礦用低壓饋電開(kāi)關(guān)保護(hù)技術(shù)分析及應(yīng)用方案設(shè)計(jì)

鄭艷紅

（大同煤礦集團(tuán)機(jī)電裝備科工安全儀器有限責(zé)任公司， 山西 大同 037000）

引言

饋電開(kāi)關(guān)是井下低壓供電系統(tǒng)的重要電氣設(shè)備，可實(shí)現(xiàn)對(duì)井下電網(wǎng)的故障檢測(cè)與保護(hù)，保障礦井低壓供電的安全性。而傳統(tǒng)饋電開(kāi)關(guān)故障保護(hù)具有響應(yīng)速度慢、可靠性和穩(wěn)定性差等問(wèn)題，隨著井下電壓等級(jí)、設(shè)備容量及工作安全性等要求的提升，傳統(tǒng)饋電開(kāi)關(guān)保護(hù)技術(shù)對(duì)井下低壓用電安全構(gòu)成較大威脅[1]。因此，開(kāi)展礦用低壓饋電開(kāi)關(guān)保護(hù)技術(shù)分析及應(yīng)用方案設(shè)計(jì)十分必要。

1 礦用低壓饋電開(kāi)關(guān)保護(hù)技術(shù)現(xiàn)狀分析

近年來(lái)，隨著科技的發(fā)展與進(jìn)步，運(yùn)用各種新理論和新技術(shù)提高了饋電開(kāi)關(guān)的保護(hù)能力。其中，采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)提高故障診斷效果已成為饋電保護(hù)技術(shù)發(fā)展的重要方向[2]。

1）在饋電開(kāi)關(guān)信號(hào)采樣方面。目前壓縮傳感采樣技術(shù)應(yīng)用較為成熟，該技術(shù)利用固定的結(jié)構(gòu)函數(shù)以兩倍關(guān)系對(duì)連續(xù)信號(hào)進(jìn)行采集。相比于傳統(tǒng)的采樣方法，該方法所需要的傳感器和采集數(shù)據(jù)冗余度相對(duì)較少。將壓縮感知采集技術(shù)應(yīng)用到饋電開(kāi)關(guān)保護(hù)技術(shù)中，可增加保護(hù)系統(tǒng)的保護(hù)性能，實(shí)現(xiàn)了傳統(tǒng)數(shù)據(jù)采集的技術(shù)突破。

2）抗干擾方面。由于煤礦井下環(huán)境惡劣且干擾信號(hào)多，造成了礦用低壓饋電開(kāi)關(guān)保護(hù)裝置發(fā)生較為明顯的誤動(dòng)現(xiàn)象。因此，需要提高保護(hù)裝置的電磁兼容性，保證裝置即使在受到外界電磁干擾情況下，也能夠正常進(jìn)行保護(hù)工作；同時(shí)，保證裝置自身產(chǎn)生的電磁干擾信號(hào)不對(duì)其他設(shè)備的正常工作造成一定影響，以保障系統(tǒng)功能夠正常運(yùn)行。保護(hù)系統(tǒng)較強(qiáng)的抗干擾能力，保證了系統(tǒng)正常工作的連續(xù)性，降低了設(shè)備失效或誤導(dǎo)造成的損失[3]。

因此，隨著技術(shù)的進(jìn)步與快速發(fā)展，綜合國(guó)內(nèi)外保護(hù)技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀，將數(shù)字化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化、抗干擾性等技術(shù)應(yīng)用到煤礦供電保護(hù)系統(tǒng)中已成為未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)，先進(jìn)理論與保護(hù)裝置設(shè)計(jì)的有效結(jié)合設(shè)計(jì)出性能更好的保護(hù)設(shè)備。

2 礦用低壓饋電開(kāi)關(guān)保護(hù)裝置基本要求

根據(jù)《煤礦安全規(guī)程》規(guī)定，煤礦井下低壓饋電線路上必須安裝漏電保護(hù)裝置[4]。因此，為保證供配電系統(tǒng)在井下惡劣環(huán)境下的正常工作，對(duì)饋電開(kāi)關(guān)保護(hù)裝置做了如下基本要求：

1）安全性。饋電開(kāi)關(guān)保護(hù)裝置主要是為了保證井下環(huán)境與人員的安全。因此，將安全因素作為衡量饋電開(kāi)關(guān)是否合格的重要標(biāo)準(zhǔn)。在該裝置設(shè)計(jì)過(guò)程中，保護(hù)裝置應(yīng)具有較好的速動(dòng)性，保證人員具有較短的觸電電流及觸電時(shí)間。

2）功能全面。在礦用饋電開(kāi)關(guān)保護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程中，應(yīng)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行過(guò)載、漏電、短路、斷相等保護(hù)功能設(shè)計(jì)。

3）可靠性?？煽啃允侵副Ｗo(hù)系統(tǒng)在其保護(hù)范圍內(nèi)發(fā)生接地故障時(shí)，該裝置可以發(fā)出瞬時(shí)動(dòng)作以避開(kāi)故障線路；而在其他情況下則不發(fā)出動(dòng)作。同時(shí)，要求保護(hù)器應(yīng)具有良好的抗干擾能力，在外部干擾的影響下能做到不誤動(dòng)、不拒動(dòng)等功能，保證自身結(jié)構(gòu)的完整性。

4）選擇性。在煤礦井下供電網(wǎng)絡(luò)中，將漏電閉鎖功能和選擇性漏電保護(hù)功能結(jié)合使用，通過(guò)減小停電范圍，對(duì)故障點(diǎn)所在的電路進(jìn)行準(zhǔn)確判斷，以保護(hù)裝置的完整性。

5）快速反應(yīng)性。根據(jù)30 mA·s的安全指標(biāo)和柯奧西撲卡公式t=30/IR（式中，t為人觸電時(shí)間，IR為人觸電電流）可知，在不同電壓等級(jí)情況下，可計(jì)算出人身體的最大允許觸電電流及最大允許觸電時(shí)間，如下頁(yè)表1所示。在設(shè)計(jì)過(guò)程中，應(yīng)保證保護(hù)動(dòng)作的反應(yīng)時(shí)間不大于最大允許觸電時(shí)間。

表1 不同電壓等級(jí)下最大允許觸電電流與最大允許觸電時(shí)間值

3 饋電開(kāi)關(guān)保護(hù)技術(shù)應(yīng)用方案設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)功能分析

在系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程中，將饋電開(kāi)關(guān)保護(hù)裝置安裝在電網(wǎng)的饋電開(kāi)關(guān)防爆腔內(nèi)，通過(guò)控制斷路器，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)電路的通電與斷電，達(dá)到保護(hù)電路的目的[5]。結(jié)合生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)，按照電氣原理圖，將各設(shè)備儀器進(jìn)行連接，其關(guān)鍵設(shè)備及電氣連接圖如圖1所示。該系統(tǒng)的功能結(jié)構(gòu)主要由電源模塊、信號(hào)預(yù)處理模塊、保護(hù)其核心模塊、電網(wǎng)參數(shù)信號(hào)采集轉(zhuǎn)換模塊、繼電保護(hù)輸出及其他各類模塊組成，具體如圖2所示。

圖1 饋電開(kāi)關(guān)保護(hù)系統(tǒng)關(guān)鍵設(shè)備及連接圖

圖2 系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)組成圖

在保護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程中，對(duì)整套系統(tǒng)進(jìn)行了故障保護(hù)設(shè)計(jì)，其故障保護(hù)過(guò)程流程圖如圖3所示。在該故障保護(hù)過(guò)程中，通過(guò)互感器對(duì)電網(wǎng)故障信號(hào)進(jìn)行采集，并將處理好的信號(hào)通過(guò)信號(hào)處理電路傳送至保護(hù)器，完成對(duì)信號(hào)的故障處理與判斷，利用驅(qū)動(dòng)繼電器控制斷路器跳閘原理，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)故障保護(hù)。

3.2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)，以單片機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)，采用高性能的32位ARM嵌入式處理器STM32F103RB芯片設(shè)計(jì)，具有采樣電路簡(jiǎn)單、性能高等特點(diǎn)[6]。該系統(tǒng)硬件的結(jié)構(gòu)主要由電源模塊設(shè)計(jì)、通信模塊設(shè)計(jì)、采樣信號(hào)處理電路設(shè)計(jì)、液晶顯示模塊設(shè)計(jì)、開(kāi)關(guān)量輸入輸出電路設(shè)計(jì)等部分組成，其系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)框如圖4所示。其中，系統(tǒng)的電源模塊是系統(tǒng)硬件中的關(guān)鍵部分，因此，在設(shè)計(jì)過(guò)程中，電源模塊考慮了不同等級(jí)的電壓和系統(tǒng)抗干擾措施。

圖3 系統(tǒng)故障保護(hù)過(guò)程流程圖

圖4 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)框架圖

3.3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

饋電開(kāi)關(guān)保護(hù)系統(tǒng)采用功能較多的移植開(kāi)源μC/OS—Ⅱ嵌入式操作系統(tǒng)。該系統(tǒng)功能通過(guò)對(duì)操作系統(tǒng)的選擇與裁剪，根據(jù)任務(wù)模塊內(nèi)容，完成系統(tǒng)功能的劃分及功能程序編寫。因此，該系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)以系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)為基礎(chǔ)，主要程序主要由數(shù)據(jù)計(jì)算處理、保護(hù)功能判斷與輸出、邏輯判斷、各類管理、人機(jī)操作等，軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)框架如圖5所示。該系統(tǒng)軟件主要由系統(tǒng)任務(wù)、系統(tǒng)內(nèi)核、中斷服務(wù)程序、驅(qū)動(dòng)程序、BSP等部分組成，在其設(shè)計(jì)過(guò)程中，需要完成操作系統(tǒng)的移植、任務(wù)的設(shè)計(jì)、應(yīng)用程序及中斷服務(wù)函數(shù)編寫等內(nèi)容。

圖5 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)框架圖

4 結(jié)論

根據(jù)本文研究的設(shè)計(jì)方案設(shè)計(jì)的礦用低壓饋電開(kāi)關(guān)保護(hù)系統(tǒng)具有較高的可靠性，解決了傳統(tǒng)饋電開(kāi)關(guān)保護(hù)技術(shù)穩(wěn)定性差、安全性低等問(wèn)題。該方案為后期開(kāi)展保護(hù)系統(tǒng)的詳細(xì)設(shè)計(jì)提供了設(shè)計(jì)思路，對(duì)提高系統(tǒng)的保護(hù)性能和井下用電安全具有重要意義。