低壓饋電開關綜合保護系統的設計

陳 亞

0 引言

煤炭開采行業的不斷發展對煤炭井下的供電系統提出了更高要求，《煤礦安全規程》中明確規定：井下低壓饋電線上應裝設有短路、過載、欠壓保護及帶有漏電閉鎖的檢漏保護裝置或有選擇性漏電保護裝置，在使用屏蔽電纜的場合，還應設絕緣監視保護。當低壓電網中發生如漏電、短路、斷相等各種事故時，礦用低壓饋電開關保護系統可以針對故障特征自動快速、準確地檢測故障原因和故障點并執行相應的操作，以保障井下低壓電網的絕對安全，保障采煤工作的順利進行，減少事故的發生。

1 低壓電網常見故障及檢測原理

（1）漏電保護。漏電故障是井下低壓供電系統發生最多的故障，占總故障的80%以上。漏電故障危害大，涉及面廣，可靠的漏電保護系統對井下作業和供電安全有著重要意義。設計饋電開關在正常線路上運行，當發生漏電事故時自動跳閘從而實現漏電保護。目前常用的漏電保護監測原理有：附加直流電源檢測原理、零序電壓檢測原理、零序電流檢測原理及零序電流方向檢測原理等。采用零序電流方向檢測原理實現選擇性漏電保護的檢測方法，在發生漏電事故時，在三相電網中將產生零序電壓U0和零序電流I0，且在方向上，故障支路的電流滯后90°，非故障支路的電流超前90°，因此根據電路中的電流是滯后還是超前90°即可判斷是故障支路還是非故障支路。

（2）短路保護。井下低壓電網短路故障包括三相短路、兩相短路、單相及兩相接地短路，短路故障也是煤礦井下常見的嚴重故障之一。常用短路檢測原理包括相敏檢測原理及負序檢測原理等，對比這兩種檢測原理，選用負序檢測原理，相敏檢測可能會出現保護死區，而負序檢測原理相比相敏檢測誤動作幾率比較小，檢測靈敏度也較高。

（3）斷相保護。礦用低壓饋電開關中，當接線端掉線或者接觸不良時可造成單相斷電的現象，單相斷電后，此相的電流即為0，另外兩相電流的方向相反、大小相等，這將造成一種嚴重的不對稱故障，采用負序檢測原理可正確判斷斷相故障。

（4）過載保護。在煤礦井下作業過程中，當出現負載過重、單相運行等其他不對稱工作時，工作中的一些電氣設備如變壓器、電動機等的工作電流超出設備的正常工作電流，稱此時的操作屬于過載操作，短時的過載操作不會損壞設備，但長期的過載操作將產生大量的熱量，導致設備的損壞，甚至引起井下火災和爆炸等重大礦井事故。設置過載故障保護系統可采用反時限檢測原理，當發生過載事故時，電流較大，設置跳閘的延遲時間較短，可及時跳閘；當工作正常無過載事故時，線路電流較小，跳閘延遲時間較長。

（5）過壓與欠壓保護。過壓故障包括由雷電引起的外部過壓和由系統內部非正常工作引起的內部過壓，欠壓是當系統電壓低于75%的額定電壓。在電網中，出現過壓和欠壓都將產生重大事故。在過壓和欠壓保護中常采用鑒幅式檢測原理，即監測電網中的電壓值與標準的電壓值比較，當出現過壓或欠壓故障時，延時跳閘。

2 饋電開關保護系統硬件設計

低壓饋電開關綜合保護系統主要保護煤炭井下的供電系統線路中的短路、漏電和過載等故障，硬件部分是該饋電開關綜合保護系統的基礎，其性能的好壞直接決定該系統作用性能效果。礦用低壓饋電開關綜合保護系統主要由中央控制單元、信號采集單元及人機界面組成，該綜合保護系統的硬件設計流程如圖1所示。

圖1 系統硬件流程圖

中央控制單元采用AT89C52單片機控制。信號采集單元是饋電開關保護系統的重要組成部分，該部分是中央控制單元與低壓電網中間的橋梁，信號的準確輸入才能準確判斷工作狀態是否發生如漏電、短路等故障，并可自動對故障執行動作。信號采集參數主要有開關量和模擬量，開關量主要包括斷路器輔助接點狀態、瓦斯信號、風電信號及分合閘信號，模擬量主要包括電壓信號、電流信號、負序信號、漏電信號及相敏信號。信號參數通過采樣電路（包括電壓采樣模塊、漏電采樣模塊、電流采樣模塊及負載采樣模塊等）獲取。

由采集電路采集的模擬信號通過信號調理電路轉化為電壓信號，經過放大和A/D轉化后傳輸到AT89C52單片機中，單片機根據輸入的數據信號支配故障處理電路并執行相應的故障及時處理操作。

人機界面可以準確顯示饋電開關運行狀態，直觀顯示故障類型和故障支路，工作人員可通過人機界面數據顯示操作控制饋電開關。良好的人機界面設計可以直觀了解和分析電網運行

情況，當出現故障時可及時報警動作，且通過人機界面顯示判斷故障類型，及時處理和維修，提高控制系統的可操作性。

3 饋電開關保護系統軟件設計

系統硬件電路必須配合軟件設計才能充分發揮綜合保護性能，發揮應有的作用。饋電開關保護系統軟件可采用匯編語言與C語言混合編程自低向上法編寫，該系統軟件的設計主要分為總體結構化設計、功能化模塊程序編寫及程序調試、修改，其主程序流程如圖2所示。結構合理，功能齊全，程序科學的軟件設計可以減少系統運算空間，縮短運算時間，增加動作反應速度和運行的可靠性。

圖2 主程序框圖

4 結語

該礦用低壓饋電開關保護系統針對低壓電網常見故障提出檢測方法，設計硬件及軟件可以準確可靠地保護井下低壓電網，保障作業正常運行，人機界面直觀顯示低壓電網作業情況，可根據實際檢測信號參數自動判斷是否出現故障并及時執行故障操作，保護井下電網設備的正常運行。

［1］中華人民共和國能源部.煤礦安全規程［M］.北京：煤炭工業出版社，1992

［2］王文華.礦用低壓饋電開關綜合保護系統的研究［D］.太原理工大學，2010

［3］耿俊梅.井下低壓電網的漏電故障及原理分析［J］.煤炭工程，2007（11）

［4］路偉逢，李大鋒，劉萬德.礦井低壓饋電開關的改造［J］.工礦自動化，2011（12）