李清汝

（潞安化工集團(tuán)能源事業(yè)部健康安全環(huán)保部， 山西 襄垣 046204）

引言

我國大多數(shù)煤礦采用6 kV 的供電系統(tǒng)。但是，近年來，隨著工作面生產(chǎn)能力的增加和大功率采掘設(shè)備和提升設(shè)備的應(yīng)用，工作面的供電負(fù)荷明顯增加，已經(jīng)逐步邁進(jìn)10 kV 的供電等級。僅是簡單地將工作面的保護(hù)系統(tǒng)由6kV的防爆開關(guān)智能保護(hù)器改造為10kV的防爆開關(guān)智能保護(hù)器，導(dǎo)致了在實際生產(chǎn)中防爆開關(guān)智能保護(hù)器誤動作率增加，且在系統(tǒng)分合閘的瞬間產(chǎn)生較大的電磁干擾,造成保護(hù)器被損壞[1]。

1 防爆開關(guān)智能保護(hù)器的總體設(shè)計

1.1 現(xiàn)狀分析

目前，煤礦綜采工作面的各類型綜合保護(hù)裝置可分類為DCB—X 系列、DGZB 系列、BLD 系列和GZJB系列。其中，DCZB 系列保護(hù)器應(yīng)用最為廣泛。通過對DCZB 系列保護(hù)器實踐應(yīng)用出現(xiàn)的問題進(jìn)行總結(jié)，得出如下結(jié)論：

1）在不同的時間段該保護(hù)器所顯示的電壓值相差較大，顯示的電壓值與電網(wǎng)波形的好壞有直接的關(guān)系，主要原因為其受到電壓互感器的影響。

2）DCZB 系列保護(hù)器短路信號處理時間在某些情況超過了100 ms，而且該型智能保護(hù)器的短路檢測時間較差，導(dǎo)致短路保護(hù)功能無法正常發(fā)揮。

3）由于供電負(fù)荷從6 kV 增大至10 kV，導(dǎo)致DCZB 系列保護(hù)器出現(xiàn)了較為明顯的拒動作現(xiàn)象[2]。

綜上，目前礦井DCZB 系列防爆開關(guān)智能保護(hù)器主要存在的問題為短路跳閘問題。因此，急需設(shè)計一款可解決短路越級跳閘問題的智能保護(hù)器。

1.2 防爆開關(guān)智能保護(hù)器的功能需求

針對礦井供電網(wǎng)絡(luò)中常見的故障類型，要求防爆開關(guān)智能保護(hù)器具備漏電保護(hù)、過載保護(hù)、短路保護(hù)、過欠壓保護(hù)和絕緣保護(hù)等功能。

1.2.1 漏電保護(hù)

鑒于綜采工作面相對惡劣的工作環(huán)境，供電電纜時常會發(fā)生單相漏電或者單相接地的故障。工作面現(xiàn)場的漏電故障不僅會導(dǎo)致現(xiàn)場人員發(fā)生觸電，而且還會引起瓦斯爆炸、電氣雷管提前引爆等風(fēng)險[3]。目前，可通過零序電流漏電保護(hù)和零序功率方向型漏電保護(hù)實現(xiàn)保護(hù)器的漏電保護(hù)功能。

1.2.2 電流保護(hù)

電流保護(hù)功能包括對供電網(wǎng)絡(luò)中的過載保護(hù)和短路保護(hù)。對于過載保護(hù)，需要根據(jù)不同電機(jī)對應(yīng)的不同發(fā)熱時間常數(shù)，確定其過載反時限特性，采取相應(yīng)的保護(hù)措施。短路保護(hù)一般采取電流速斷保護(hù)方式實現(xiàn)其功能，具體通過判斷電流電壓的相位，得出是否出現(xiàn)短路現(xiàn)象，繼而觸發(fā)短路保護(hù)功能。

此外，還要求防爆開關(guān)智能保護(hù)器具備過欠壓保護(hù)和絕緣監(jiān)視保護(hù)功能。

2 防爆開關(guān)智能保護(hù)器的設(shè)計

從防爆智能保護(hù)器的硬件和軟件兩個方面完成設(shè)計，并結(jié)合基礎(chǔ)設(shè)計完成其對應(yīng)的抗干擾設(shè)計。

2.1 硬件設(shè)計

本文所設(shè)計的防爆開關(guān)智能保護(hù)器可適用于10 kV的供電網(wǎng)絡(luò)中，10 kV 防爆開關(guān)智能保護(hù)器的基本結(jié)構(gòu)參照6 kV 保護(hù)器設(shè)計，如圖1 所示。智能保護(hù)器的核心為單片機(jī)系統(tǒng)，綜合對比市面上單片機(jī)的應(yīng)用案例和經(jīng)濟(jì)性，確定選用型號為C8051F010 的單片機(jī)，作為核心部件完成智能保護(hù)器設(shè)計[4]。在C8051F010單片機(jī)的基礎(chǔ)上，為其配置電源電路、復(fù)位電路、實時時鐘和外部時鐘等。

圖1 10 kV 防爆開關(guān)智能保護(hù)器的基本結(jié)構(gòu)框圖

2.1.1 實時時鐘電路

防爆開關(guān)智能保護(hù)器實時時鐘電路主要是對當(dāng)?shù)貢r間和故障時間的實時記錄，對于數(shù)據(jù)存儲記錄具有重要意義。本系統(tǒng)采用DS1302 時鐘芯片，該芯片具有高性能、低功耗的優(yōu)勢，而且具有寫保護(hù)功能。實時時鐘電路與C8051F010 單片機(jī)的連接如圖2 所示。

圖2 實時時鐘電路與C8051F010 單片機(jī)的連接示意圖

2.1.2 復(fù)位電路

本系統(tǒng)所采用C8051F010 單片機(jī)可通過七種方式實現(xiàn)對單片機(jī)CPU 的復(fù)位功能，包括：上電復(fù)位、軟件強(qiáng)制復(fù)位、掉電復(fù)位、時鐘丟失檢測器復(fù)位以及按鍵復(fù)位等。本系統(tǒng)將采用按鍵復(fù)位的方式實現(xiàn)對單片機(jī)CPU 的復(fù)位功能，對應(yīng)的復(fù)位電路如圖3 所示。

圖3 單片機(jī)按鍵復(fù)位電路原理圖

2.1.3 信號通道電路

信號通道電路主要包括電壓信號通道、電流信號通道、零序電壓信號通道、零序電流信號通道和絕緣監(jiān)視信號通道等。

針對電壓信號通道采用雙向TVS D21 器件為瞬態(tài)電壓抑制器，保證系統(tǒng)在承受高壓信號時能夠迅速實現(xiàn)反向擊穿功能，從而使元器件由高阻態(tài)運行狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榈妥钁B(tài)，最終將干擾信號抑制在可承受的范圍之內(nèi)。電壓信號通道電路如圖4 所示。

圖4 電壓信號通道電路原理圖

針對零序電流信號電路，鑒于該電路中的信號值較小極易受到干擾，需要在傳統(tǒng)零序電流信號電路的基礎(chǔ)上增加帶通濾波電路。此外，零序電流信號電路中增加一個倒相的功能，能夠?qū)﹄娐分须妷汉碗娏飨辔贿M(jìn)行檢測。

2.2 軟件設(shè)計

本文所設(shè)計的礦用防爆開關(guān)智能保護(hù)器，除了發(fā)揮正常的保護(hù)功能外，還具備讀DS1302、寫液晶屏和對按鍵進(jìn)行設(shè)置的功能，對應(yīng)的具體程序流程如圖5所示。

圖5 防爆開關(guān)智能保護(hù)器主程序流程圖

定時器是系統(tǒng)完成故障延遲處理的關(guān)鍵器件，主要對過載和漏電兩種故障進(jìn)行延時處理[5]，其對應(yīng)的延遲處理程序流程如圖6 所示。

圖6 定時器延時處理程序流程

3 結(jié)語

近年來，隨著大型、大功率綜采設(shè)備和提升設(shè)備的廣泛應(yīng)用，煤礦生產(chǎn)進(jìn)入了高產(chǎn)高效的時代，工作面的工作負(fù)荷顯著提升，供電電壓由6 kV 增加至10 kV。但是，對應(yīng)的綜采工作面供電系統(tǒng)的保護(hù)設(shè)備并未從6 kV 提升至10 kV，僅是將電壓等級升高，一旦真正遇到高壓電機(jī)啟動導(dǎo)致保護(hù)器誤動作和電磁干擾的嚴(yán)重問題，會嚴(yán)重影響煤礦的安全生產(chǎn)。因此，本文基于C8051F010 單片機(jī)為核心，完成了防爆開關(guān)智能保護(hù)器的設(shè)計，重點解決功率方向型的誤動作和拒動作的問題。通過實踐表明：所設(shè)計的保護(hù)器能夠在30 ms 內(nèi)完成采集并實現(xiàn)跳閘保護(hù)功能，且短路保護(hù)功能在100 ms 以內(nèi)實現(xiàn)一級延時保護(hù)，有效解決了越級跳閘的問題。