煤礦饋電開關保護系統的優化設計

申 鵬

(山西天地王坡煤業有限公司，山西 晉城 048021)

饋電開關保護系統作為井下電網中的重要組成部分，負責電網中各電氣設備的故障診斷和保護。然而，由于井下環境的惡劣性及相關設備經常處于超負荷狀態，加上煤礦開采深度的不斷加深，導致井下電網在運行過程中經常出現短路、漏電、欠壓等故障現象，嚴重影響著井下電網的運行安全。因此，有必要對現有電網保護系統進行優化。

1 國內饋電開關保護系統研究現狀分析

目前，國內的井下電網主要采用變電站加放射式進行設備供電，其供電系統中主要由配電裝置、變壓器、饋電開關等組成，其中，饋電開關是保證電網安全運行的核心器件。井下電網在供電保護中，對電網主要進行漏電保護、短路保護、欠壓保護，其中，漏電保護主要采用零序電流最大法，零序功率方向法等方法，在控制方式上，也主要采用PLC進行控制；但在實際運行中，經常存在故障響應速度較慢、檢測精度較低、系統運行性能不穩定等問題。隨著科學技術的不斷發展，功能更加齊全的保護系統也逐漸得到開發應用。目前，諸多學者已將神經網絡技術應用到了保護系統中，同時，在信號采集方面，壓縮傳感技術也得到了應用，由此大大提高了保護系統的自適應和故障響應速度，但目前這些高性能的算法尚未完全在保護系統中進行應用，對其進行大面積推廣仍需一定的時間。因此，不斷加大對井下電網中饋電開關保護系統的性能提升，實現保護系統的智能化、自動化、網絡化程度，已成為當下供電領域發展的重要方向。

2 饋電保護系統的主要功能要求

根據《煤礦安全規程 》要求，為保證井下電網的正常、安全運行，所設計的饋電開關保護系統需具備一定的功能特點，方可在井下進行應用。其主要功能要求為：

1) 電網保護系統需能對井下電網中的漏電、短路、欠壓、過流、高溫等故障現象進行實時的、多功能的診斷檢測，并根據不同的故障類型，發出相應的控制命令，并迅速切斷電路。

2) 由于井下環境的惡劣性，經常存在侵水、電纜磨損等現象。因此，要求保護系統需具有較高的可靠性和性能穩定性，且能有效對井下的相關干擾信號進行屏蔽，保證保護系統在干擾信號影響下不被干擾或信號破壞。

3) 由于電纜發生故障現象時，其事故的蔓延速度相對較快。因此，保護系統需能對故障事故進行快速響應，且故障檢測精度也需較高，以此來及時對電網故障進行有效控制。

4) 由于井下電網線路相對較多，當某電纜發生故障現象時，保護系統可對故障發生的位置進行準確定位，并做出相應的故障解決措施。

3 饋電開關保護系統的優化

3.1 總體方案設計

結合現有饋電開關保護系統的現狀及功能特點，在現有饋電開關保護系統基礎上，對其進行了總體方案優化。該方案包括硬件系統中的各類傳感器、電源模塊、數據信號采集模塊、故障診斷模塊、通訊模塊及軟件控制程序等，其總體結構框架如圖1所示。該保護系統的工作原理為：前端的電壓、電流互感器首先對井下電網中的相關電信號進行檢測，通過信號處理匯總，傳輸至控制內核中進行A/D數據轉換和相關算法的運算，將計算結果與設置的理論值進行對比判斷后，最終執行相關命令操作，主要包括兩路：當發生故障時，一路通過對繼電器發出切斷開關電源的命令，實現對井下電網電路的切斷保護控制；另一路為當發生故障時，保護系統及時發出對應故障類型的報警提示，并在液晶顯示屏上進行實時顯示，同時，將相關的故障信號進行保存記錄。由此，完成整個井下電網的電路保護。

圖1 饋電開關保護系統總體方案框架

3.2 硬件系統設計

保護系統的硬件部分主要包括各類電流、電壓傳感器、溫度傳感器、互感器、繼電器、處理器、A/D轉換器等，硬件系統的總體框架原理如圖2所示。其中，處理器采用了32位的ARM嵌入式處理器，同時，在其內部增設了3個A/D數字信號轉換器，有效代替了外部單獨設置數據轉換器，簡化了系統設計。另外，由于系統中各電器元件所需電壓平臺各不相同，為滿足其使用需求，在電源模塊設計過程中，采用了多種規格的穩壓芯片，配備性能較好的降噪部件，有效結合電感、電容等元氣件，對系統中的不同等級的電壓進行了設計，其中，顯示器的電壓為5 V、控制芯片的電壓為3.6 V、繼電器的直流電壓為24 V。該保護系統中各硬件之間的通訊則采用了RS-45通訊接口，可直接通過兩根電線，快速完成各元器件之間的通訊連接。由此，完成了饋電開關保護系統的硬件系統設計。

圖2 饋電開關硬件系統總體框架

3.3 軟件系統設計

軟件系統是饋電開關保護系統的控制部分，其結構組成主要包括內核、驅動程序、中斷服務、BSP等；且整體具有較多的功能，主要功能包括采集數據的運算控制、程序輸入、硬件系統的控制、操作系統的執行、邏輯判斷、通訊控制等，其軟件系統的總體結構框架如圖3所示。綜合考慮保護系統的硬件結構情況，在操作系統上，選用了μC/OS-Ⅱ嵌入式操作系統，根據該保護系統的實際功能需求，可在該操作系統中進行對應的功能篩選和匹配，并將保護系統根據功能的不同進行模塊劃分及相關程序的編寫。同時，該軟件系統中的BSP程序是實現應用程序和硬件系統的橋梁程序，主要負責對操作系統中各類訪問程序的引導，系統可通過該程序實現對硬件系統的直接訪問。因此，通過該軟件系統，最終可實現對井下電網的故障檢測和命令控制，由此，完成了該軟件系統的總體框架設計。

圖3 保護系統軟件系統框架原理

4 饋電開關保護系統現場應用測試

為保證該系統能在井下供電系統中進行安全、有效的應用，需對其進行現場應用測試。但出于安全、經濟效益等方面考慮，無法直接在井下測試。因此，選用了合適的變壓器、互感器、繼電器等設備，搭建了饋電開關保護系統測試的試驗平臺，通過該試驗平臺，對保護系統的漏電、短路、欠壓等故障問題進行測試。通過模擬測試可知，該系統能針對電網中漏電、短路、欠壓等故障現象發出相應的故障提示，并發出對應的切斷電源命令，快速切換開關，保證了整個電網在發生故障問題時能實現自動切斷保護的目的。整個測試過程中，該系統具有較快的響應速度，控制精度相對較高，與傳統保護系統相比，保護功能更加齊全，整體保護性能更好。

5 結 語

提升井下電網饋電開關保護系統的保護性能，已成為保證電網安全運行的關鍵問題。本文結合現有井下電網保護系統的研究現狀，對井下電網饋電開關保護系統進行了優化設計，并進行了模擬測試，結果表明，該保護系統各項功能運行正常，整體響應速度較快，控制精度較高，系統性能運行穩定，能滿足當下井下電網的安全保護需求。為進一步開展保護系統的優化提供了參考。