3.3kV煤礦防爆組合開關(guān)控制技術(shù)研究

張萬澤

【摘要】 針對3.3kV組合開關(guān)控制系統(tǒng)集成化水平低、功能單一的問題，提出基于數(shù)字信號處理器（DSP）的數(shù)字化控制系統(tǒng)。在分析我國煤礦電網(wǎng)的發(fā)展需求和負荷控制設(shè)備發(fā)展狀況基礎(chǔ)上，以DSP為核心設(shè)計組合開關(guān)控制系統(tǒng)，并對電壓和電流檢測電路進行詳細設(shè)計。系統(tǒng)具有過載、斷相、短路等故障的保護功能，滿足煤礦3.3kV組合開關(guān)的控制的要求。

【關(guān)鍵詞】 煤礦 3.3kV 組合開關(guān) 控制 保護

富煤、少氣、缺油的資源條件，決定是我國以煤炭為主的能源結(jié)構(gòu)。煤炭產(chǎn)業(yè)是我國重要的基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)，在國民經(jīng)濟高速發(fā)展中起到不可替代的作用。伴隨煤炭的采掘技術(shù)不斷成熟，井下高產(chǎn)高效綜合機械化、電氣化工作面的不斷涌現(xiàn)，設(shè)備的總?cè)萘亢蛦螜C容量不斷增加，對井下供電系統(tǒng)和負荷控制設(shè)備的安全性提出更高的要求。礦用啟動器是井下采掘工作面重要的電氣設(shè)備，具有過載、短路、斷相及漏電閉鎖等故障檢測與保護功能，在礦用隔爆型電動機啟動、運行、制動過程起到控制和保護雙重作用。

目前我國井下供電系統(tǒng)大部分為35kV的電壓經(jīng)過井上中央變電所轉(zhuǎn)變成6kV或10kV電壓，通過雙回路供電系統(tǒng)至井下動力變壓器后轉(zhuǎn)變成380V、660V、1140V或3.3kV的電壓，最后經(jīng)過組合開關(guān)、饋電開關(guān)等配電設(shè)備為采煤機、通風(fēng)機、帶式輸送機等電器設(shè)備提供電能。在采掘技術(shù)不斷成熟和裝備制造業(yè)高速發(fā)展的推動下，井下用電設(shè)備容量不斷提升，1140V電壓等級供電系統(tǒng)允許電流達到極限，嚴重影響生產(chǎn)效率和井下的供電安全，為了適應(yīng)我國井下采掘功率不斷提升的需求，我國將井下供電系統(tǒng)提升至3.3kV電壓等級。3.3kV供電系統(tǒng)的成功運行標志著我國井下供電系統(tǒng)電壓升級的順利完成，為我國高產(chǎn)、高效現(xiàn)代化礦井的建設(shè)提供技術(shù)保障，同時也縮短了我國煤礦供電系統(tǒng)與國際先進水平的差距。

一、組合開關(guān)

電磁啟動器是集短路、過載、斷相和漏電閉鎖等功能于一體的單臺電動機控制裝置，而組合開關(guān)是具有多臺電磁啟動器的功能的多臺電動機同時控制裝置。它簡化了各個單體啟動器之間的電纜連接，縮小了設(shè)備體積，便于設(shè)備集中控制與維修。同時，可以根據(jù)現(xiàn)場需求選擇不同支路的組合方式，適應(yīng)井下各種工作場合的控制需求，極大地促進了機械化綜采技術(shù)的實現(xiàn)。組合開關(guān)用于對井下綜合開采工作面進行集中控制和保護，其性能好壞直接關(guān)系到井下綜采工作面負荷的可靠運行。

在煤礦井下電動機負荷控制從電磁啟動器到組合開關(guān)經(jīng)歷了三個階段：第一階段，20世紀70年代初期，單路電磁啟動器階段，采用空氣接觸器進行通斷控制，基于熔斷器、熱繼電器保護的保護方式，設(shè)備功能單一、可靠性低，嚴重制約井下生產(chǎn)安全；第二階段，20世紀80年代到90年代初期，JDB系列多回路電磁啟動器階段，實現(xiàn)單啟動器多負荷控制，具有漏電閉鎖、過載、短路等故障的檢測功能，但通過分立元件實現(xiàn)保護，分散性大、安全性低，不能滿足井下安全生產(chǎn)需求；第三階段，20世紀90年代后期，電子式集中組合開關(guān)階段，伴隨電力電子技術(shù)的高速發(fā)展，PLC、單片機逐漸運用到組合開關(guān)產(chǎn)品保護系統(tǒng)中，提高了組合開關(guān)的性能和集成度，但保護原理簡單、故障率高、不能結(jié)合先進的控制算法進行運行狀態(tài)評估。

數(shù)字化控制技術(shù)具有控制精度高、運算速度快、算法運用靈活等優(yōu)點，在工業(yè)控制和電力系統(tǒng)中具有廣泛運用，也是礦用組合開關(guān)保護技術(shù)的發(fā)展趨勢。將數(shù)字信號處理器（digital signal processor，簡稱DSP）和PLC相結(jié)合開發(fā)微機保護平臺，既解決了PLC交流信號采樣難的問題，也可以將先進的控制算法應(yīng)用到礦用組合開關(guān)的保護系統(tǒng)中，為實現(xiàn)組合開關(guān)智能化操作奠定基礎(chǔ)。

3.3kV八組合開關(guān)由防爆外殼、真空接觸器、隔離開關(guān)和控制電路組成（如圖1所示），主回路包含八條支路，每四個支路配備一臺隔離開關(guān)，每個支路負荷配備一臺真空接觸器和一套控制電路，其中隔離開關(guān)作為設(shè)備的總電源，在故障檢修時起電氣隔離作用；八個真空接觸器實現(xiàn)對各個支路電動機起停控制；控制電路（1-8）負責(zé)監(jiān)測系統(tǒng)故障，并進行保護和控制。

三、控制系統(tǒng)設(shè)計

3.3kV煤礦組合開關(guān)控制系統(tǒng)根據(jù)外界指令對電動機進行驅(qū)動控制，并對傳感器發(fā)送的信號進行調(diào)理和運算，同時具有故障檢測、封鎖和發(fā)送功能?？刂葡到y(tǒng)主要包括高精度傳感器、信號處理電路、DSP最小系統(tǒng)、控制面板、顯示屏及CAN通訊電路，其中高精度傳感器由電流傳感器、溫度傳感器、電壓傳感器組成的傳感器組，負責(zé)采集組合開關(guān)主回路的電壓、電流和溫度等信號；信號處理電路將原始信號濾波并轉(zhuǎn)換成DSP可以接收的信號；DSP最小系統(tǒng)是控制系統(tǒng)的核心，用于信息采集和運算處理，并將故障信號發(fā)送給遠程的上位機監(jiān)測系統(tǒng)；CAN通訊電路是DSP控制系統(tǒng)與遠程監(jiān)測系統(tǒng)信息傳輸?shù)募~帶，實現(xiàn)DSP與上位機之間的信息傳輸。

3.1 電流檢測

電流檢測電路為系統(tǒng)過載、短路故障提供判斷數(shù)據(jù)，采用400：1和5A/2.5mA兩級電流互感器將繞組大電流信號轉(zhuǎn)變成小電流信號，然后經(jīng)過信號調(diào)理電路轉(zhuǎn)換成DSP可接收的信號。電流調(diào)理電路如圖3所示，其中Ia+、Ia-為經(jīng)過400：1和5A/2.5mA兩級轉(zhuǎn)換后的小電流信號，R1為低溫票的信號轉(zhuǎn)換電阻，將電流信號轉(zhuǎn)變成電壓信號，R2、R3為限流電阻，放置電流過大而燒毀芯片，電容C1、C2、C3為濾波電容，起到信號平滑處理作用，Im、In為電流調(diào)理電路輸出信號，直接與DSP的模擬信號輸入端口相連接。

3.2 電壓檢測

電壓檢測電路用于實時檢測主回路的電壓信號，為DSP系統(tǒng)欠壓、過壓保護提供原始數(shù)據(jù)。由于井下中性點不接地，所以直接從主回路三相變壓器（3300：110）二次側(cè)輸出信號中性點取出A相電壓的信號可能出現(xiàn)溫漂現(xiàn)象，導(dǎo)致A相電壓讀取有較大誤差所以采用移相電路進行處理，使得DSP接受的信號相位與A相實際情況相符，電壓調(diào)理電路如圖4所示。

四、結(jié)束語

通過對我國煤礦井下電網(wǎng)容量需求和負荷控制技術(shù)的發(fā)展歷程的分析，設(shè)計3.3kV組合起動器控制系統(tǒng)，系統(tǒng)能夠?qū)崟r監(jiān)測電動機電壓、電流和溫度等參數(shù)，DSP對主要運行參數(shù)進行運算和處理，同時利用CAN通信電路將系統(tǒng)運行狀況發(fā)送給遠程的監(jiān)控系統(tǒng)。

參 考 文 獻

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