礦用高壓開關保護系統的改進設計

劉 震

(山西天地王坡煤業有限公司，山西 晉城 048021)

隨著煤礦生產規模的擴大，井下電網布局也越來越復雜，加上井下環境惡劣、設備超負荷作業、電氣及線纜的磨損、老化等因素，導致井下電網經常發生短路、漏電甚至著火等故障現象，嚴重影響著井下作業人員及設備的安全。雖然也應用了各類保護系統，但仍無法較好地保障井下用電安全。因此，有必要對井下電網保護系統進行升級改造。本文結合目前國內井下電網系統的性能特點，通過對高壓開關保護系統的功能要求分析，設計了一套功能全面、響應速度快、性能穩定的井下高壓開關保護系統。

1 國內井下電網系統的特點分析

隨著科學技術水平的不斷提升，井下電網系統在安全保護性能方面得到了快速發展，基本能滿足井下電網的安全保護需求，其主要性能特點如下：

1) 井下保護系統的電纜均是根據不同環境的使用需求，進行不同類型的選擇使用。目前，井下電纜主要包括塑料電纜、鎧裝電纜、橡套軟電纜等，其中，前兩種電纜主要用于井下的設備通電及主干線上，而橡套軟電纜則主要用于移動設備的供電，整體均具有較高的安全保護性能。但由于井下環境的惡劣性，且電纜用量較大，在長期使用中，也出現了較多的故障問題。因此，正確選擇電纜型號及類型，對提高電網的安全性具有重要意義。

2) 在電網中，主要采用了非直接接地方式進行接地，當人發生了觸點事故時，若采用了非直接接地方式，可以使流過人體的電流大大減小，降低了人員的人身傷害概率；同時，降低了系統中短路現象，使變壓器、供電設備的故障率也大大降低。根據《煤礦安全規程》的相關規定，采用直接接地的變壓器、電機等設備不允許對井下進行供電作業。

3) 目前，大部分井下電網中的保護系統功能均相對齊全，能對電網的短路、過壓、漏電等故障現象發生相應的報警提示，并及時采取有效措施，發出切斷電源、切換開關等命令操作，保證了井下電網的正常運行和井下作業安全。但由于井下環境的惡劣性，加上井下設備經常處于超負荷狀態作業，導致各設備、電纜、控制開關等經常出現各類故障問題，整套電網的穩定性相對較差。

因此，加強井下電網中保護系統的綜合保護性能，有效減小或避免相關故障事故的發生，對提高井下電網的安全運行能力及井下作業安全至關重要。

2 高壓開關保護系統的主要功能要求

參考《煤礦安全規程》的相關規定，井下作業過程中的高壓開關保護系統需滿足一定的功能要求，方可進行現場應用，其主要的功能要求如下：

1) 該保護系統能對井下電網運行中的相關參數進行數據的實時采集及檢測，并將其轉換為相應的電信號。

2) 所配備控制開關及監測范圍能根據電網不同的運行狀態和需要進行自動化遠程切換和控制，減小人員的勞動強度。

3) 需具有對電網進行電流保護、接地保護及漏電保護等多種保護功能為一體的功能，同時，針對電網中出現的各類故障問題，能及時做出故障信號指示，并準確顯示故障發生位置。

4) 能將電網運行中的各類信號參數進行實時的人機界面顯示，并及時進行數據的記憶保存，形成相應的數據記錄文件，以方便后期對數據的查找。

5) 可對井下的其他相關干擾信號進行有效屏蔽，保證保護系統的數據不受外界干擾，以此提高保護系統的控制準確性。

3 高壓開關保護系統方案設計

3.1 總體方案設計

鑒于現有的井下電網在使用中存在的一些不足，設計了一套性能更加穩定的高壓開關保系統。該系統主要包括模擬輸入模塊、CPU模塊、電流電壓變送器、故障存儲模塊、人機交互接口單元等部分，其中，CPU主控單元采用了高速處理性能、集成A/D信號轉換等功能的DSP芯片TMS320F2812，可實現32位、150MIPS的高速指令處理速度，克服了傳統的運算、響應慢、精度低等缺點；而故障存儲模塊則主要用來處理電網中的短路、漏電等故障信號，并對這些數據進行實時存儲，該保護系統的總體框架如圖1所示。整套保護系統的工作原理為：首先通過相關檢測設備對電網中的相關信號進行檢測，經過電流、電壓變送器的信號轉換后，再將其發送至CPU中，而CPU中通過自帶電流A/D信號轉換器，可將電信號轉換為對應的數字信號，并通過相關計算和判斷方法進行信號處理，最終將其傳輸至人機顯示界面中進行實時顯示，同時，通過相關控制程序采用切斷電源、切換開關等操作，以此實現對電網的安全保護。該系統與傳統系統相比，具有更高的響應速度、保護功能更加全面，控制精度和速動性能也更高，能更好地滿足井下電網的使用需求。

圖1 高壓開關保護系統總體框架

3.2 模擬量輸入模塊的設計

由于該保護系統需要對井下電網中電流、電壓、零序電壓信號等信號進行采集，通過相關的控制算法來進行信號運算和轉換，由此來控制相關控制程序對執行機構發出控制指令。而模擬輸入量作為保護系統信號采集輸入的前端模塊，對整個保護系統非常重要，其結構主要由PT/CT、變換器、低通過濾器等組成，其工作原理如圖2所示。同時，由于該模塊所采集的電壓、電壓值均為高壓、大電流值。在保護系統中無法直接進行應用，因此，需通過相關耐高性能的電流、電壓互感器轉換為低電流、低電壓信號后，方可傳輸至DSP芯片中進行信號轉換和運算判斷。

圖2 模擬量輸入模塊原理框架

4 保護系統測試分析

為進一步驗證所設計的高壓開關保護系統的綜合性能，在某礦對該系統進行了現場試驗測試。

4.1 短路保護測試分析

在保護系統短路測試過程中，主要采用了對軟件設置短路故障的方式進行測試，具體方法為：首先在軟件中設置一個短路故障，再將其發送至CPU進行短路信號的判斷和分析，而在測試過程中，當CPU接收到短路信號后，對開關發出了跳閘的指令，同時，電路短路器迅速做出切斷電源命令，其動作響應時間僅為80 ms，由此，驗證了該系統在電流短路方面具有較好的綜合性能。

4.2 漏電保護測試分析

在保護系統漏電測試中，主要通多次改變電網與大地之間的電阻值來模擬漏電狀態，當CPU檢測到該電阻值超過設定的閾值時，則會向電阻繼電器發出響應的切斷電源的控制動作，以此實現對保護系統中漏電故障的保護。經測試，該保護系統能準確及時地對漏電故障進行快速、實時響應，具有較高的控制精度，能滿足當下井下電網的使用需求。

5 結 語

結合目前國內井下電網系統的性能特點，通過對高壓開關保護系統的功能要求分析，設計了一套功能全面、響應速度快、性能穩定的井下高壓開關保護系統，通過測試表明，該系統在短路保護、漏電保護等方面均具有較高的性能特點，整套系統動作可靠，性能穩定，對提高井下電網和井下作業的安全性具有重要意義。