文金忠，張立中，劉建洪，張文宏，魏振富

(1.貴州省煤礦設計研究院有限公司，貴州 貴陽 550025；2.河南省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局第四地質(zhì)勘查院，河南 鄭州 450001)

我國煤炭資源是能源領域不可或缺的一部分，煤礦機械化程度的日益增加，致使煤礦用電量的逐漸增長，煤礦對井下供電安全性能也越來越高。在井下供電網(wǎng)絡中，低壓供電網(wǎng)絡占總供電的60%，一般處于掘進和采煤工作面等相對惡劣的環(huán)境，由于管理、維護不當，電氣、電纜設備自身絕緣老化、施工人員安裝不當?shù)仍?，電氣設備絕緣水平下降或供電電纜絕緣水平被破壞，導致煤礦井下電纜事故的發(fā)生。設計的漏電保護技術(shù)主要體現(xiàn)在：①能夠具有選擇性保護系統(tǒng)，縮小了停止供電范圍，便于查找漏電故障位置；②能夠有效防止短路電流過大，造成電弧擊穿設備外殼或使設備外殼升高到危險值；③漏電保護系統(tǒng)能夠降低引爆電雷管、煤塵爆炸、瓦斯降低、漏電電流等事故的發(fā)生；④可以實時了解電纜工作狀態(tài)，起到了有效預防作用；⑤能夠在線實時監(jiān)測低壓電網(wǎng)電纜的絕緣狀態(tài)，當電纜的絕緣降低時，可及時采取有效措施，避免漏電事故的發(fā)生。國內(nèi)學者對煤礦井下低壓電網(wǎng)漏電保護技術(shù)進行了諸多研究，如文獻[1-2]根據(jù)零序電抗器并聯(lián)電阻接地系統(tǒng)，發(fā)生單相接地故障時零序電流與零序電壓相位差在非故障支路與故障支路中的差異性實現(xiàn)故障選線，裝置不受電網(wǎng)中零序電抗器補償?shù)挠绊?，當發(fā)生單相接地故障時，能夠快速、可靠動作；文獻[3-4]研究了煤礦井下低壓供電系統(tǒng)遠方人工漏試關鍵技術(shù)，引入外接控制按鈕，利用時間繼電器的3種漏電試驗技術(shù)的工作原理進行了理論分析及研究，形成了科學的饋電設備遠方人工漏試跳閘的可行性技術(shù)方案，指出了饋電設備的遠方人工漏試的跳閘試驗技術(shù)在現(xiàn)代化礦井生產(chǎn)安全供電的重要性。鑒于此，本文研究了煤礦井下低壓電網(wǎng)漏電保護技術(shù)，研究該技術(shù)的硬件部分和軟件部分，并分析了抗干擾措施。研究有效提高了煤礦井下低壓電網(wǎng)漏電檢修效率，縮短了故障處理時間。

1 煤礦井下電網(wǎng)基本結(jié)構(gòu)

煤礦井下電網(wǎng)主要由防爆移動變電站、采區(qū)變電所、分區(qū)變電所、中央變電所等組成，其低壓電網(wǎng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要包括磁力啟動器、饋電開關、降壓變壓器、高壓配電裝置等[5-7]。

圖1 煤礦井下低壓電網(wǎng)結(jié)構(gòu)Fig.1 Low-voltage power grid structure in coal mine

2 漏電保護裝置性能指標

煤礦井下低壓電網(wǎng)對漏電保護裝置的要求是避免人身觸電事故的發(fā)生，保障煤礦安全供電，其漏電保護裝置性能指標為可靠性、選擇性、速度性[8-9]。

(1)可靠性。在任意系統(tǒng)中，當發(fā)生故障時，漏電保護裝置不能拒動和誤動。通過改善漏電保護裝置的質(zhì)量、設計及設備的運行維護和管理，可有效提高設備的可靠性。

(2)選擇性。當煤礦井下發(fā)生漏電故障時系統(tǒng)僅切除故障路線的特點，可有效縮小故障影響范圍，使漏電產(chǎn)生的影響最小化。不同供電系統(tǒng)的選擇性漏電保護形式為：①當供電類型為混合式供電系統(tǒng)時，其擇性漏電保護形式為根據(jù)情況設定保護，切除相應的支路；②當供電類型為干線式供電系統(tǒng)時，其擇性漏電保護形式為保護切斷干線電源和相應支路；③當供電類型為放射式供電系統(tǒng)時，其擇性漏電保護形式為保護正常線路，切除故障支路。

(3)速度性。當煤礦井下供電發(fā)生漏電故障時，能夠及時切除故障相，確保用電安全。根據(jù)國家相關標準，當漏電電阻為1 kΩ的單相漏電故障動作時間見表1。

表1 漏電電阻為1 kΩ的單相漏電故障動作時間Tab.1 Single-phase leakage fault action time with leakage resistance of 1 kΩ

3 煤礦井下低壓電網(wǎng)漏電保護技術(shù)

3.1 硬件設計

3.1.1 硬件主體設計

硬件的性能是整個安全工作的基礎，根據(jù)漏電保護裝置性能指標及實現(xiàn)功能，對系統(tǒng)的硬件進行整體設計，硬件主體設計如圖2所示。

圖2 硬件主體設計Fig.2 Hardware design

裝置的硬件系統(tǒng)主要由電源單元、信號發(fā)生源、人機接口單元、外圍擴展單元、CPU、低頻電流電壓數(shù)據(jù)采集模塊構(gòu)成。

3.1.2 CPU選擇

根據(jù)處理器功能、價格、處理速度等因素，本文選用32位STM 32F104微控制器，該處理器具有方便調(diào)試、內(nèi)存空間大、低功耗、低成本、高性能等特點。將采集到的電流、電壓數(shù)據(jù)，使用濾波放大器，經(jīng)過單片機和A/D轉(zhuǎn)換進行分析處理。把獲取的數(shù)據(jù)和給定值進行對比分析，如果小于繼電器動作值時，系統(tǒng)發(fā)生指令跳開開關，并顯示在液晶屏上。

3.1.3 硬件電路單元

(1)電源單元。為了滿足電源單元體積小、低功耗等要求，本文選擇單片機的供電電源為+3.3 V，芯片為LM1117-3.3型，液壓顯示屏模塊的供電電源為+5 V，芯片為LM7805型，電源單元電路設計如圖3所示。

圖3 電源單元電路設計Fig.3 Power unit circuit design

(2)數(shù)據(jù)采集。采集的數(shù)據(jù)主要是低頻信號，利用A/D轉(zhuǎn)換、濾波、信號縮小等操作，將信號調(diào)至適合的數(shù)模轉(zhuǎn)換的信號，本文選擇精度為1.0級的CE-IJ03-T5E5-1.0型霍爾電流傳感器，其參數(shù)：響應時間<130 ms，直流供電電壓為±12 V，輸入電壓范圍為0～5 V，輸入電流為0～10 mA。信號采集流程如圖4所示。

圖4 信號采集流程Fig.4 Signal acquisition process

(3)信號源設計。由于裝置所處的環(huán)境電壓等級較高，需要合適的功率和幅值，才能確定裝置的靈敏度，本文選擇隔離變壓器，低頻電源設計流程如圖5所示。

圖5 低頻電源設計流程Fig.5 Low frequency power supply design process

3.2 軟件設計

(1)軟件主體設計。本文采用Silicon IDE集成環(huán)境中實現(xiàn)的，該集成環(huán)境具有全功能窗口的編輯器、擁有項目界面、獨立、完整等特點。主程序設計如圖6所示。

圖6 主程序設計Fig.6 Main program design

(2)正弦波產(chǎn)生模塊。本文采用STM 32F104單片機來產(chǎn)生正弦波，其產(chǎn)生流程如圖7所示。

圖7 正弦波產(chǎn)生流程Fig.7 Sine wave generation process

3.3 抗干擾措施

由于煤礦井下裝置所處環(huán)境惡劣，并且存在較強的高頻信號、工頻信號的干擾，采用多種抗干擾措施來改善裝置的應用效果，主要抗干擾措施如下。

(1)硬件抗干擾措施。①使用霍爾電流互感器、隔離變壓器，將微機系統(tǒng)的“地”與電網(wǎng)的“地”相隔離，分開數(shù)字電路和模擬的地線，消除雜散電流信號產(chǎn)生的干擾；②系統(tǒng)電源采用開關電源，輸出電壓穩(wěn)定，輸入電壓幅值高，具有抗干擾能力強；③在調(diào)理電路中，配合使用低通濾波電路和陷波電路，從而減少電網(wǎng)信號對采集的電流的干擾；④在裝置中增加厚金屬屏蔽盒，減弱電磁干擾產(chǎn)生的影響。

(2)軟件抗干擾措施。①采用軟件數(shù)字濾波，盡可能抑制隨機干擾，提高采樣信號的準確度；②設置軟件消抖，在出現(xiàn)鍵抖狀況時，采用按鍵處理程序進行程序延時判斷，確保部分功能穩(wěn)定運行；③使用單片機人工復位，在程序失控狀態(tài)時，單片機可以回到初始狀態(tài)；④使用定時器定時刷屏，確保液晶顯示屏在受到干擾后能夠及時恢復正常。

4 結(jié)論

根據(jù)煤礦井下電網(wǎng)基本結(jié)構(gòu)，基于漏電保護裝置性能指標，研究了煤礦井下低壓電網(wǎng)漏電保護裝置的硬件部分，硬件系統(tǒng)主要由電源單元、信號發(fā)生源、人機接口單元、外圍擴展單元、CPU、低頻電流電壓數(shù)據(jù)采集模塊構(gòu)成；分析了主程序設計框架，并給出了抗干擾措施。研究為煤礦井下低壓電網(wǎng)漏電保護技術(shù)的發(fā)展提供了技術(shù)支持。