礦用低壓饋電開關保護裝置的設計分析

＊孫 雨

（潞安化工集團常村煤礦 山西 046000）

前言

由于增大和擴展煤礦采取的面積，每日劇增用電量的井下用電設備，特別是裝機時功率持續增大的綜采設備，是影響煤礦安全問題十分重要的部分，所以繼電保護在井下低壓供電系統中非常重要。《煤礦安全規程》中明確指出礦用饋電開關保護裝置具有可靠性、選擇性、功能性及快速性，固有的饋電保護裝置已不能達到要求，所以本文提出了礦用低壓饋電開關綜合保護裝置的設計，其是以ARM控制器為基礎，具有反應快、全面的功能及能夠抗電磁干擾的特點。

1.饋電開關保護裝置系統的設計方案

圖1即是低壓饋電開關保護裝置和外圍設備的安裝示意圖。保護器1、2是低壓饋電開關保護裝置的2個組成部分，是其最主要的裝置。若有故障發生，在需要保護的線路中時，經過零序電流互感、電流互感器及電壓互感采集器的所有的電參量被收集到，并把保護器接收到A/D轉換的信號，通過保護器的運算處理后，會有跳閘信息發出，使真空斷路器的跳閘線圈得電，使斷路器分閘，從而使線路得到保護。除此之外，系統的供電電源是保護器的兩項電源，其保護器是能夠被變壓器保護取得的。井下各分機的集中運作中心是上位機，是控制、保護和管理整體的保護系統。

圖1 低壓饋電開關保護裝置及外圍設備的安裝示意圖

保護發生故障的被保護線路的功能是保護裝置最重要的功能。高性能芯片ARM Cortex-M3被控制器所使用，并使用了通信RS-485，從而節省了快速的保護動作的時間。過流保護、漏電保護、過欠壓保護三項保護裝置是本裝置的主要組成部分。其中選擇性漏電保護與漏電閉鎖組成了漏電保護；對稱過流保護（超時過載保護與三相短路保護）與非對稱過流保護（斷相保護、兩項短路保護與三相電流不平衡保護）組成了過流保護。

在以上保護功能得以完成時，井下的實際的線路可以使保護裝置在配置不一樣時參數的設置也不一樣，使其功能可以被總饋電與分饋電開關所使用。由于饋電系統的線路比較多，具有復雜性，保護裝置的數據互換可以由通信功能完成，從而其可靠性得到提升。除此之外，保護裝置還是人機交互界面平臺，正常運作的線路，其保護器運行參數的線路可以由液晶屏展示出來，若發生故障時LED燈就會發出報警信號，運行人員就使用按鍵把參數重新設置。

2.對保護裝置設計硬件

抗干擾電路、微機控制系統及其外部電路、信號處理電路、通信電路與電源電路等組成了整套保護裝置系統的硬件設計。

(1)外部電路與微機控制系統

現今，單片機被很多的礦用低壓饋電開關保護裝置所使用，其優點是控制的成本不高，缺點是集成度和計算能力都比較低，但在應用場景為高要求的實時性及處理任務的功能較多時，比較合適的是嵌入式處理器ARM。STM32F103是處理器，其具有32位，并且模擬轉換器有2個，都是12位，其存在于片內。光電隔離電路、開關量輸入電路、RS-485通信電路、電網參數采集和處理器組成了外部電路。

(2)保護裝置的電源電路

保護裝置工作的穩定性取決于供電電源是否穩定，所以，供電系統的設計，用電設備既要達到所有的電壓等級的功率的條件，還應充分考慮電源之間的干擾，并為了使電壓穩定就設計把濾波器在不同級別的電壓轉換使用的也不相同。在把線路連通井下電網，并給電時，由變壓器會把電壓降壓為24V交流電，通過可控整流整成直流，然后12V直流電是被DC/DC轉換而成，為繼電器供電，然后再經過雙級DC/DC，一個轉換成24V直流電用于直流電源，另一個轉換為5V直流電用于液晶，并且5V直流電轉換為3.3V直流電是經過了一個三級DC/DC，為ARM處理器提供工作電源。

(3)通信電路的使用

通信技術RS-485的特點傳輸信號速度快、傳輸的距離比較遠，在工控方面被使用的非常多，平衡驅動器與差分接收器這兩部分構成了芯片內部，從而抑制共模信號得到了提升，使其擁有的功能是多站。MAX485通信芯片被本裝置所使用，其具有靈敏的接收器功能，其靈敏度與傳輸效率分別為200mV和2.5Mb/s，共有32個驅動器與接收器。

(4)信號處理電路的工作原理

保護裝置中零序電壓電流信號和絕緣電阻信號構成了信號處理電路的輸入參數。由于篇幅的限制，在本文中的圖2的絕緣電阻輸入信號圖將簡短的說明一下。圖2使用的采樣電阻為10kΩ，2W的功率，為了使輸入信號達到幾百毫安，應采用2MΩ的限流電阻。為了達到帶負載能力得以提升的目的，就需要具有電壓跟隨器，并由LM324M運算放大器構成。

圖2 絕緣電阻信號輸入電路圖

(5)電路的抗干擾

屏蔽、鉗位保護及濾波等抑制措施被硬件設計所使用，印刷電路板的布線設計、通信電路抗干擾設計及電源抗干擾設計構成了抗干擾部分。雷擊、電網波動及高頻脈沖等干擾也許會在井下發生，因為電源由配電站經變壓器輸送給保護裝置，并且敏感電磁干擾的控制器，造成芯片做出錯誤動作的原因是供電電源的低劣，所以對電路設計了抗干擾電路，包括扼流圈、壓敏電阻和雪崩二級管等。高頻電磁波被光電隔離芯片抑制是前文所涉及的，并被通信電路所使用。在對印刷電路板進行設計時，就要合理的布局走線，芯片與陶瓷電容濾波在電源接口處相連接，并且芯片的功率要比較大，使數字地與模擬地之間彼此影響，為使電壓降低就需要把底線寬度加大以達到其目的。

3.對保護裝置進行軟件設計

數據處理算法、系統軟件設計、A/D轉換程序設計、主控制器程序設計、通訊軟件設計及人機交互程序設計等軟件設計被包含在保護裝置中。

STM32 F103是嵌入式處理器，并于ARMv7架構為基礎，所以嵌入式操作系統μC/OS-Ⅱ能夠拷貝開源。μC/OS-Ⅱ的特點是較強的擴展性、較高的可靠性及較好的使實用性等，能夠在明確的運行時間內完成較多任務的一項系統。基本應用程序、系統內核、任務、驅動程序、中斷ISR等構成了系統軟件。

在系統實現拷貝的操作后，所有要實施的任務需要設計，然后，對中斷服務函數設計及具體程序函數進行設計。故障中斷、時鐘節拍中斷及其他中斷構成了中斷函數。API即為基本應用程序，其主要有庫函數、算法函數及基本功能函數組成。開關量輸入輸出驅動、LCD驅動、RS-485驅動、RTC驅動、FLASH驅動和A/D轉換驅動組成了驅動程序。

4.結束語

以井下低壓電網及煤礦在本文所涉及的實際情況及安全生產問題為基礎，在依據固有的礦用低壓饋電開關保護裝置，新型低壓饋電保護裝置的處理器ARM被設計出來，其特點是齊全的保護功能、較快的反應速度及較強的抗干擾能力等，總饋電開關保護和分饋電開關保護都可以使用，具有靈活性，對井下能夠安全用電的得到提升。