煤礦高壓開關柜保護系統設計

戴晶晶

（同煤機電裝備有限公司，山西大同 037305）

0 引言

隨著煤礦自動化程度的提高，對供電系統的安全性與可靠性的要求也越來越高［1］。礦用高壓開關柜一般用于井下停車場和主通風機硐室，負責向機械通電設備分配電能［2］。煤礦高壓開關柜作為供電系統中的一個重要設備，其工作的穩定性將直接關系到井下工作面生產的效率與工人的生命安全［3］。需要實時監測高壓開關柜的運行參數，防止柜內熱量無法散發，溫度長時間升高，最終引發火災等事故［4］。因此，本文為保障煤礦供電系統的穩定性與安全性，針對井下的高壓開關柜設計了一種嵌入式保護系統。

1 高壓開關柜故障分析與方案設計

高壓開關柜一般由母線、絕緣子、載流導體、測量設備、控制設備與保護設備等組成，并安裝于一個封閉或敞開的金屬柜中。按照安裝方式，高壓開關柜可分為固定式和移動式兩種，其中固定式開關柜的斷路器相對固定，體積較大，檢修時需要進入柜內，移動式開關柜的斷路器可移動，尺寸較小，維修時可將斷路移動到柜外。本文所設計的保護系統針對移動式高壓開關柜［5-6］。

1.1 高壓開關柜故障分析

高壓開關柜發生故障的主要原因是由于開關柜中元件發生物理化學反應導致［7］。根據工程實際情況，高壓開關柜的故障類型大致有4 種：載流故障、絕緣故障、機械故障與斷開故障。其中載流故障是由于斷路器與母線連接處接觸不良，導致局部溫度升高，觸頭燒壞；絕緣故障是由于絕緣子的材料老化，無法繼續起到絕緣；斷開故障是由于斷路器在斷開后，仍有一定的電氣導通，破壞了滅弧裝置；機械故障是指斷路器與接觸器等功能器件無法執行命令操作的故障。

煤礦高壓開關柜的柜體封閉，在工作過程中會產生大量熱量，加速設備老化，因此元件發熱，柜內溫度過高是造成高壓開關柜故障的首要原因。電路短路會造成電流沖擊現象，溫度突增，對母線造成損壞，加速元件老化，形成不良的惡行循環，最終導致危險事故的發生。

1.2 保護系統方案設計

煤礦高壓開關柜保護系統需要滿足3 個要求：（1）信號傳輸穩定，煤礦井下環境復雜，高壓開關柜的體積小且封閉，設計時應保證數據傳輸的可靠性高、抗干擾性強；（2）絕緣性能較好，高壓開關柜的電壓等級較高，為了使保護系統各模塊穩定運行，其絕緣性需達到國家標準的設計要求；（3）

供電簡單，高壓開關柜的體積較小，高壓開關柜輸送的電源為高壓交流電，保護系統需要的電源為低壓直流電，所以系統的供電裝置要簡單可靠，安裝方便。

本文設計的煤礦高壓開關柜保護系統的工作原理如圖1所示，系統包括信號采集模塊、嵌入式處理器模塊、信號傳輸模塊和故障報警模塊。信號采集模塊主要由電壓、電流與溫度傳感器組成，將信號轉換后傳輸到處理器模塊。處理器模塊對監測到的數據分析與計算，判斷設備運行狀態，并將數據存儲。信號傳輸模塊將處理器中的數據傳輸到井上的上位機中，以供工作人員查看與巡視。在高壓開關柜發生故障后，故障報警模塊負責切斷母線、停止開關柜工作，并啟動蜂鳴器報警。

圖1 保護系統工作原理圖

2 保護系統硬件設計

2.1 系統硬件結構設計

保護系統選用基于ARM 的32 位STM32F103C 8T6微處理器，其程序存儲器為64 kB，工作電壓為2～3.6 V。STM32F103C8T6微處理器環境適應性強，具有大量的外部設備，包括7個計時器、2個SPI 接口與3 個USART 接口等，具有較好的人機交互功能［8］。保護系統的硬件結構如圖2 所示，包括主處理器STM32F103C8T6，系統電源模塊、時鐘電路、存儲電路、JTAG電路、報警電路與復位電路等。

圖2 保護系統硬件結構設計

2.2 信號采集模塊設計

本文采用數字式的電壓、電流和溫度傳感器對高壓開關柜的工作信號進行監測，提高系統的抗干擾性，避免井下環境影響數據采集的準確性。高壓開關柜內的溫度檢測是判斷是否故障的主要依據，柜內電壓與電流信號的監測為了判斷故障發生的位置與原因，方便維修。由于供電系統電壓與電流過大，本文通過監測互感器兩側的電壓與電流值來間接計算母線處的實際電壓、電流值。

本文選用的溫度傳感器為DS18B20 數字式溫度傳感器，其工作原理是：溫度變化會導致振蕩器元件的頻率發生變化，通過頻率與溫度之間的對應關系來計算出被測設備的溫度。DS18B20溫度傳感器可測量-55 ～125 ℃的溫度，測量溫度的分辨率可精確到0.06 ℃，并且其擴展編碼可達16 位數。DS18B20溫度傳感器的工作電源既可以單獨供給，也可以利用處理器芯片直接供電。

本文選用的電流傳感器為霍爾式傳感器，利用半導體材料的磁敏物理特性，通過測量得到的磁感應強度，計算出電路中的電流值。電流傳感器的具體型號為WCS2705，可測量-5 ～5 A的電流范圍，供電電源的電壓范圍為3 ～12 V。本文選用的電壓傳感器為ZMPT101B 型號，可將被測交流電壓依照一定的線性比例轉換為直流電壓，該傳感器可測量的最大電壓為250 V，電源供電電壓為5 V。

2.3 保護電路設計

高壓開關柜中溫度升高的主要原因為電路短路造成的電流過大，本文針對系統的過流保護電路進行了設計，當處理器檢測到被測電路中的電流超過設定闕值時，STM32F103C8T6處理器將切斷母線的電源，避免高壓開關柜中的元件燒毀，本文設計的電路圖如圖3 所示。過流保護電路利用4584型號的施密特觸發器，當電流超過給定值時，比較放大器輸出信號，關閉電源輸入。

圖3 系統過流保護電路設計

3 保護系統軟件設計

高壓開關柜保護系統的軟件采用模塊化編輯的方式，各子程序通過主程序連接起來，實現整體保護功能。系統的主程序流程圖如圖4 所示，系統啟動后，首先初始化系統，開啟各數據傳輸通道，進行信號采集。各信號經過數據處理傳輸到處理器中，經過計算分析，與設定闕值比較，判斷系統是否故障。當開關柜發生故障后，系統蜂鳴器報警，保護電路切斷開關柜母線電源，等待檢修人員維修處理。

圖4 系統軟件主程序流程圖

4 結束語

本文針對煤礦井下高壓開關柜設計了一種嵌入式的保護系統，具有體積小，價格便宜，工作安全可靠的優點，保障高壓開關柜的運行安全，可為煤礦機電設備穩定、高效的供電。