礦用高壓開關(guān)保護(hù)系統(tǒng)的改進(jìn)設(shè)計(jì)

劉 震

(山西天地王坡煤業(yè)有限公司，山西 晉城 048021)

隨著煤礦生產(chǎn)規(guī)模的擴(kuò)大，井下電網(wǎng)布局也越來越復(fù)雜，加上井下環(huán)境惡劣、設(shè)備超負(fù)荷作業(yè)、電氣及線纜的磨損、老化等因素，導(dǎo)致井下電網(wǎng)經(jīng)常發(fā)生短路、漏電甚至著火等故障現(xiàn)象，嚴(yán)重影響著井下作業(yè)人員及設(shè)備的安全。雖然也應(yīng)用了各類保護(hù)系統(tǒng)，但仍無法較好地保障井下用電安全。因此，有必要對(duì)井下電網(wǎng)保護(hù)系統(tǒng)進(jìn)行升級(jí)改造。本文結(jié)合目前國(guó)內(nèi)井下電網(wǎng)系統(tǒng)的性能特點(diǎn)，通過對(duì)高壓開關(guān)保護(hù)系統(tǒng)的功能要求分析，設(shè)計(jì)了一套功能全面、響應(yīng)速度快、性能穩(wěn)定的井下高壓開關(guān)保護(hù)系統(tǒng)。

1 國(guó)內(nèi)井下電網(wǎng)系統(tǒng)的特點(diǎn)分析

隨著科學(xué)技術(shù)水平的不斷提升，井下電網(wǎng)系統(tǒng)在安全保護(hù)性能方面得到了快速發(fā)展，基本能滿足井下電網(wǎng)的安全保護(hù)需求，其主要性能特點(diǎn)如下：

1) 井下保護(hù)系統(tǒng)的電纜均是根據(jù)不同環(huán)境的使用需求，進(jìn)行不同類型的選擇使用。目前，井下電纜主要包括塑料電纜、鎧裝電纜、橡套軟電纜等，其中，前兩種電纜主要用于井下的設(shè)備通電及主干線上，而橡套軟電纜則主要用于移動(dòng)設(shè)備的供電，整體均具有較高的安全保護(hù)性能。但由于井下環(huán)境的惡劣性，且電纜用量較大，在長(zhǎng)期使用中，也出現(xiàn)了較多的故障問題。因此，正確選擇電纜型號(hào)及類型，對(duì)提高電網(wǎng)的安全性具有重要意義。

2) 在電網(wǎng)中，主要采用了非直接接地方式進(jìn)行接地，當(dāng)人發(fā)生了觸點(diǎn)事故時(shí)，若采用了非直接接地方式，可以使流過人體的電流大大減小，降低了人員的人身傷害概率；同時(shí)，降低了系統(tǒng)中短路現(xiàn)象，使變壓器、供電設(shè)備的故障率也大大降低。根據(jù)《煤礦安全規(guī)程》的相關(guān)規(guī)定，采用直接接地的變壓器、電機(jī)等設(shè)備不允許對(duì)井下進(jìn)行供電作業(yè)。

3) 目前，大部分井下電網(wǎng)中的保護(hù)系統(tǒng)功能均相對(duì)齊全，能對(duì)電網(wǎng)的短路、過壓、漏電等故障現(xiàn)象發(fā)生相應(yīng)的報(bào)警提示，并及時(shí)采取有效措施，發(fā)出切斷電源、切換開關(guān)等命令操作，保證了井下電網(wǎng)的正常運(yùn)行和井下作業(yè)安全。但由于井下環(huán)境的惡劣性，加上井下設(shè)備經(jīng)常處于超負(fù)荷狀態(tài)作業(yè)，導(dǎo)致各設(shè)備、電纜、控制開關(guān)等經(jīng)常出現(xiàn)各類故障問題，整套電網(wǎng)的穩(wěn)定性相對(duì)較差。

因此，加強(qiáng)井下電網(wǎng)中保護(hù)系統(tǒng)的綜合保護(hù)性能，有效減小或避免相關(guān)故障事故的發(fā)生，對(duì)提高井下電網(wǎng)的安全運(yùn)行能力及井下作業(yè)安全至關(guān)重要。

2 高壓開關(guān)保護(hù)系統(tǒng)的主要功能要求

參考《煤礦安全規(guī)程》的相關(guān)規(guī)定，井下作業(yè)過程中的高壓開關(guān)保護(hù)系統(tǒng)需滿足一定的功能要求，方可進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用，其主要的功能要求如下：

1) 該保護(hù)系統(tǒng)能對(duì)井下電網(wǎng)運(yùn)行中的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集及檢測(cè)，并將其轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的電信號(hào)。

2) 所配備控制開關(guān)及監(jiān)測(cè)范圍能根據(jù)電網(wǎng)不同的運(yùn)行狀態(tài)和需要進(jìn)行自動(dòng)化遠(yuǎn)程切換和控制，減小人員的勞動(dòng)強(qiáng)度。

3) 需具有對(duì)電網(wǎng)進(jìn)行電流保護(hù)、接地保護(hù)及漏電保護(hù)等多種保護(hù)功能為一體的功能，同時(shí)，針對(duì)電網(wǎng)中出現(xiàn)的各類故障問題，能及時(shí)做出故障信號(hào)指示，并準(zhǔn)確顯示故障發(fā)生位置。

4) 能將電網(wǎng)運(yùn)行中的各類信號(hào)參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)的人機(jī)界面顯示，并及時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)的記憶保存，形成相應(yīng)的數(shù)據(jù)記錄文件，以方便后期對(duì)數(shù)據(jù)的查找。

5) 可對(duì)井下的其他相關(guān)干擾信號(hào)進(jìn)行有效屏蔽，保證保護(hù)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)不受外界干擾，以此提高保護(hù)系統(tǒng)的控制準(zhǔn)確性。

3 高壓開關(guān)保護(hù)系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

3.1 總體方案設(shè)計(jì)

鑒于現(xiàn)有的井下電網(wǎng)在使用中存在的一些不足，設(shè)計(jì)了一套性能更加穩(wěn)定的高壓開關(guān)保系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要包括模擬輸入模塊、CPU模塊、電流電壓變送器、故障存儲(chǔ)模塊、人機(jī)交互接口單元等部分，其中，CPU主控單元采用了高速處理性能、集成A/D信號(hào)轉(zhuǎn)換等功能的DSP芯片TMS320F2812，可實(shí)現(xiàn)32位、150MIPS的高速指令處理速度，克服了傳統(tǒng)的運(yùn)算、響應(yīng)慢、精度低等缺點(diǎn)；而故障存儲(chǔ)模塊則主要用來處理電網(wǎng)中的短路、漏電等故障信號(hào)，并對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)存儲(chǔ)，該保護(hù)系統(tǒng)的總體框架如圖1所示。整套保護(hù)系統(tǒng)的工作原理為：首先通過相關(guān)檢測(cè)設(shè)備對(duì)電網(wǎng)中的相關(guān)信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)，經(jīng)過電流、電壓變送器的信號(hào)轉(zhuǎn)換后，再將其發(fā)送至CPU中，而CPU中通過自帶電流A/D信號(hào)轉(zhuǎn)換器，可將電信號(hào)轉(zhuǎn)換為對(duì)應(yīng)的數(shù)字信號(hào)，并通過相關(guān)計(jì)算和判斷方法進(jìn)行信號(hào)處理，最終將其傳輸至人機(jī)顯示界面中進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示，同時(shí)，通過相關(guān)控制程序采用切斷電源、切換開關(guān)等操作，以此實(shí)現(xiàn)對(duì)電網(wǎng)的安全保護(hù)。該系統(tǒng)與傳統(tǒng)系統(tǒng)相比，具有更高的響應(yīng)速度、保護(hù)功能更加全面，控制精度和速動(dòng)性能也更高，能更好地滿足井下電網(wǎng)的使用需求。

圖1 高壓開關(guān)保護(hù)系統(tǒng)總體框架

3.2 模擬量輸入模塊的設(shè)計(jì)

由于該保護(hù)系統(tǒng)需要對(duì)井下電網(wǎng)中電流、電壓、零序電壓信號(hào)等信號(hào)進(jìn)行采集，通過相關(guān)的控制算法來進(jìn)行信號(hào)運(yùn)算和轉(zhuǎn)換，由此來控制相關(guān)控制程序?qū)?zhí)行機(jī)構(gòu)發(fā)出控制指令。而模擬輸入量作為保護(hù)系統(tǒng)信號(hào)采集輸入的前端模塊，對(duì)整個(gè)保護(hù)系統(tǒng)非常重要，其結(jié)構(gòu)主要由PT/CT、變換器、低通過濾器等組成，其工作原理如圖2所示。同時(shí)，由于該模塊所采集的電壓、電壓值均為高壓、大電流值。在保護(hù)系統(tǒng)中無法直接進(jìn)行應(yīng)用，因此，需通過相關(guān)耐高性能的電流、電壓互感器轉(zhuǎn)換為低電流、低電壓信號(hào)后，方可傳輸至DSP芯片中進(jìn)行信號(hào)轉(zhuǎn)換和運(yùn)算判斷。

圖2 模擬量輸入模塊原理框架

4 保護(hù)系統(tǒng)測(cè)試分析

為進(jìn)一步驗(yàn)證所設(shè)計(jì)的高壓開關(guān)保護(hù)系統(tǒng)的綜合性能，在某礦對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)測(cè)試。

4.1 短路保護(hù)測(cè)試分析

在保護(hù)系統(tǒng)短路測(cè)試過程中，主要采用了對(duì)軟件設(shè)置短路故障的方式進(jìn)行測(cè)試，具體方法為：首先在軟件中設(shè)置一個(gè)短路故障，再將其發(fā)送至CPU進(jìn)行短路信號(hào)的判斷和分析，而在測(cè)試過程中，當(dāng)CPU接收到短路信號(hào)后，對(duì)開關(guān)發(fā)出了跳閘的指令，同時(shí)，電路短路器迅速做出切斷電源命令，其動(dòng)作響應(yīng)時(shí)間僅為80 ms，由此，驗(yàn)證了該系統(tǒng)在電流短路方面具有較好的綜合性能。

4.2 漏電保護(hù)測(cè)試分析

在保護(hù)系統(tǒng)漏電測(cè)試中，主要通多次改變電網(wǎng)與大地之間的電阻值來模擬漏電狀態(tài)，當(dāng)CPU檢測(cè)到該電阻值超過設(shè)定的閾值時(shí)，則會(huì)向電阻繼電器發(fā)出響應(yīng)的切斷電源的控制動(dòng)作，以此實(shí)現(xiàn)對(duì)保護(hù)系統(tǒng)中漏電故障的保護(hù)。經(jīng)測(cè)試，該保護(hù)系統(tǒng)能準(zhǔn)確及時(shí)地對(duì)漏電故障進(jìn)行快速、實(shí)時(shí)響應(yīng)，具有較高的控制精度，能滿足當(dāng)下井下電網(wǎng)的使用需求。

5 結(jié) 語

結(jié)合目前國(guó)內(nèi)井下電網(wǎng)系統(tǒng)的性能特點(diǎn)，通過對(duì)高壓開關(guān)保護(hù)系統(tǒng)的功能要求分析，設(shè)計(jì)了一套功能全面、響應(yīng)速度快、性能穩(wěn)定的井下高壓開關(guān)保護(hù)系統(tǒng)，通過測(cè)試表明，該系統(tǒng)在短路保護(hù)、漏電保護(hù)等方面均具有較高的性能特點(diǎn)，整套系統(tǒng)動(dòng)作可靠，性能穩(wěn)定，對(duì)提高井下電網(wǎng)和井下作業(yè)的安全性具有重要意義。