低壓饋電開關(guān)綜合保護(hù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

陳 亞

0 引言

煤炭開采行業(yè)的不斷發(fā)展對煤炭井下的供電系統(tǒng)提出了更高要求，《煤礦安全規(guī)程》中明確規(guī)定：井下低壓饋電線上應(yīng)裝設(shè)有短路、過載、欠壓保護(hù)及帶有漏電閉鎖的檢漏保護(hù)裝置或有選擇性漏電保護(hù)裝置，在使用屏蔽電纜的場合，還應(yīng)設(shè)絕緣監(jiān)視保護(hù)。當(dāng)?shù)蛪弘娋W(wǎng)中發(fā)生如漏電、短路、斷相等各種事故時(shí)，礦用低壓饋電開關(guān)保護(hù)系統(tǒng)可以針對故障特征自動(dòng)快速、準(zhǔn)確地檢測故障原因和故障點(diǎn)并執(zhí)行相應(yīng)的操作，以保障井下低壓電網(wǎng)的絕對安全，保障采煤工作的順利進(jìn)行，減少事故的發(fā)生。

1 低壓電網(wǎng)常見故障及檢測原理

（1）漏電保護(hù)。漏電故障是井下低壓供電系統(tǒng)發(fā)生最多的故障，占總故障的80%以上。漏電故障危害大，涉及面廣，可靠的漏電保護(hù)系統(tǒng)對井下作業(yè)和供電安全有著重要意義。設(shè)計(jì)饋電開關(guān)在正常線路上運(yùn)行，當(dāng)發(fā)生漏電事故時(shí)自動(dòng)跳閘從而實(shí)現(xiàn)漏電保護(hù)。目前常用的漏電保護(hù)監(jiān)測原理有：附加直流電源檢測原理、零序電壓檢測原理、零序電流檢測原理及零序電流方向檢測原理等。采用零序電流方向檢測原理實(shí)現(xiàn)選擇性漏電保護(hù)的檢測方法，在發(fā)生漏電事故時(shí)，在三相電網(wǎng)中將產(chǎn)生零序電壓U0和零序電流I0，且在方向上，故障支路的電流滯后90°，非故障支路的電流超前90°，因此根據(jù)電路中的電流是滯后還是超前90°即可判斷是故障支路還是非故障支路。

（2）短路保護(hù)。井下低壓電網(wǎng)短路故障包括三相短路、兩相短路、單相及兩相接地短路，短路故障也是煤礦井下常見的嚴(yán)重故障之一。常用短路檢測原理包括相敏檢測原理及負(fù)序檢測原理等，對比這兩種檢測原理，選用負(fù)序檢測原理，相敏檢測可能會出現(xiàn)保護(hù)死區(qū)，而負(fù)序檢測原理相比相敏檢測誤動(dòng)作幾率比較小，檢測靈敏度也較高。

（3）斷相保護(hù)。礦用低壓饋電開關(guān)中，當(dāng)接線端掉線或者接觸不良時(shí)可造成單相斷電的現(xiàn)象，單相斷電后，此相的電流即為0，另外兩相電流的方向相反、大小相等，這將造成一種嚴(yán)重的不對稱故障，采用負(fù)序檢測原理可正確判斷斷相故障。

（4）過載保護(hù)。在煤礦井下作業(yè)過程中，當(dāng)出現(xiàn)負(fù)載過重、單相運(yùn)行等其他不對稱工作時(shí)，工作中的一些電氣設(shè)備如變壓器、電動(dòng)機(jī)等的工作電流超出設(shè)備的正常工作電流，稱此時(shí)的操作屬于過載操作，短時(shí)的過載操作不會損壞設(shè)備，但長期的過載操作將產(chǎn)生大量的熱量，導(dǎo)致設(shè)備的損壞，甚至引起井下火災(zāi)和爆炸等重大礦井事故。設(shè)置過載故障保護(hù)系統(tǒng)可采用反時(shí)限檢測原理，當(dāng)發(fā)生過載事故時(shí)，電流較大，設(shè)置跳閘的延遲時(shí)間較短，可及時(shí)跳閘；當(dāng)工作正常無過載事故時(shí)，線路電流較小，跳閘延遲時(shí)間較長。

（5）過壓與欠壓保護(hù)。過壓故障包括由雷電引起的外部過壓和由系統(tǒng)內(nèi)部非正常工作引起的內(nèi)部過壓，欠壓是當(dāng)系統(tǒng)電壓低于75%的額定電壓。在電網(wǎng)中，出現(xiàn)過壓和欠壓都將產(chǎn)生重大事故。在過壓和欠壓保護(hù)中常采用鑒幅式檢測原理，即監(jiān)測電網(wǎng)中的電壓值與標(biāo)準(zhǔn)的電壓值比較，當(dāng)出現(xiàn)過壓或欠壓故障時(shí)，延時(shí)跳閘。

2 饋電開關(guān)保護(hù)系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

低壓饋電開關(guān)綜合保護(hù)系統(tǒng)主要保護(hù)煤炭井下的供電系統(tǒng)線路中的短路、漏電和過載等故障，硬件部分是該饋電開關(guān)綜合保護(hù)系統(tǒng)的基礎(chǔ)，其性能的好壞直接決定該系統(tǒng)作用性能效果。礦用低壓饋電開關(guān)綜合保護(hù)系統(tǒng)主要由中央控制單元、信號采集單元及人機(jī)界面組成，該綜合保護(hù)系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)流程如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)硬件流程圖

中央控制單元采用AT89C52單片機(jī)控制。信號采集單元是饋電開關(guān)保護(hù)系統(tǒng)的重要組成部分，該部分是中央控制單元與低壓電網(wǎng)中間的橋梁，信號的準(zhǔn)確輸入才能準(zhǔn)確判斷工作狀態(tài)是否發(fā)生如漏電、短路等故障，并可自動(dòng)對故障執(zhí)行動(dòng)作。信號采集參數(shù)主要有開關(guān)量和模擬量，開關(guān)量主要包括斷路器輔助接點(diǎn)狀態(tài)、瓦斯信號、風(fēng)電信號及分合閘信號，模擬量主要包括電壓信號、電流信號、負(fù)序信號、漏電信號及相敏信號。信號參數(shù)通過采樣電路（包括電壓采樣模塊、漏電采樣模塊、電流采樣模塊及負(fù)載采樣模塊等）獲取。

由采集電路采集的模擬信號通過信號調(diào)理電路轉(zhuǎn)化為電壓信號，經(jīng)過放大和A/D轉(zhuǎn)化后傳輸?shù)紸T89C52單片機(jī)中，單片機(jī)根據(jù)輸入的數(shù)據(jù)信號支配故障處理電路并執(zhí)行相應(yīng)的故障及時(shí)處理操作。

人機(jī)界面可以準(zhǔn)確顯示饋電開關(guān)運(yùn)行狀態(tài)，直觀顯示故障類型和故障支路，工作人員可通過人機(jī)界面數(shù)據(jù)顯示操作控制饋電開關(guān)。良好的人機(jī)界面設(shè)計(jì)可以直觀了解和分析電網(wǎng)運(yùn)行

情況，當(dāng)出現(xiàn)故障時(shí)可及時(shí)報(bào)警動(dòng)作，且通過人機(jī)界面顯示判斷故障類型，及時(shí)處理和維修，提高控制系統(tǒng)的可操作性。

3 饋電開關(guān)保護(hù)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件電路必須配合軟件設(shè)計(jì)才能充分發(fā)揮綜合保護(hù)性能，發(fā)揮應(yīng)有的作用。饋電開關(guān)保護(hù)系統(tǒng)軟件可采用匯編語言與C語言混合編程自低向上法編寫，該系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)主要分為總體結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)、功能化模塊程序編寫及程序調(diào)試、修改，其主程序流程如圖2所示。結(jié)構(gòu)合理，功能齊全，程序科學(xué)的軟件設(shè)計(jì)可以減少系統(tǒng)運(yùn)算空間，縮短運(yùn)算時(shí)間，增加動(dòng)作反應(yīng)速度和運(yùn)行的可靠性。

圖2 主程序框圖

4 結(jié)語

該礦用低壓饋電開關(guān)保護(hù)系統(tǒng)針對低壓電網(wǎng)常見故障提出檢測方法，設(shè)計(jì)硬件及軟件可以準(zhǔn)確可靠地保護(hù)井下低壓電網(wǎng)，保障作業(yè)正常運(yùn)行，人機(jī)界面直觀顯示低壓電網(wǎng)作業(yè)情況，可根據(jù)實(shí)際檢測信號參數(shù)自動(dòng)判斷是否出現(xiàn)故障并及時(shí)執(zhí)行故障操作，保護(hù)井下電網(wǎng)設(shè)備的正常運(yùn)行。

［1］中華人民共和國能源部.煤礦安全規(guī)程［M］.北京：煤炭工業(yè)出版社，1992

［2］王文華.礦用低壓饋電開關(guān)綜合保護(hù)系統(tǒng)的研究［D］.太原理工大學(xué)，2010

［3］耿俊梅.井下低壓電網(wǎng)的漏電故障及原理分析［J］.煤炭工程，2007（11）

［4］路偉逢，李大鋒，劉萬德.礦井低壓饋電開關(guān)的改造［J］.工礦自動(dòng)化，2011（12）