煤礦井下高壓防爆開關(guān)控制器優(yōu)化設(shè)計(jì)

牛維強(qiáng)

（西山煤電西曲礦， 山西 古交 030200）

引言

隨著我國煤礦開采規(guī)模的不斷擴(kuò)大，煤礦井下電力系統(tǒng)供電距離不斷延長，用電負(fù)荷不斷增大，原有的6 kV的供電系統(tǒng)不能滿足用電要求，具體表現(xiàn)為用電負(fù)載電壓下降，為了解決這一問題，生產(chǎn)中可增加供電線路回?cái)?shù)或增大線路容量，但是會帶來投資增加和空間壓縮等新問題。新建或升級改造的中小煤礦可采取10 kV供電系統(tǒng)，一是增大了供電能力，二是適用于新設(shè)備。10 kV供電系統(tǒng)的供電能力是6 kV供電系統(tǒng)的將近三倍，是目前中小煤礦供電系統(tǒng)的最佳選擇。供電系統(tǒng)的改造不僅涉及到電壓等級，原先相配套的保護(hù)系統(tǒng)也應(yīng)進(jìn)行升級改造，以適應(yīng)新的供電系統(tǒng)保護(hù)要求。

1 控制器設(shè)計(jì)原理

1）漏電保護(hù)。煤礦井下輸電線路多用電纜，由于井下環(huán)境復(fù)雜，電纜供電線路表皮容易破損，導(dǎo)致單相漏電故障發(fā)生，如不及時將故障切除，極易引發(fā)人員觸電或電氣雷管誤爆等重大事故。本控制器針對零序電流漏電保護(hù)和零序功率方向型漏電保護(hù)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)選擇性故障切除，非故障線路能夠繼續(xù)運(yùn)行，減小了事故影響范圍。

2）電流保護(hù)。電流保護(hù)包括過載保護(hù)和短路保護(hù)，過載保護(hù)是基于電機(jī)運(yùn)行的允許溫升確定的，為了使電機(jī)在一定溫度范圍內(nèi)工作，線路上的電流不允許長期超過電機(jī)的額定電流。短路故障采取電流速斷保護(hù)，當(dāng)電流幅值超過一定值時動作，電機(jī)正常啟動時電流較大，因此需區(qū)別電機(jī)的啟動電流和短路電流。采取“相敏保護(hù)”原理，當(dāng)電流的幅值超過正常運(yùn)行的電流幅值時，判斷電壓的相位，計(jì)算其功率因數(shù)，當(dāng)功率因數(shù)高時判斷為短路電流，功率因數(shù)低時判斷為啟動電流[1-2]。

3）高低壓保護(hù)。系統(tǒng)電壓高于1.2倍額定電壓即12 kV時為過電壓故障，低于0.7倍額定電壓即7 kV時為欠電壓故障。過電壓會危及各種電氣設(shè)備的絕緣水平，需要保護(hù)動作切除故障。欠電壓是短路保護(hù)的后備保護(hù)，當(dāng)非金屬性短路發(fā)生時，線路上的電壓可能不為零，會觸發(fā)欠電壓保護(hù)動作。

4）絕緣監(jiān)視保護(hù)。由于井下線路采用雙屏蔽電纜，接地線和監(jiān)視線的短路或斷路故障可通過保護(hù)線監(jiān)視預(yù)知。本文設(shè)計(jì)了附加直流檢測的電纜絕緣在線監(jiān)測電路，如圖1所示。虛線左邊是控制器電路，虛線右邊是外接電路。Rx是等效電阻，Rd是回路電阻，Rr是絕緣電阻，Rz是阻值為1 kΩ的終端元件。絕緣監(jiān)視保護(hù)電路的原理為：當(dāng)電纜發(fā)生監(jiān)視線和接地線短路故障時，等效電阻減小，A點(diǎn)電壓降低；當(dāng)電纜發(fā)生監(jiān)視線和接地線開路故障時，A點(diǎn)電壓上升。通過A點(diǎn)電壓可以計(jì)算出絕緣電阻值，也就是說A點(diǎn)電壓高低反映了電纜的絕緣水平，電纜短路時A點(diǎn)電壓低，電纜斷路時A點(diǎn)電壓高。

圖1 絕緣監(jiān)視在線監(jiān)測電路

2 系統(tǒng)軟硬件設(shè)計(jì)

根據(jù)上述控制器保護(hù)原理和電網(wǎng)保護(hù)需求及技術(shù)指標(biāo)，設(shè)計(jì)的控制器單片機(jī)系統(tǒng)及其外圍電路如下頁圖2所示。本設(shè)計(jì)選用美國Cygnal公司生產(chǎn)的單片機(jī)，型號為C8051F010，其特點(diǎn)是速度快，具有強(qiáng)大的模擬信號處理功能和控制功能等，十分適合保護(hù)控制器設(shè)計(jì)。電源部分為現(xiàn)成開關(guān)電源；復(fù)位電路設(shè)計(jì)為保護(hù)器復(fù)位按鍵和開關(guān)柜復(fù)位按鍵兩種復(fù)位方式；時鐘電路分為外部時鐘和內(nèi)部時鐘；模擬信號采用單片機(jī)自帶的ADC模塊；開關(guān)量或脈沖信號通過單片機(jī)I/O口輸入；液晶顯示接口顯示電網(wǎng)實(shí)時參數(shù)和故障類型；輸出驅(qū)動是控制電磁閥，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)真空斷路器跳閘。

圖2 控制器單片機(jī)系統(tǒng)及其外圍電路

除了控制器及其外圍電路，硬件電路還包括電壓信號電路、零序電流信號電路、風(fēng)電閉鎖與瓦電閉鎖電路、絕緣監(jiān)視信號電路和輸出電路等。

控制器的軟件系統(tǒng)主程序流程圖如圖3所示，主要功能是液晶顯示和按鍵設(shè)置等。液晶顯示的內(nèi)容包括歡迎界面、工作界面、跳閘界面和按鍵界面。按鍵功能可以實(shí)現(xiàn)參數(shù)設(shè)定、故障查詢、模擬跳閘和時間設(shè)置等功能[3-4]。

圖3 系統(tǒng)主程序流程圖

除了主程序，系統(tǒng)的軟件按照模塊化設(shè)計(jì)思想編制，可分為A/D中斷子程序、定時器T0子程序、定時器T1子程序（如圖4所示）以及分合閘子程序等。故障的延時通過定時器T1完成，在過載故障和漏電故障發(fā)生后執(zhí)行，定時器T1子程序在主程序進(jìn)入主循環(huán)后開啟，直到保護(hù)動作跳閘關(guān)閉。在精測子程序中設(shè)置相應(yīng)的故障標(biāo)志位，決定計(jì)時器的增減，一旦超過時限，控制器發(fā)出動作跳閘信號，驅(qū)動電磁線圈完成斷路器跳開動作。

圖4 定時器T1程序流程圖

3 電氣數(shù)據(jù)采集與處理

數(shù)據(jù)采集與處理精度是防爆開關(guān)控制器系統(tǒng)的關(guān)鍵，決定了其保護(hù)動作的性能。數(shù)據(jù)采集的方式有直流采樣和交流采樣兩種，考慮到煤礦井下供電情況復(fù)雜，電壓電流波形常有畸變，若采用直流采樣會出現(xiàn)較大誤差，因此采用精度更高的交流采樣。

對于正弦信號而言，采樣分為兩點(diǎn)法和三點(diǎn)法。設(shè)被測電壓信號U=Umsin（ωt+φu），兩點(diǎn)法是采樣相隔π/2電角度的兩點(diǎn)電壓U1=Umsinx、U2=Umcosx，顯然被測正弦信號的有效值可由下式計(jì)算：

由于電壓電流波形的畸變，只采用兩點(diǎn)法測量正弦信號的檢測并不能滿足系統(tǒng)要求。對于非正弦周期信號的采樣，可以采用的算法有傅里葉算法和方均根算法。傅里葉算法不但適用于正弦信號，同樣適用于非正弦信號的測量，具有濾波功能。但是其計(jì)算復(fù)雜影響保護(hù)動作快速性。方均根算法只需進(jìn)行累加計(jì)算，通過查表完成開方計(jì)算，不需要浮點(diǎn)計(jì)算。

方均根算法還是以電壓信號的計(jì)算為例，電壓的有效值定義為：

經(jīng)離散后可得：

方均根算法計(jì)算出的有效值與真有效值（True Root Mean Square，根據(jù)定義得到）十分符合。為了滿足JB8739對于100 ms的快速性要求，本設(shè)計(jì)優(yōu)化結(jié)合初測和精測：用正弦信號的兩點(diǎn)法測量進(jìn)行初測，迅速得出幅值大小，并不要求準(zhǔn)確性很高。如果初測的結(jié)果滿足了保護(hù)動作的條件，則采用非正弦信號方均根算法進(jìn)行精測。這樣初測和精測相結(jié)合的方法既能保證保護(hù)動作的快速性，又能兼顧準(zhǔn)確性[5-8]。

4 結(jié)論

1）絕緣監(jiān)視電路能夠監(jiān)視井下電纜線路的絕緣水平，提前判斷出電纜可能出現(xiàn)的故障類別。

2）采用初測和精測相結(jié)合的信號采集方法測量井下畸變的電壓電流等波形，在保證測量快速性的形況下兼顧了動作的準(zhǔn)確性。

3）高壓防爆開關(guān)控制器的優(yōu)化設(shè)計(jì)對于煤礦井下供電安全具有重大意義，提升了煤礦電力系統(tǒng)的安全性和可靠性。