礦用隔爆型高壓開關(guān)智能綜合保護(hù)系統(tǒng)研究

朱 銳

(西山煤電 西銘礦，山西 太原 030052)

0 引言

20世紀(jì)以來我國(guó)經(jīng)濟(jì)步入快車道，煤炭消耗量也隨之增加，因此，保護(hù)與管理煤炭生產(chǎn)過程中所需的供電設(shè)備的重要性日益凸顯。為保證電源設(shè)備的安全穩(wěn)定運(yùn)行，對(duì)繼電和自動(dòng)裝置保護(hù)的設(shè)計(jì)尤為重要，綜合保護(hù)系統(tǒng)的智能化可使煤礦井下電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性與連續(xù)性得到充分保障,并可根據(jù)實(shí)際要求,在發(fā)生故障時(shí)報(bào)警,實(shí)現(xiàn)故障設(shè)備快速有效的切除,阻止事故的進(jìn)一步擴(kuò)大，避免火災(zāi)，確保煤礦現(xiàn)場(chǎng)的設(shè)備與人身安全。

1 國(guó)內(nèi)外研究與應(yīng)用現(xiàn)狀

20世紀(jì)20年代開始，英國(guó)、前蘇聯(lián)與德國(guó)相繼研發(fā)了煤礦安全設(shè)備并應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)中，隔爆型電氣設(shè)備在煤礦現(xiàn)場(chǎng)逐步得到了廣泛的應(yīng)用。國(guó)外公司陸續(xù)推出了多種微機(jī)保護(hù)系統(tǒng)，華萊推出了可通過8085CPU實(shí)現(xiàn)保護(hù)的雙速開關(guān)微機(jī)式保護(hù)系統(tǒng)。德國(guó)西門子公司生產(chǎn)的具備完善的保護(hù)功能與良好的人機(jī)界面的Siprotec 4系列保護(hù)繼電器，能用于地面供電系統(tǒng)與礦井供電系統(tǒng)。

國(guó)內(nèi)的礦井電網(wǎng)繼電保護(hù)裝置主要有3種類型：①具有機(jī)械轉(zhuǎn)動(dòng)部件的繼電保護(hù)裝置；②具有晶體管電路的繼電保護(hù)裝置；③結(jié)合微機(jī)控制技術(shù)的繼電保護(hù)裝置。目前國(guó)內(nèi)主要采用單CPU結(jié)構(gòu)的高壓開關(guān)綜合保護(hù)系統(tǒng)，在采樣要求較高的應(yīng)用場(chǎng)合,整個(gè)系統(tǒng)顯得較為乏力。而煤礦落后的生產(chǎn)技術(shù)水平、非智能化的缺點(diǎn)、保護(hù)電器不能達(dá)到預(yù)期保護(hù)等問題導(dǎo)致生產(chǎn)事故的發(fā)生概率大大增加。現(xiàn)有高壓隔爆開關(guān)的漏電保護(hù)技術(shù)存在諸多不足，造成了較多斷電事故，增大了故障點(diǎn)查找的難度，嚴(yán)重影響了生產(chǎn)。傳統(tǒng)開關(guān)多數(shù)不具備網(wǎng)絡(luò)通信功能，操作人員只能現(xiàn)場(chǎng)對(duì)高壓開關(guān)直接檢查，存在極大的安全隱患。

2 DSP與單片機(jī)的主從控制礦用隔爆型高壓開關(guān)智能綜合保護(hù)系統(tǒng)

2.1 系統(tǒng)功能

通過分析一個(gè)保護(hù)裝置可能發(fā)生的各種故障及其特點(diǎn)，最終才能提出實(shí)用有效的保護(hù)系統(tǒng)方案。根據(jù)《煤礦安全規(guī)程》：井下高壓變電站應(yīng)具備短路、超負(fù)荷、欠電壓保護(hù)功能，綜合保護(hù)系統(tǒng)應(yīng)具有漏電保護(hù)功能，保證切除漏電故障，若存在屏蔽電纜，還要設(shè)置監(jiān)視保護(hù)。

2.2 保護(hù)功能與實(shí)現(xiàn)

(1) 過載保護(hù)。當(dāng)系統(tǒng)中發(fā)生過載時(shí)，表現(xiàn)為電網(wǎng)電流大于額定電流，因此可通過檢測(cè)電網(wǎng)電流來判斷過載程度。根據(jù)反時(shí)限動(dòng)作原理,工作電流與額定電流的比值越大，對(duì)過載動(dòng)作速率的要求越高。

(2) 短路保護(hù)。當(dāng)系統(tǒng)中發(fā)生短路故障時(shí)表現(xiàn)為大電流，因此單純的檢測(cè)電流大小很難與電氣設(shè)備啟動(dòng)時(shí)的大電流區(qū)分，將引起誤動(dòng)作。由于短路時(shí)功率因數(shù)大，啟動(dòng)時(shí)功率因數(shù)小，本設(shè)計(jì)將相敏保護(hù)原理應(yīng)用于短路保護(hù)，即通過短路電流的大小與功率因數(shù)綜合判斷此時(shí)是否發(fā)生短路。

(3) 漏電保護(hù)。將零序電壓基波作為漏電保護(hù)啟動(dòng)信號(hào)，當(dāng)零序電壓超過整定值時(shí)，通過零序電壓和零序電流5次諧波相位差可判斷其是否發(fā)生故障。

(4) 監(jiān)視線保護(hù)。監(jiān)視線保護(hù)是一種基于外加直流電源的電纜絕緣在線監(jiān)測(cè)技術(shù)。圖1為電纜監(jiān)視線的檢測(cè)原理圖。圖1中，Rd、Ra、Rr為電纜的等效電阻，Rd位于監(jiān)視線與接地線間，Rr為接地電阻，Ra通常為1 kΩ的電阻；R1與R0分別為限流與采樣電阻；其兩端的電壓U0為采樣電壓，與Rr有關(guān)；Uj為直流電源電壓。監(jiān)視線與地線因電纜故障被短路情況下，Rr減小，U0隨之變化終端器件也被短路；兩線斷路情況下，U0被送入檢測(cè)模塊，從而推算出絕緣電阻值。

圖1 監(jiān)視線檢測(cè)原理

3 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案

3.1 硬件整體設(shè)計(jì)方案

本保護(hù)系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖2所示，將DSP芯片TMS320LF2407作為主CPU，其主要功能有采樣模擬信號(hào)、計(jì)算處理數(shù)據(jù)以及保護(hù)電路的識(shí)別與啟動(dòng)、開關(guān)信號(hào)的給定與輸出。同時(shí)單片機(jī)作為協(xié)同CPU，主要功能有人機(jī)交互和通訊等。整個(gè)系統(tǒng)由以下部分構(gòu)成：

圖2 隔爆高壓智能保護(hù)系統(tǒng)硬件總體結(jié)構(gòu)圖

(1) 微機(jī)系統(tǒng)：由DSP和單片機(jī)實(shí)現(xiàn)主從控制,可實(shí)現(xiàn)邏輯判斷、計(jì)算、定時(shí)、數(shù)據(jù)采樣、存儲(chǔ)和人機(jī)交互等功能。

(2) 交流采樣單元：采樣計(jì)算電力系統(tǒng)三相電壓，以及a、c兩相的電流與零序電流電壓分量。

(3) 選擇性漏電處理單元：可得到電流電壓零序分量的五次諧波,經(jīng)過相位比較后對(duì)中性點(diǎn)絕緣電網(wǎng)系統(tǒng)或經(jīng)消弧線圈接地電網(wǎng)中的接地故障實(shí)現(xiàn)漏電保護(hù)。

(4) 絕緣監(jiān)視保護(hù)單元：將信號(hào)經(jīng)電壓頻率變換后，根據(jù)直流檢測(cè)原則，實(shí)現(xiàn)對(duì)電纜屏蔽線及接地線的故障保護(hù)。

(5) 開關(guān)量單元：由開關(guān)量采樣相應(yīng)設(shè)備對(duì)應(yīng)采樣點(diǎn),從而判斷開關(guān)實(shí)時(shí)狀態(tài)。開關(guān)信號(hào)輸出部分包括故障報(bào)警信號(hào)和控制斷路器的開關(guān)信號(hào)。

(6) 人機(jī)交互單元：主要包括按鍵輸入、液晶顯示和通訊接口三部分，其主要功能是:輸入?yún)⒖贾?選擇操作方式、電網(wǎng)參數(shù)、工作狀況,顯示故障類型,進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊。

(7) 電源部分：采用+5 V、-12 V、+12 V與兩個(gè)+24 V的小型直流電源。

3.2 軟件設(shè)計(jì)方案

根據(jù)DSP和單片機(jī)雙核硬件系統(tǒng)的配置分別確定DSP和單片機(jī)的功能，DSP軟件系統(tǒng)的主要功能有算法、通訊和故障識(shí)別等。單片機(jī)系統(tǒng)的主要功能是液晶顯示、參數(shù)保存和故障記錄保存等。DSP部分包括系統(tǒng)的初始化，初始化子程序主要實(shí)現(xiàn)參數(shù)的初始化、中斷初始化、事件管理器的初始化與芯片外圍電路的初始化等。單片機(jī)部分主要包括完成調(diào)試菜單程序、人機(jī)接口功能、通訊程序與告警模塊程序等。

隔爆高壓開關(guān)智能保護(hù)系統(tǒng)的主程序流程如圖3所示，主程序包括:智能系統(tǒng)的初始化；整定值的輸入；模擬信號(hào)的采樣與數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換；應(yīng)用傅里葉算法計(jì)算電壓U、電流I及兩者相位關(guān)系、計(jì)算有功與無功功率P、Q等參數(shù)；故障的識(shí)別與切除；與計(jì)算機(jī)軟件通訊等功能。

圖3 隔爆高壓開關(guān)智能保護(hù)系統(tǒng)主程序流程圖

圖4為DSP故障識(shí)別與切除的具體程序流程，當(dāng)保護(hù)裝置上電后，程序?qū)ο到y(tǒng)進(jìn)行掃描判斷是否存在故障，若存在故障，識(shí)別故障類型，延時(shí)時(shí)間滿足條件后，發(fā)出跳閘命令，并生成故障報(bào)告?zhèn)魉偷浇换ソ缑妗．?dāng)故障切除后，系統(tǒng)發(fā)出復(fù)位信號(hào)，將定時(shí)器重置為0，返回主程序。

圖4 DSP故障識(shí)別及切除流程圖

4 結(jié)束語

近年來，開關(guān)綜合保護(hù)系統(tǒng)的研究受到大量關(guān)注，隔爆型高壓開關(guān)獲得廣泛應(yīng)用后，對(duì)其研究方向應(yīng)以深度與實(shí)用性為目標(biāo)。本文分析了目前開關(guān)智能綜合保護(hù)的應(yīng)用情況后，設(shè)計(jì)了基于DSP和單片機(jī)的雙CPU主從控制開關(guān)智能綜合保護(hù)系統(tǒng)，在原理和硬件設(shè)計(jì)等方面進(jìn)行了綜合考慮與設(shè)計(jì)，使礦用高壓開關(guān)裝置保護(hù)系統(tǒng)的技術(shù)水平與可靠性進(jìn)一步提高。