煤礦井下低壓電網(wǎng)漏電保護(hù)技術(shù)研究與應(yīng)用

文金忠，張立中，劉建洪，張文宏，魏振富

(1.貴州省煤礦設(shè)計(jì)研究院有限公司，貴州 貴陽(yáng) 550025；2.河南省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開(kāi)發(fā)局第四地質(zhì)勘查院，河南 鄭州 450001)

我國(guó)煤炭資源是能源領(lǐng)域不可或缺的一部分，煤礦機(jī)械化程度的日益增加，致使煤礦用電量的逐漸增長(zhǎng)，煤礦對(duì)井下供電安全性能也越來(lái)越高。在井下供電網(wǎng)絡(luò)中，低壓供電網(wǎng)絡(luò)占總供電的60%，一般處于掘進(jìn)和采煤工作面等相對(duì)惡劣的環(huán)境，由于管理、維護(hù)不當(dāng)，電氣、電纜設(shè)備自身絕緣老化、施工人員安裝不當(dāng)?shù)仍颍姎庠O(shè)備絕緣水平下降或供電電纜絕緣水平被破壞，導(dǎo)致煤礦井下電纜事故的發(fā)生。設(shè)計(jì)的漏電保護(hù)技術(shù)主要體現(xiàn)在：①能夠具有選擇性保護(hù)系統(tǒng)，縮小了停止供電范圍，便于查找漏電故障位置；②能夠有效防止短路電流過(guò)大，造成電弧擊穿設(shè)備外殼或使設(shè)備外殼升高到危險(xiǎn)值；③漏電保護(hù)系統(tǒng)能夠降低引爆電雷管、煤塵爆炸、瓦斯降低、漏電電流等事故的發(fā)生；④可以實(shí)時(shí)了解電纜工作狀態(tài)，起到了有效預(yù)防作用；⑤能夠在線實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)低壓電網(wǎng)電纜的絕緣狀態(tài)，當(dāng)電纜的絕緣降低時(shí)，可及時(shí)采取有效措施，避免漏電事故的發(fā)生。國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)煤礦井下低壓電網(wǎng)漏電保護(hù)技術(shù)進(jìn)行了諸多研究，如文獻(xiàn)[1-2]根據(jù)零序電抗器并聯(lián)電阻接地系統(tǒng)，發(fā)生單相接地故障時(shí)零序電流與零序電壓相位差在非故障支路與故障支路中的差異性實(shí)現(xiàn)故障選線，裝置不受電網(wǎng)中零序電抗器補(bǔ)償?shù)挠绊懀?dāng)發(fā)生單相接地故障時(shí)，能夠快速、可靠動(dòng)作；文獻(xiàn)[3-4]研究了煤礦井下低壓供電系統(tǒng)遠(yuǎn)方人工漏試關(guān)鍵技術(shù)，引入外接控制按鈕，利用時(shí)間繼電器的3種漏電試驗(yàn)技術(shù)的工作原理進(jìn)行了理論分析及研究，形成了科學(xué)的饋電設(shè)備遠(yuǎn)方人工漏試跳閘的可行性技術(shù)方案，指出了饋電設(shè)備的遠(yuǎn)方人工漏試的跳閘試驗(yàn)技術(shù)在現(xiàn)代化礦井生產(chǎn)安全供電的重要性。鑒于此，本文研究了煤礦井下低壓電網(wǎng)漏電保護(hù)技術(shù)，研究該技術(shù)的硬件部分和軟件部分，并分析了抗干擾措施。研究有效提高了煤礦井下低壓電網(wǎng)漏電檢修效率，縮短了故障處理時(shí)間。

1 煤礦井下電網(wǎng)基本結(jié)構(gòu)

煤礦井下電網(wǎng)主要由防爆移動(dòng)變電站、采區(qū)變電所、分區(qū)變電所、中央變電所等組成，其低壓電網(wǎng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要包括磁力啟動(dòng)器、饋電開(kāi)關(guān)、降壓變壓器、高壓配電裝置等[5-7]。

圖1 煤礦井下低壓電網(wǎng)結(jié)構(gòu)Fig.1 Low-voltage power grid structure in coal mine

2 漏電保護(hù)裝置性能指標(biāo)

煤礦井下低壓電網(wǎng)對(duì)漏電保護(hù)裝置的要求是避免人身觸電事故的發(fā)生，保障煤礦安全供電，其漏電保護(hù)裝置性能指標(biāo)為可靠性、選擇性、速度性[8-9]。

(1)可靠性。在任意系統(tǒng)中，當(dāng)發(fā)生故障時(shí)，漏電保護(hù)裝置不能拒動(dòng)和誤動(dòng)。通過(guò)改善漏電保護(hù)裝置的質(zhì)量、設(shè)計(jì)及設(shè)備的運(yùn)行維護(hù)和管理，可有效提高設(shè)備的可靠性。

(2)選擇性。當(dāng)煤礦井下發(fā)生漏電故障時(shí)系統(tǒng)僅切除故障路線的特點(diǎn)，可有效縮小故障影響范圍，使漏電產(chǎn)生的影響最小化。不同供電系統(tǒng)的選擇性漏電保護(hù)形式為：①當(dāng)供電類(lèi)型為混合式供電系統(tǒng)時(shí)，其擇性漏電保護(hù)形式為根據(jù)情況設(shè)定保護(hù)，切除相應(yīng)的支路；②當(dāng)供電類(lèi)型為干線式供電系統(tǒng)時(shí)，其擇性漏電保護(hù)形式為保護(hù)切斷干線電源和相應(yīng)支路；③當(dāng)供電類(lèi)型為放射式供電系統(tǒng)時(shí)，其擇性漏電保護(hù)形式為保護(hù)正常線路，切除故障支路。

(3)速度性。當(dāng)煤礦井下供電發(fā)生漏電故障時(shí)，能夠及時(shí)切除故障相，確保用電安全。根據(jù)國(guó)家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)漏電電阻為1 kΩ的單相漏電故障動(dòng)作時(shí)間見(jiàn)表1。

表1 漏電電阻為1 kΩ的單相漏電故障動(dòng)作時(shí)間Tab.1 Single-phase leakage fault action time with leakage resistance of 1 kΩ

3 煤礦井下低壓電網(wǎng)漏電保護(hù)技術(shù)

3.1 硬件設(shè)計(jì)

3.1.1 硬件主體設(shè)計(jì)

硬件的性能是整個(gè)安全工作的基礎(chǔ)，根據(jù)漏電保護(hù)裝置性能指標(biāo)及實(shí)現(xiàn)功能，對(duì)系統(tǒng)的硬件進(jìn)行整體設(shè)計(jì)，硬件主體設(shè)計(jì)如圖2所示。

圖2 硬件主體設(shè)計(jì)Fig.2 Hardware design

裝置的硬件系統(tǒng)主要由電源單元、信號(hào)發(fā)生源、人機(jī)接口單元、外圍擴(kuò)展單元、CPU、低頻電流電壓數(shù)據(jù)采集模塊構(gòu)成。

3.1.2 CPU選擇

根據(jù)處理器功能、價(jià)格、處理速度等因素，本文選用32位STM 32F104微控制器，該處理器具有方便調(diào)試、內(nèi)存空間大、低功耗、低成本、高性能等特點(diǎn)。將采集到的電流、電壓數(shù)據(jù)，使用濾波放大器，經(jīng)過(guò)單片機(jī)和A/D轉(zhuǎn)換進(jìn)行分析處理。把獲取的數(shù)據(jù)和給定值進(jìn)行對(duì)比分析，如果小于繼電器動(dòng)作值時(shí)，系統(tǒng)發(fā)生指令跳開(kāi)開(kāi)關(guān)，并顯示在液晶屏上。

3.1.3 硬件電路單元

(1)電源單元。為了滿足電源單元體積小、低功耗等要求，本文選擇單片機(jī)的供電電源為+3.3 V，芯片為L(zhǎng)M1117-3.3型，液壓顯示屏模塊的供電電源為+5 V，芯片為L(zhǎng)M7805型，電源單元電路設(shè)計(jì)如圖3所示。

圖3 電源單元電路設(shè)計(jì)Fig.3 Power unit circuit design

(2)數(shù)據(jù)采集。采集的數(shù)據(jù)主要是低頻信號(hào)，利用A/D轉(zhuǎn)換、濾波、信號(hào)縮小等操作，將信號(hào)調(diào)至適合的數(shù)模轉(zhuǎn)換的信號(hào)，本文選擇精度為1.0級(jí)的CE-IJ03-T5E5-1.0型霍爾電流傳感器，其參數(shù)：響應(yīng)時(shí)間<130 ms，直流供電電壓為±12 V，輸入電壓范圍為0～5 V，輸入電流為0～10 mA。信號(hào)采集流程如圖4所示。

圖4 信號(hào)采集流程Fig.4 Signal acquisition process

(3)信號(hào)源設(shè)計(jì)。由于裝置所處的環(huán)境電壓等級(jí)較高，需要合適的功率和幅值，才能確定裝置的靈敏度，本文選擇隔離變壓器，低頻電源設(shè)計(jì)流程如圖5所示。

圖5 低頻電源設(shè)計(jì)流程Fig.5 Low frequency power supply design process

3.2 軟件設(shè)計(jì)

(1)軟件主體設(shè)計(jì)。本文采用Silicon IDE集成環(huán)境中實(shí)現(xiàn)的，該集成環(huán)境具有全功能窗口的編輯器、擁有項(xiàng)目界面、獨(dú)立、完整等特點(diǎn)。主程序設(shè)計(jì)如圖6所示。

圖6 主程序設(shè)計(jì)Fig.6 Main program design

(2)正弦波產(chǎn)生模塊。本文采用STM 32F104單片機(jī)來(lái)產(chǎn)生正弦波，其產(chǎn)生流程如圖7所示。

圖7 正弦波產(chǎn)生流程Fig.7 Sine wave generation process

3.3 抗干擾措施

由于煤礦井下裝置所處環(huán)境惡劣，并且存在較強(qiáng)的高頻信號(hào)、工頻信號(hào)的干擾，采用多種抗干擾措施來(lái)改善裝置的應(yīng)用效果，主要抗干擾措施如下。

(1)硬件抗干擾措施。①使用霍爾電流互感器、隔離變壓器，將微機(jī)系統(tǒng)的“地”與電網(wǎng)的“地”相隔離，分開(kāi)數(shù)字電路和模擬的地線，消除雜散電流信號(hào)產(chǎn)生的干擾；②系統(tǒng)電源采用開(kāi)關(guān)電源，輸出電壓穩(wěn)定，輸入電壓幅值高，具有抗干擾能力強(qiáng)；③在調(diào)理電路中，配合使用低通濾波電路和陷波電路，從而減少電網(wǎng)信號(hào)對(duì)采集的電流的干擾；④在裝置中增加厚金屬屏蔽盒，減弱電磁干擾產(chǎn)生的影響。

(2)軟件抗干擾措施。①采用軟件數(shù)字濾波，盡可能抑制隨機(jī)干擾，提高采樣信號(hào)的準(zhǔn)確度；②設(shè)置軟件消抖，在出現(xiàn)鍵抖狀況時(shí)，采用按鍵處理程序進(jìn)行程序延時(shí)判斷，確保部分功能穩(wěn)定運(yùn)行；③使用單片機(jī)人工復(fù)位，在程序失控狀態(tài)時(shí)，單片機(jī)可以回到初始狀態(tài)；④使用定時(shí)器定時(shí)刷屏，確保液晶顯示屏在受到干擾后能夠及時(shí)恢復(fù)正常。

4 結(jié)論

根據(jù)煤礦井下電網(wǎng)基本結(jié)構(gòu)，基于漏電保護(hù)裝置性能指標(biāo)，研究了煤礦井下低壓電網(wǎng)漏電保護(hù)裝置的硬件部分，硬件系統(tǒng)主要由電源單元、信號(hào)發(fā)生源、人機(jī)接口單元、外圍擴(kuò)展單元、CPU、低頻電流電壓數(shù)據(jù)采集模塊構(gòu)成；分析了主程序設(shè)計(jì)框架，并給出了抗干擾措施。研究為煤礦井下低壓電網(wǎng)漏電保護(hù)技術(shù)的發(fā)展提供了技術(shù)支持。