礦用低壓饋電開關(guān)保護裝置的設(shè)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(shè)備，特別是裝機時功率持續(xù)增大的綜采設(shè)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(tǒng)中非常重要?！睹旱V安全規(guī)程》中明確指出礦用饋電開關(guān)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(guān)綜合保護裝置的設(shè)計，其是以ARM控制器為基礎(chǔ)，具有反應(yīng)快、全面的功能及能夠抗電磁干擾的特點。

1.饋電開關(guān)保護裝置系統(tǒng)的設(shè)計方案

圖1即是低壓饋電開關(guān)保護裝置和外圍設(shè)備的安裝示意圖。保護器1、2是低壓饋電開關(guān)保護裝置的2個組成部分，是其最主要的裝置。若有故障發(fā)生，在需要保護的線路中時，經(jīng)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(zhuǎn)換的信號，通過保護器的運算處理后，會有跳閘信息發(fā)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(tǒng)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(tǒng)。

圖1 低壓饋電開關(guān)保護裝置及外圍設(shè)備的安裝示意圖

保護發(fā)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(jié)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(shù)的設(shè)置也不一樣，使其功能可以被總饋電與分饋電開關(guān)所使用。由于饋電系統(tǒng)的線路比較多，具有復雜性，保護裝置的數(shù)據(jù)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(shù)的線路可以由液晶屏展示出來，若發(fā)生故障時LED燈就會發(fā)出報警信號，運行人員就使用按鍵把參數(shù)重新設(shè)置。

2.對保護裝置設(shè)計硬件

抗干擾電路、微機控制系統(tǒng)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(tǒng)的硬件設(shè)計。

(1)外部電路與微機控制系統(tǒng)

現(xiàn)今，單片機被很多的礦用低壓饋電開關(guān)保護裝置所使用，其優(yōu)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(yīng)用場景為高要求的實時性及處理任務(wù)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(zhuǎn)換器有2個，都是12位，其存在于片內(nèi)。光電隔離電路、開關(guān)量輸入電路、RS-485通信電路、電網(wǎng)參數(shù)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(wěn)定性取決于供電電源是否穩(wěn)定，所以，供電系統(tǒng)的設(shè)計，用電設(shè)備既要達到所有的電壓等級的功率的條件，還應(yīng)充分考慮電源之間的干擾，并為了使電壓穩(wěn)定就設(shè)計把濾波器在不同級別的電壓轉(zhuǎn)換使用的也不相同。在把線路連通井下電網(wǎng)，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(zhuǎn)換而成，為繼電器供電，然后再經(jīng)過雙級DC/DC，一個轉(zhuǎn)換成24V直流電用于直流電源，另一個轉(zhuǎn)換為5V直流電用于液晶，并且5V直流電轉(zhuǎn)換為3.3V直流電是經(jīng)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(shù)RS-485的特點傳輸信號速度快、傳輸?shù)木嚯x比較遠，在工控方面被使用的非常多，平衡驅(qū)動器與差分接收器這兩部分構(gòu)成了芯片內(nèi)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(qū)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(gòu)成了信號處理電路的輸入?yún)?shù)。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(yīng)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(gòu)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(shè)計所使用，印刷電路板的布線設(shè)計、通信電路抗干擾設(shè)計及電源抗干擾設(shè)計構(gòu)成了抗干擾部分。雷擊、電網(wǎng)波動及高頻脈沖等干擾也許會在井下發(fā)生，因為電源由配電站經(jīng)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(shè)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(shè)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(shù)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(shè)計

數(shù)據(jù)處理算法、系統(tǒng)軟件設(shè)計、A/D轉(zhuǎn)換程序設(shè)計、主控制器程序設(shè)計、通訊軟件設(shè)計及人機交互程序設(shè)計等軟件設(shè)計被包含在保護裝置中。

STM32 F103是嵌入式處理器，并于ARMv7架構(gòu)為基礎(chǔ)，所以嵌入式操作系統(tǒng)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(nèi)完成較多任務(wù)的一項系統(tǒng)。基本應(yīng)用程序、系統(tǒng)內(nèi)核、任務(wù)、驅(qū)動程序、中斷ISR等構(gòu)成了系統(tǒng)軟件。

在系統(tǒng)實現(xiàn)拷貝的操作后，所有要實施的任務(wù)需要設(shè)計，然后，對中斷服務(wù)函數(shù)設(shè)計及具體程序函數(shù)進行設(shè)計。故障中斷、時鐘節(jié)拍中斷及其他中斷構(gòu)成了中斷函數(shù)。API即為基本應(yīng)用程序，其主要有庫函數(shù)、算法函數(shù)及基本功能函數(shù)組成。開關(guān)量輸入輸出驅(qū)動、LCD驅(qū)動、RS-485驅(qū)動、RTC驅(qū)動、FLASH驅(qū)動和A/D轉(zhuǎn)換驅(qū)動組成了驅(qū)動程序。

4.結(jié)束語

以井下低壓電網(wǎng)及煤礦在本文所涉及的實際情況及安全生產(chǎn)問題為基礎(chǔ)，在依據(jù)固有的礦用低壓饋電開關(guān)保護裝置，新型低壓饋電保護裝置的處理器ARM被設(shè)計出來，其特點是齊全的保護功能、較快的反應(yīng)速度及較強的抗干擾能力等，總饋電開關(guān)保護和分饋電開關(guān)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。