煤礦供電饋電保護(hù)裝置的研究與應(yīng)用

童立凡

（同煤集團(tuán)煤峪口礦供電科， 山西 大同 037041）

引言

礦井供電系統(tǒng)的可靠性和安全性是保證工作面安全、高效生產(chǎn)的基礎(chǔ)。工作面供電包括低壓供電和高壓供電。其中，低壓供電的保護(hù)裝置主要依賴于饋電開關(guān)的電氣設(shè)備。隨著工作面低壓電氣設(shè)備容量及電壓等級、工作面距離及供電距離的增加，傳統(tǒng)饋電保護(hù)裝置的可靠性和保護(hù)無法滿足實(shí)際生產(chǎn)的要求。因此，本文開展關(guān)于煤礦供電饋電保護(hù)裝置的研究，旨在提升其可靠性、安全性和連續(xù)性。

1 饋電開關(guān)保護(hù)裝置的總體設(shè)計(jì)

饋電開關(guān)保護(hù)裝置主要針對低壓電網(wǎng)中的故障進(jìn)行檢測，并根據(jù)檢測結(jié)果對低壓電網(wǎng)進(jìn)行保護(hù)。鑒于綜采工作面生產(chǎn)環(huán)境惡劣，工作面電氣設(shè)備啟動頻繁經(jīng)常會對電網(wǎng)造成沖擊，導(dǎo)致低壓電網(wǎng)常出現(xiàn)漏電、過流、過壓或者欠壓等故障[1]。為解決低壓電網(wǎng)的各類故障，對饋電開關(guān)保護(hù)裝置的可靠性提出了更高的要求。

通常，饋電開關(guān)保護(hù)裝置安裝于對應(yīng)饋電開關(guān)的防爆腔內(nèi)，為保證工作面低壓電網(wǎng)的可靠性和安全性，要求饋電開關(guān)保護(hù)裝置滿足如下功能：

1）要求饋電開關(guān)保護(hù)裝置實(shí)現(xiàn)對低壓電網(wǎng)的故障保護(hù)，包括如圖1 所示的故障保護(hù)結(jié)構(gòu)。基于采樣電路通過獲取電路中互感器的參數(shù)信號實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)檢測的功能，通過對所檢測到信號的分析得出對應(yīng)的故障類型，進(jìn)而達(dá)到實(shí)時(shí)保護(hù)的效果。此外，為提高故障保護(hù)的響應(yīng)特性，基于RS-485 總線實(shí)現(xiàn)信號的通訊。

2）要求饋電開關(guān)保護(hù)裝置具有一定的靈活性，根據(jù)電氣設(shè)備使用工作環(huán)境的不同對其工作參數(shù)及保護(hù)功能進(jìn)行適應(yīng)性配置。具體表現(xiàn)為：饋電開關(guān)保護(hù)裝置不僅應(yīng)用于低壓電網(wǎng)的總開關(guān)處，還可應(yīng)用于電壓電網(wǎng)的分開關(guān)處[2]。此外，要求饋電開關(guān)保護(hù)裝置還可單獨(dú)應(yīng)用于電氣設(shè)備的電機(jī)保護(hù)。

圖1 饋電開關(guān)保護(hù)裝置故障保護(hù)功能

3）要求饋電開關(guān)保護(hù)裝置具有通訊功能，實(shí)現(xiàn)上位機(jī)與工作面互感器參數(shù)的實(shí)時(shí)通信，基于上位機(jī)實(shí)現(xiàn)對工作面各處電氣裝置的集中管理和控制，在保證饋電開關(guān)保護(hù)裝置工作效率的同時(shí)，提升其可靠性。

4）基于饋電開關(guān)保護(hù)裝置的人機(jī)交互界面可實(shí)現(xiàn)用戶直接掌握電網(wǎng)參數(shù)和故障類型，并對故障進(jìn)行報(bào)警。用戶可通過人機(jī)交互界面設(shè)置參數(shù)，實(shí)現(xiàn)對電網(wǎng)參數(shù)的控制。

在滿足上述功能要求的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)如圖2 所示的饋電開關(guān)保護(hù)裝置。

2 饋電開關(guān)保護(hù)裝置的詳細(xì)設(shè)計(jì)

2.1 饋電開關(guān)保護(hù)裝置的硬件設(shè)計(jì)

鑒于綜采工作面生產(chǎn)環(huán)境的惡劣性以及設(shè)備眾多的因素，要求所設(shè)計(jì)的饋電開關(guān)保護(hù)裝置的相關(guān)硬件在滿足基礎(chǔ)功能的要求外，還具有一定的抗干擾能力。

圖2 饋電開關(guān)保護(hù)裝置結(jié)構(gòu)框圖

2.1.1 核心硬件的設(shè)計(jì)

選用ST 公司所研發(fā)的STM32F103RB 為饋電開關(guān)保護(hù)裝置的核心控制器，并基于ST-Link 仿真器完成對控制器的調(diào)試任務(wù)，其中包括有JTAG 和SWD 的調(diào)試。

時(shí)鐘電路為饋電開關(guān)保護(hù)裝置的關(guān)鍵，其主要為保護(hù)系統(tǒng)提供穩(wěn)定、準(zhǔn)確的控制源[3]。時(shí)鐘電路分為主時(shí)鐘和實(shí)時(shí)時(shí)鐘，且時(shí)鐘的關(guān)鍵在于其晶振和負(fù)載電容的選擇。對于主時(shí)鐘而言，一般要求晶振為8 MHz，對應(yīng)的負(fù)載電容為22 pF；對于實(shí)時(shí)時(shí)鐘而言，要求晶振大小為32.76 kHz，對應(yīng)負(fù)載電容為6 pF。

2.1.2 功能模塊的設(shè)計(jì)

針對饋電開關(guān)保護(hù)裝置的功能要求，需為其配置信號預(yù)處理模塊、液晶顯示模塊、電源模塊、通信電路模塊、測溫模塊等。

信號預(yù)處理模塊的功能通過為其配置信號處理電路包括有絕緣電阻信號處理電路、零序電流處理電路和零序電壓處理電路，并基于上述電路和各類互感器所采集的電信號進(jìn)行預(yù)處理。鑒于篇幅有限，此處不對處理電路進(jìn)行一一列舉。

液晶顯示模塊為用戶實(shí)時(shí)獲取電網(wǎng)參數(shù)并對參數(shù)進(jìn)行控制的直接界面，本系統(tǒng)采用RT12864M-1液晶顯示模塊。

測溫模塊主要用于實(shí)時(shí)監(jiān)測工作環(huán)境的溫度，為核心控制器得出控制指令提供參考。本方案選用PT100 測溫傳感器監(jiān)測現(xiàn)場溫度。

2.2 饋電開關(guān)保護(hù)裝置的軟件設(shè)計(jì)

硬件為饋電開關(guān)保護(hù)裝置發(fā)揮功能的基礎(chǔ)，而軟件為硬件功能實(shí)現(xiàn)的根本。本方案采用μC/OS-Ⅱ嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)完成對保護(hù)裝置硬件的控制[5]。根據(jù)保護(hù)裝置所執(zhí)行任務(wù)的優(yōu)先等級，按照先后次序排列如下：故障判斷→故障處理→數(shù)據(jù)處理→485通信→人機(jī)交互→參數(shù)測量→自檢→試驗(yàn)。本節(jié)以保護(hù)裝置的漏電保護(hù)功能為例，編制如圖3 所示的程序流程圖。

3 饋電開關(guān)保護(hù)裝置的應(yīng)用

為驗(yàn)證本文所研究設(shè)計(jì)的饋電開關(guān)保護(hù)裝置對電網(wǎng)參數(shù)保護(hù)的效果，本節(jié)以對工作面電氣設(shè)備過壓和欠壓保護(hù)為例開展試驗(yàn)研究。根據(jù)《煤炭安全規(guī)程》的相關(guān)規(guī)定，要求饋電開關(guān)保護(hù)裝置當(dāng)實(shí)測電壓值為額定電壓值的75%～110%時(shí)仍能夠可靠、穩(wěn)定運(yùn)行。對于過電壓保護(hù)而言，當(dāng)電壓值大于額定電壓值的110%時(shí)，饋電開關(guān)保護(hù)裝置的延時(shí)時(shí)長為3 s。經(jīng)試驗(yàn)得出如表1 所示的結(jié)論。

圖3 保護(hù)裝置漏電保護(hù)功能實(shí)現(xiàn)程序流程圖

表1 饋電開關(guān)保護(hù)裝置試驗(yàn)效果

如表1 所示，當(dāng)電網(wǎng)出現(xiàn)欠壓或者過壓現(xiàn)象時(shí)，基于饋電開關(guān)保護(hù)裝置能夠按照設(shè)定電壓值和延時(shí)時(shí)長對電網(wǎng)進(jìn)行保護(hù)，且控制誤差較小。

4 結(jié)論

1）選用ST 公司所研發(fā)的STM32F103RB 為饋電開關(guān)保護(hù)裝置的核心控制器，并為時(shí)鐘電路選用最佳晶振和負(fù)載電容；

2）饋電開關(guān)保護(hù)裝置按照任務(wù)優(yōu)先等級完成其漏電保護(hù)功能的實(shí)現(xiàn)；

3）經(jīng)試驗(yàn)，饋電開關(guān)保護(hù)裝置能夠按照設(shè)定電壓值和延時(shí)時(shí)長對電網(wǎng)進(jìn)行保護(hù)，其控制誤差較小。