煤礦高壓開關綜合保護系統的設計

（晉能控股集團晉華宮煤礦電氣科 山西 037003）

引言

一直以來，煤炭安全是制約煤炭工業發展的重大問題。隨著采煤深度的不斷增加、綜采設備的功率增加以及供電距離增長對其供電安全性提出了更高的要求。在實際煤礦供電中常發生由于供電保護系統出現拒動、誤動作等情況導致其失效，無法真正對煤礦供電系統進行保護。鑒于煤礦工作面環境較為惡劣，且供電系統的負荷波動較大，對保護系統性能的要求越來越高。本文將著重對高壓開關綜合保護器進行設計，為保證綜采工作面的安全生產奠定基礎。

1.礦井電網故障及保護分析

眾所周知，礦井的生產環境惡劣、環境潮濕，而且設備的負荷及其波動較大，相對應的綜合保護系統與地面相對具有很大的差別。目前，礦井的故障問題可總結為如下：短路、過載、過壓、欠壓以及漏電等，對應的保護手段包括有過電流保護、漏電保護以及接地保護等。

(1)過電流保護

一般情況下，礦井供電系統由于短路、斷相以及過載等情況均會導致其出現過電流的故障。過電流的主要故障特征為短路，其線路中瞬間增大的電流值不僅會燒毀電氣設備，而且還容易導致井下火災、瓦斯爆炸的發生，根據《煤炭安全規程》的相關規定，必須在礦井供電系統中配置過電流保護系統。

(2)過載保護

所謂過載指的是礦井電氣設備在超過額定電流值的情況下運行。一般的電氣設備允許在短期內過載運行；但是，當電氣設備長時間在過載狀態下運行時，設備本身的絕緣材料會被老化，甚至存在擊穿的可能導致被燒毀。因此，需為礦井電氣裝置配置過載保護系統，其保護原理為：當檢測到運行電流值大于額定電流值時保護系統會判定為過載；當仍然以過載電流值運行時，保護系統會自動斷開電流。

(3)欠壓、過壓保護

礦井綜采設備在實際運行中根據工況的不同對應負荷不同，存在負荷急劇變化的情況，從而導致電網電壓出現異常波動的情況，包括有過壓和欠壓兩種狀態。一般的，將過電壓值超過額定電壓值120%以上時，過電壓保護系統會啟動；當欠電壓值低于額定電壓值65%以下時，欠電壓保護系統會啟動。

(4)漏電保護

據統計表明，礦井電網故障有70%均是由于漏電所導致的。漏電主要由于工作面濕度較大、環境相對惡劣所導致。導致漏電事故的原因眾多，包括主觀和客觀兩方面。此外，漏電還會導致短路故障的發生，從而在影響設備正常運行的同時，還會導致火災、瓦斯等事故的發生。

鑒于礦井供電電網各種故障并存的現狀，急需一套高性能、高可靠性的綜合保護系統實現對供電系統的保護。

2.煤礦高壓開關綜合保護系統的設計

(1)煤礦高壓開關綜合保護系統的硬件設計

簡單的說，煤礦高壓開關綜合保護系統是根據對現場電信號進行采集分析后，判斷故障類型并啟動相應的保護系統實現對供電系統的保護。基于上述保護原理設計如圖1所示的綜合保護系統總體框圖。

如圖1所示，高壓開關綜合保護系統主要由DSP單元、信號采集單元、人機交互單元、通信單元以及儲存單元等。

DSP單元為數字信號處理器，其為綜合保護系統的關鍵單元；根據綜合保護系統的工作任務強度為其配置的芯片的信號為TMS320F2812。同時，為降低DSP單元的能耗采用低電壓對其進行供電，其中為其輸入/輸出接口配置電壓值為3.3V，為其內核電源配置的電壓值為1.8V。

圖1 高壓開關綜合保護系統的總體框圖

信號采集單元為對現場電壓信號獲取的主要途徑，結合高壓開關綜合保護系統的任務需對現場的電壓信號、電流信號以及對應的零序電壓信號和電流信號進行采集，并對所采集的信號通過變換器和低通濾波器處理轉換為可為DSP單元識別的信號，其處理流程如圖2所示：

圖2 信號采集單元的信號轉換流程框圖

(2)煤礦高壓開關綜合保護系統的軟件設計

結合煤礦生產常見的電氣故障，對漏電、短路、過載、欠壓等故障類型的電信號進行采集，并根據采集結果與標準值進行比對，從而開啟相應的保護動作。高壓開關綜合保護系統主程序控制流程如圖3所示：

圖3 高壓開關綜合保護系統主程序控制流程

如圖3所示，綜合保護系統在運行前首先對系統進行初始化運行，在完成漏電閉鎖檢測正常后合閘運行，對現場電信號進行采集分析后對故障類型進行確定，并根據所確定的故障類型作出報警、故障原因分析、故障信息存儲以及顯示等動作。

綜合保護系統在啟動后首先進行漏電檢測。當檢測到支路的絕緣電阻小于設定電阻值時，系統不予運行；當檢測到絕緣電阻大于設定電阻時，系統可以運行開啟保護功能。當在初始運行階段檢測到系統漏電時，需根據采集到的信號具體確定漏電原因，待故障排除后重新進行漏電檢測，確保無誤后開始運行。

3.總結

煤礦供電系統為綜采工作面的動力源泉，供電系統的可靠性和安全性影響煤礦的安全生產。煤礦供電系統在實際運行中存在短路、過壓、欠壓、過載以及漏電等故障嚴重威脅工作面。為此，本文以DSP處理器為核心設計一款高壓開關綜合保護系統，基于對現場電壓信號、電流信號以及零序電壓信號和零序電流信號采集分析的基礎上，確定供電網絡故障類型和故障原因，為作業人員定位故障和解決故障提供扎實的依據。此外，基于高壓開關綜合保護系統還可實現對故障類型進行存儲并顯示。

總之，本文所設計的高壓開關綜合保護系統可保護煤礦供電的安全、可靠、高效運行。