在一定時(shí)間內(nèi)發(fā)出跳閘指令，保護(hù)器快速性不滿足要求將會導(dǎo)致事故范圍擴(kuò)大。

(4) 靈敏性。靈敏性指的是無論故障點(diǎn)在保護(hù)范圍的始端還是末端，甚至是作為后備保護(hù)，均應(yīng)該準(zhǔn)確動作。

2 保護(hù)器硬件設(shè)計(jì)

本文所研究的煤礦低壓饋開關(guān)保護(hù)器包括信號采集電路、液晶顯示電路、報(bào)警電路、開關(guān)量電路、跳閘電路和抗干擾電路。

2.1 信號采集電路

保護(hù)器需要采集電網(wǎng)的三相電壓信號、三相電流信號和零序電流信號等。三相電壓信號由電壓互感器采集，由于井下低壓供電系統(tǒng)采用的是中性點(diǎn)絕緣運(yùn)行方式，因此三相電流信號可只采集A、C兩相，零序電流信號由零序電流互感器單獨(dú)采集。經(jīng)過電壓互感器和電流互感器處理，電壓信號和電流信號均為0～1 A的電流信號，然后經(jīng)電流變送器S3-AD轉(zhuǎn)換為0～1 V的電壓信號，通過8路模擬開關(guān)CD4051選通某一路信號，然后經(jīng)儀用放大器AD620放大為0～5 V電壓信號，以上電流或電壓信號轉(zhuǎn)換均為模擬信號之間的轉(zhuǎn)換，需經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換器TLV2554轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號后才能被數(shù)字信號處理器接收，進(jìn)行進(jìn)一步濾波和計(jì)算等處理。當(dāng)電流大于8倍額定電流時(shí)，判斷故障為短路，立即發(fā)出跳閘指令，200 ms之內(nèi)完成短路器跳閘；當(dāng)電流大于1.2倍額定電流時(shí)，判斷故障為過流，并根據(jù)反時(shí)限原則進(jìn)行動作。圖1為信號采集電路結(jié)構(gòu)框圖。

圖1 信號采集電路結(jié)構(gòu)框圖

2.2 液晶顯示電路

液晶顯示屏的作用是顯示故障信息，包括故障類型和線路名稱。本文選擇某公司生產(chǎn)的KY-D29X型液晶顯示器，這是一款單色帶背光、對比度和亮度可調(diào)的顯示屏，開發(fā)者可通過編程對顯示文字的特性進(jìn)行修改，例如字符方向和大小等。KY-D29X與控制器可通過串行接口進(jìn)行連接，使用時(shí)將BUSY接口連接到控制器信號接收端，DATA接口連接到信號發(fā)送端即可。

2.3 報(bào)警電路

報(bào)警電路有聲音報(bào)警電路和燈光報(bào)警電路，其電路原理相似。當(dāng)保護(hù)器判斷有故障發(fā)生時(shí)，通過控制器的IO口電平變化，經(jīng)驅(qū)動電路進(jìn)行功率放大，對蜂鳴器和警示燈進(jìn)行控制，提醒工作人員進(jìn)行事故處理。

2.4 開關(guān)量電路

開關(guān)量電路分為開關(guān)量輸入電路和開關(guān)量輸出電路，開關(guān)量輸入電路指的是按鍵接口電路和遠(yuǎn)方信號電路，包括瓦斯閉鎖狀態(tài)信號、合閘信號等，開關(guān)量輸出電路指的是控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)的連鎖信號、報(bào)警信號等。開關(guān)量輸入、輸出電路均采用光耦TLP521進(jìn)行電氣隔離，采用ULN2033達(dá)林頓管進(jìn)行繼電器驅(qū)動，這款達(dá)林頓管最大電流可達(dá)0.5 A。

2.5 跳閘電路

跳閘電路動作的條件有兩個：一是由控制器判斷發(fā)生了漏電、短路、欠壓等需要跳閘的故障;二是達(dá)到了對應(yīng)故障的跳閘動作時(shí)限。跳閘電路與報(bào)警電路類似，也是通過控制器IO口電平變化實(shí)現(xiàn)，由于跳閘電路動作會直接導(dǎo)致高壓回路斷路器跳閘停電，因此跳閘電路的抗干擾措施更完善，光耦隔離電路能夠防止干擾信號進(jìn)入跳閘回路，避免誤動作。

2.6 抗干擾電路

井下電磁環(huán)境復(fù)雜，因此抗干擾電路十分重要，否則保護(hù)器容易發(fā)生誤動作，導(dǎo)致不必要的停電?？刹扇〉目垢蓴_措施有芯片電源接口并聯(lián)濾波電容、鍵盤輸入端口并聯(lián)除抖電容、AD轉(zhuǎn)換電路設(shè)置鉗位二極管、光耦隔離，除此以外PCB布線時(shí)也要考慮信號干擾問題。

3 保護(hù)器軟件設(shè)計(jì)

3.1 開發(fā)環(huán)境

本設(shè)計(jì)采用的主控制芯片為TI公司生產(chǎn)的TMS320F28335，這是一款專為實(shí)時(shí)控制設(shè)計(jì)的數(shù)字信號處理器。本設(shè)計(jì)采用C語言在CCS4.12環(huán)境下進(jìn)行軟件開發(fā)，配合XDS100v2仿真器進(jìn)行軟件下載。軟件設(shè)計(jì)分為兩步：第一步是對板級支持包BSP和驅(qū)動程序的編寫，板級支持包可以采用TI提供的f2833x-v133，驅(qū)動程序主要是完成主控制器與外圍電路的數(shù)據(jù)交換；第二步是功能程序編寫，功能程序又包括主程序、子程序和中斷程序。

3.2 主程序

主程序開始后進(jìn)行初始化，然后判斷饋電開關(guān)是否閉合，如果饋電開關(guān)閉合則進(jìn)入主循環(huán)，在主循環(huán)內(nèi)依次進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理分析、漏電故障判斷、過流故障判斷、過壓故障判斷等，所有故障判斷結(jié)束后返回主循環(huán)。

3.3 模數(shù)轉(zhuǎn)換程序

本文采用TI公司生產(chǎn)的TLV2544進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，這是一款12位低功耗高性能CMOS AD轉(zhuǎn)換器，其最快轉(zhuǎn)換速度可達(dá)到3.6 μs。TLV2544上電時(shí)將CFR配置寄存器寫入初始化命令A(yù)000h，然后在高4位寫入控制指令，TLV2544的部分命令集如表1所示。

表1 模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片TLV2544的部分命令集

3.4 故障保護(hù)功能程序

故障保護(hù)功能程序是軟件系統(tǒng)的核心程序，主要包括漏電故障保護(hù)程序、過流故障保護(hù)程序和電壓故障保護(hù)程序等。上述各故障保護(hù)程序按照優(yōu)先級的不同掃描的周期也不同，漏電故障優(yōu)先級最高，掃描周期為25 ms；過流故障的優(yōu)先級居中，掃描周期為50 ms；電壓故障的優(yōu)先級最低，掃描周期為100 ms。當(dāng)進(jìn)行故障判斷時(shí)，若判斷結(jié)果為故障發(fā)生，則發(fā)出跳閘指令，然后執(zhí)行聲光報(bào)警和故障數(shù)據(jù)存儲等程序。

3.5 CAN通信程序

CAN是一種高性能、高可靠性的國際標(biāo)準(zhǔn)化串行通信協(xié)議，傳輸距離最遠(yuǎn)可達(dá)10 km，數(shù)據(jù)傳輸速率可達(dá)1 Mb/s，被廣泛應(yīng)用于各行各業(yè)。開發(fā)CAN通信程序時(shí)需要開發(fā)者自行定義應(yīng)用層協(xié)議，使得CAN通信程序的開發(fā)更加便捷、可移植性更高。本保護(hù)器的CAN總線應(yīng)用層協(xié)議是基于CAN2.0B而定義的，目的是進(jìn)行總饋電開關(guān)和分饋電開關(guān)之間的通信。在一個低壓供電系統(tǒng)中，一個總饋電開關(guān)對應(yīng)于多個分饋電開關(guān)，因此定義協(xié)議為主從結(jié)構(gòu)。CAN通信程序可分為兩部分：①對總線功能寄存器的初始化程序；②總分饋電開關(guān)的通信，以完成漏電保護(hù)功能。

4 結(jié)束語

研究了一種基于DSP控制器的礦用低壓隔爆饋電開關(guān)智能保護(hù)器，這款保護(hù)器能夠在井下低壓供電系統(tǒng)發(fā)生短路、過流、漏電和欠壓等故障時(shí)發(fā)出跳閘信號，控制饋電開關(guān)動作跳開。實(shí)際應(yīng)用表明，所研究的智能保護(hù)器符合《煤礦安全規(guī)程》對井下低壓電網(wǎng)保護(hù)裝置的選擇性、可靠性、快速性和靈敏性要求，提高了井下低壓供電系統(tǒng)的安全性。