煤礦高壓開關(guān)保護系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計

盧 宏

（陽煤集團一礦，山西陽泉 045000）

0 引言

煤礦井下移動變電站是聯(lián)系煤礦井下中央變電站和采煤設(shè)備的重要設(shè)備，將中央變電站的電壓等級降低為綜采設(shè)備可以使用的電壓等級。移動變電站的高壓真空開關(guān)既有故障診斷的功能，又有故障處理的功能，但是由于煤礦井下條件惡劣、工作環(huán)境差，井下用電設(shè)備漏電、短路、斷相等故障經(jīng)常發(fā)生。本文以stm32f103單片機為核心，對煤礦高壓開關(guān)保護系統(tǒng)進行優(yōu)化設(shè)計，在分析煤礦供電系統(tǒng)常見故障及故障原因的基礎(chǔ)上，確定保護實現(xiàn)方法，介紹主要硬件電路設(shè)計方案及軟件實現(xiàn)方法，提升煤礦高壓開關(guān)保護系統(tǒng)的選擇性和可靠性[1]。

1 煤礦供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

圖1 煤礦供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

煤礦供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，包括外部電源接入、煤礦地面變電站、井下中央變電站、采取變電所和工作面配電站等部分組成[2-4]。地面變電所中包含煤礦供電系統(tǒng)的主變壓器，可以接入外部10 kV或者35 kV等級電壓。外部電能經(jīng)過地面變電所的降壓處理后，輸送到煤礦井下中央變電所，進行電能的分配。煤礦移動變電站是煤礦供電系統(tǒng)中降壓處理的最后環(huán)節(jié)，輸出電壓等級為660 V或380 V低壓電，供給煤礦井下綜采設(shè)備、負荷使用。

2 煤礦供電系統(tǒng)故障分析

2.1 短路保護原理

短路故障是煤礦供電系統(tǒng)中常見故障之一，當線路中出現(xiàn)短路故障，電路中的電流急劇增加，導(dǎo)致電纜溫度升高、煤礦井下發(fā)生火災(zāi)。因此，對于煤礦供電系統(tǒng)中的短路故障，需要及時切除故障，這對電力系統(tǒng)速斷保護的快速性有很高的要求[5-6]。圖2為故障點短路電流與線路長度關(guān)系圖。由電路原理可知，線路中的短路電流隨距離的增加而變小，靠近發(fā)電機側(cè)的短路電流最大。

圖2 故障點短路電流與線路長度關(guān)系

圖3 最小系統(tǒng)原理圖

2.2 短路保護故障分析

在不同的短路故障類型中，最大運行方式下的三相短路電流在短路電流中的電流值最大，最小運行方式下的兩相短路電流在短路電流中的電流值最小。因此，在保護開關(guān)處的電流整定值按照躲過下一線路的最大線路三相短路電流進行整定，并取一定的可靠系數(shù)，保障故障切除的可靠性和速斷性。

3 硬件電路設(shè)計

3.1 主控制器選型

主控芯片選型為stm32f系列單片機，該芯片由意法半導(dǎo)體公司出品，屬于32位低端ARM控制器，可以滿足煤礦高壓開關(guān)保護的需求。芯片內(nèi)部集成2個12位的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，可以對0～3.6 V區(qū)間內(nèi)的模擬量輸入電壓進行轉(zhuǎn)換、存儲和處理。

3.2 最小系統(tǒng)電路

stm32單片機的最小系統(tǒng)原理圖如圖3所示。VBAT引腳接外部3.3 V電源；VDD_1、VDD_2、VDD_3、VDDA引腳經(jīng)過104電容接地；VSS_1、VSS_2、VSS_3、VSSA引腳直接接地。在外接晶振電路中，并聯(lián)2個20PF的電容，晶振數(shù)值為8 MHz，可以為芯片提供精準的時鐘源信號。

3.3 電壓采集電路

高壓開關(guān)的保護系統(tǒng)中，需要對高壓開關(guān)線路中的電壓、電流參數(shù)進行采集與分析。在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，電網(wǎng)中的高電壓（強電流）信號通過電壓互感器（電流互感器）轉(zhuǎn)換成低電壓等級信號（小電流信號）。經(jīng)過光電隔離單元和信號調(diào)理電路后，進入stm32單片機的模擬量采集引腳。

以線路中的a、b兩相之間的線電壓Uab采集為例，電壓采集電路如圖4所示，模擬量輸入信號的數(shù)值范圍是-5～+5 V。在電壓采集電路中，需要增加低頻濾波電路，抑制高頻信號對單片機數(shù)據(jù)采集的影響。D1為瞬態(tài)抑制二極管，最大承受電壓為+8 V，當電路中出現(xiàn)沖擊電壓時，D1可以保護后面的元器件不受干擾。

圖4 電壓采集電路

3.4 測溫電路設(shè)計

本系統(tǒng)中的測溫電路選用PT100高精度測溫電路，測溫電路如圖5所示。為了增加溫度測量的適用性，采用三線制的PT100測溫傳感器。外界氣溫沒變化1℃，鉑電阻的阻值變化0.39 Ω。因此，電路中的電阻選用精度為0.1%的高精度電阻，減少電路電阻對溫度測量的影響。R2、R3、R4與PT100組成電橋電路，REF3030為電橋電路提供標準的3.00 V電壓，運用差分放大器對電橋壓差進行放大。

圖5 PT100鉑電阻測溫電路

3.5 通訊電路設(shè)計

為了方便煤礦高壓開關(guān)狀態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)的傳輸，采用RS-485通訊協(xié)議進行數(shù)據(jù)通訊，傳輸距離最大可達1.2 km，傳輸速度最大為10 Mbps?，F(xiàn)場采集的電壓、電流、溫度數(shù)據(jù)通訊線上傳給煤礦中央變電所進行備份。RS-485通訊模塊的電路設(shè)計如圖6所示。

圖6 RS-485通訊模塊

4 控制器軟件設(shè)計

4.1 故障判斷處理程序

圖7 故障處理流程圖

煤礦高壓開關(guān)的保護系統(tǒng)具有故障診斷及故障處理的功能，圖7為針對越級跳閘故障的診斷及故障處理流程圖。程序上電后，首先進行電壓、電流、溫度參數(shù)的采集，將采集的數(shù)據(jù)與設(shè)定值進行比較，確定現(xiàn)場采集數(shù)據(jù)是否在設(shè)定區(qū)間內(nèi)。如不滿足，啟動短路保護，發(fā)出閉鎖信號，關(guān)閉放越級跳閘措施，并等待下一級線路的閉鎖信號。等待一定延時后，仍然沒有收到下一級線路的閉鎖信號，則默認短路故障出現(xiàn)在本線路中，本線路中的高壓開關(guān)斷開。通過RS-485信號發(fā)送數(shù)據(jù)。

4.2 通信程序設(shè)計

本系統(tǒng)中選擇RS-485通訊方案。RS-485通訊采用兩線制接法，線路中A、B通訊線中電壓差為-（2～6）V表示邏輯“0”；電壓差為+（2～6）V表示邏輯“1”。根據(jù)地址進行數(shù)據(jù)接收和發(fā)送。煤礦高壓開關(guān)保護系統(tǒng)的數(shù)據(jù)發(fā)送程序如圖8所示。

圖8 數(shù)據(jù)發(fā)送程序

5 結(jié)束語

本文對煤礦高壓開關(guān)保護系統(tǒng)進行設(shè)計，在分析短路保護原理及短路保護故障分析的基礎(chǔ)上，利用stm32單片機為核心，設(shè)計最小系統(tǒng)電路、電壓采集電路、PT100測溫電路和RS-485通訊電路，在軟件設(shè)計中，介紹故障判斷處理程序及通信程序。