王 騫
(潞安化工集團(tuán)古城煤礦,山西 長(zhǎng)治 046100)
6kV 電力系統(tǒng)是國(guó)內(nèi)大部分礦井的主要供電方式。然而,近幾年來(lái),由于礦井開采能力的提高,以及大功率開采和起重設(shè)備的使用,煤礦井下的電力供應(yīng)需求有了顯著的提高,目前,10kV電力需求量正在逐漸提高。但是僅將工作面的安全保護(hù)裝置從6kV防爆智能保護(hù)裝置改為10kV防爆智能保護(hù)裝置,使實(shí)際生產(chǎn)中的防爆開關(guān)智能保護(hù)器出現(xiàn)誤動(dòng)作頻率較高,并在設(shè)備開關(guān)機(jī)的一瞬間產(chǎn)生了很強(qiáng)的電磁干擾,從而使保護(hù)器受到了損傷[1]。
目前,綜采工作面各種綜合防護(hù)設(shè)備可分為DCBX、DGZB、BLD、GZJB等多種系列。在這些保護(hù)中,DCZB 系列的保護(hù)裝置應(yīng)用的范圍最廣。本文在總結(jié)了DCZB系列保護(hù)裝置在實(shí)際使用中存在的問(wèn)題后,得出了以下結(jié)論:
(1)在一定的時(shí)段內(nèi),此保護(hù)裝置所能看到的電壓數(shù)值會(huì)有很大的波動(dòng),而所呈現(xiàn)的電壓值與網(wǎng)絡(luò)的波形有很大的關(guān)系,其主要是由于其所受的變壓器的影響。
(2)在一些情況下,DCZB 系列保護(hù)器的短路信號(hào)處理時(shí)間長(zhǎng)達(dá)100ms 以上,并且該系列保護(hù)器在短路檢測(cè)時(shí)間上存在缺陷,導(dǎo)致短路保護(hù)功能出現(xiàn)異常[2]。
(3)DCZB系列保護(hù)裝置因電源負(fù)載由6kV增加到10kV,導(dǎo)致在工作過(guò)程中出現(xiàn)拒動(dòng)作的現(xiàn)象。
因此,煤礦用DCZB 型防爆智能安全裝置的關(guān)鍵問(wèn)題是短路和跳閘。所以,有必要研制一種能夠有效地克服短路越線故障的智能型保護(hù)裝置。
根據(jù)煤礦電力系統(tǒng)中常見的故障類型,針對(duì)故障出現(xiàn)形式,設(shè)計(jì)了具有漏電保護(hù)、過(guò)載保護(hù)、短路保護(hù)功能的防爆智能開關(guān),同時(shí)實(shí)現(xiàn)設(shè)備的絕緣檢測(cè)和設(shè)備欠壓保護(hù),確保供電系統(tǒng)的安全工作[3]。
1.2.1 漏電保護(hù)
由于綜采工作面作業(yè)條件較差,且工作環(huán)境較為復(fù)雜,在電力系統(tǒng)中經(jīng)常出現(xiàn)單相漏電、單相接地等問(wèn)題。在工作面上出現(xiàn)的泄漏事故,不但會(huì)使現(xiàn)場(chǎng)人員受到電擊,還可能造成瓦斯爆炸、電氣雷管提前爆炸等危險(xiǎn)。目前,采用零序漏電保護(hù)和零序電源方向式漏電保護(hù),可以達(dá)到漏電保護(hù)的目的[4]。
1.2.2 電流保護(hù)
供電網(wǎng)絡(luò)中電流保護(hù)是保障安全的重要措施,電流防護(hù)主要有過(guò)負(fù)荷及短路防護(hù)。針對(duì)超負(fù)荷防護(hù),必須針對(duì)不同電動(dòng)機(jī)所具有的不同的發(fā)熱時(shí)值,決定其超負(fù)荷逆時(shí)限特征并進(jìn)行相應(yīng)的防護(hù)。短路防護(hù)通常采用快速斷開的方法來(lái)完成,即實(shí)時(shí)地進(jìn)行電流電壓相位進(jìn)行檢測(cè),從而即根據(jù)電流的相位來(lái)判定有無(wú)短路,系統(tǒng)檢測(cè)到短路現(xiàn)象后及時(shí)出發(fā)短路保護(hù)[5]。
同時(shí),對(duì)防爆開關(guān)的智能化保護(hù)也提出了相應(yīng)的要求,既要實(shí)現(xiàn)設(shè)備的絕緣檢測(cè),同時(shí)也能夠進(jìn)行設(shè)備欠壓保護(hù)。
從安全防護(hù)系統(tǒng)的軟、硬件兩個(gè)角度進(jìn)行了智能保護(hù)器的設(shè)計(jì),并與基本方案相配套,實(shí)現(xiàn)了相應(yīng)的防干擾性能。
圖1 為10kV 防爆開關(guān)智能保護(hù)器的基本結(jié)構(gòu),從結(jié)構(gòu)上看,與6kV的結(jié)構(gòu)框架基本一致,通過(guò)對(duì)電路的改造和升級(jí)優(yōu)化,實(shí)現(xiàn)了10kV 供電電路的保護(hù)需求。智能保護(hù)裝置以微型控制單元為中心,結(jié)合目前市場(chǎng)上的實(shí)際應(yīng)用情況及經(jīng)濟(jì)情況,選擇C8051F010 型微控制器為主要器件,實(shí)現(xiàn)了智能化保護(hù)裝置的設(shè)計(jì)。以C8051F010為保護(hù)裝置核心,并配置了電源電路、復(fù)位電路、實(shí)時(shí)時(shí)鐘、外時(shí)鐘等[6]。
圖1 10kV防爆開關(guān)智能保護(hù)器的基本結(jié)構(gòu)框圖
2.1.1 實(shí)時(shí)時(shí)鐘電路
防爆開關(guān)智能化保護(hù)裝置的實(shí)時(shí)計(jì)時(shí)功能,它能夠?qū)崟r(shí)地記錄本地時(shí)間和設(shè)備失效的時(shí)間,可以實(shí)現(xiàn)故障數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)記錄和存儲(chǔ)。本設(shè)計(jì)使用了DS1302型數(shù)字芯片,具有低功耗和寫入保護(hù)的優(yōu)點(diǎn)。在C8051F010上實(shí)現(xiàn)了與該系統(tǒng)的實(shí)時(shí)時(shí)鐘信號(hào)的接口,圖2為倆芯片的連接關(guān)系[7]。
圖2 實(shí)時(shí)時(shí)鐘電路與C8051F010單片機(jī)的連接示意圖
2.1.2 復(fù)位電路
在實(shí)際應(yīng)用中,可以采取其中措施實(shí)現(xiàn)C8051F010單片機(jī)的微處理器和中央處理器的復(fù)位:上電復(fù)位、軟件強(qiáng)制復(fù)位、掉電復(fù)位、時(shí)鐘丟失檢測(cè)器復(fù)位以及按鍵復(fù)位等[8]。本研究中復(fù)位電路的方式選擇了按鍵復(fù)位,圖3為系統(tǒng)重置電路的基本原理。
圖3 單片機(jī)按鍵復(fù)位電路原理圖
2.1.3 信號(hào)通道電路
信號(hào)通道的構(gòu)成有電壓信號(hào)通路、電流信號(hào)通路、零序電壓通路、零序電流和隔離監(jiān)控的信道。
由于采用了雙向TVSD21 器件作為電壓訊號(hào)信道的瞬態(tài)電壓抑制裝置,以確保在受到較大電壓的情況下,系統(tǒng)可以快速地完成反向擊穿,并將其從高阻工作態(tài)過(guò)渡到低阻態(tài),并抑制干擾信號(hào),保障設(shè)備的正常工作。在圖4中顯示了一個(gè)電壓訊號(hào)信道的線路[9]。
圖4 電壓信號(hào)通道電路原理圖
對(duì)于零序電流的信號(hào),由于其具有很低的信號(hào)值,很容易被干擾,因此必須在常規(guī)的零序電流信號(hào)回路中加入一個(gè)帶通濾波器。另外,在零序電流信號(hào)回路中加入反向變換的作用,可以實(shí)現(xiàn)對(duì)線路的電壓、電流的相位進(jìn)行探測(cè)[10]。
本研究研制的礦井防爆開關(guān)智能保護(hù)器,除實(shí)現(xiàn)正常保護(hù)功能外,還具有讀取DS1302、寫入液晶屏、對(duì)按鍵進(jìn)行功能的定制能力,圖5 為軟件程序的工作流程。
計(jì)時(shí)器是實(shí)現(xiàn)故障延時(shí)處理的核心設(shè)備,它的功能主要是解決兩類故障的時(shí)間延時(shí)問(wèn)題,其相應(yīng)的延時(shí)處理流程見圖6。
圖6 定時(shí)器延時(shí)處理程序流程圖
近幾年,隨著大功率綜放設(shè)備、起重設(shè)備全面普及應(yīng)用,礦井生產(chǎn)已步入了高產(chǎn)量、高效率的新時(shí)期,工作面作業(yè)載荷大幅度提高,供電電壓從6kV 提高到10kV。然而,綜采工作面供電系統(tǒng)的保護(hù)裝置并沒有從6kV提高到10kV,只是提高了電壓水平,一旦電機(jī)啟動(dòng)時(shí)電壓水平過(guò)高,則有可能會(huì)出現(xiàn)保護(hù)器的意外觸發(fā)或者電磁干擾,對(duì)礦井的安全造成了很大的影響。為此,本論文以C8051F010單片機(jī)為核心,針對(duì)功率方向類型的誤動(dòng)作、拒動(dòng)等問(wèn)題,進(jìn)行了防爆開關(guān)智能保護(hù)系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)。實(shí)際應(yīng)用證明,該保護(hù)裝置可在30ms 內(nèi)完成數(shù)據(jù)采集和跳閘保護(hù),并在100ms 內(nèi)實(shí)現(xiàn)一級(jí)延遲保護(hù),較好地解決了越級(jí)跳閘問(wèn)題。