煤礦高壓開關(guān)綜合保護(hù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

（晉能控股集團(tuán)晉華宮煤礦電氣科 山西 037003）

引言

一直以來，煤炭安全是制約煤炭工業(yè)發(fā)展的重大問題。隨著采煤深度的不斷增加、綜采設(shè)備的功率增加以及供電距離增長(zhǎng)對(duì)其供電安全性提出了更高的要求。在實(shí)際煤礦供電中常發(fā)生由于供電保護(hù)系統(tǒng)出現(xiàn)拒動(dòng)、誤動(dòng)作等情況導(dǎo)致其失效，無法真正對(duì)煤礦供電系統(tǒng)進(jìn)行保護(hù)。鑒于煤礦工作面環(huán)境較為惡劣，且供電系統(tǒng)的負(fù)荷波動(dòng)較大，對(duì)保護(hù)系統(tǒng)性能的要求越來越高。本文將著重對(duì)高壓開關(guān)綜合保護(hù)器進(jìn)行設(shè)計(jì)，為保證綜采工作面的安全生產(chǎn)奠定基礎(chǔ)。

1.礦井電網(wǎng)故障及保護(hù)分析

眾所周知，礦井的生產(chǎn)環(huán)境惡劣、環(huán)境潮濕，而且設(shè)備的負(fù)荷及其波動(dòng)較大，相對(duì)應(yīng)的綜合保護(hù)系統(tǒng)與地面相對(duì)具有很大的差別。目前，礦井的故障問題可總結(jié)為如下：短路、過載、過壓、欠壓以及漏電等，對(duì)應(yīng)的保護(hù)手段包括有過電流保護(hù)、漏電保護(hù)以及接地保護(hù)等。

(1)過電流保護(hù)

一般情況下，礦井供電系統(tǒng)由于短路、斷相以及過載等情況均會(huì)導(dǎo)致其出現(xiàn)過電流的故障。過電流的主要故障特征為短路，其線路中瞬間增大的電流值不僅會(huì)燒毀電氣設(shè)備，而且還容易導(dǎo)致井下火災(zāi)、瓦斯爆炸的發(fā)生，根據(jù)《煤炭安全規(guī)程》的相關(guān)規(guī)定，必須在礦井供電系統(tǒng)中配置過電流保護(hù)系統(tǒng)。

(2)過載保護(hù)

所謂過載指的是礦井電氣設(shè)備在超過額定電流值的情況下運(yùn)行。一般的電氣設(shè)備允許在短期內(nèi)過載運(yùn)行；但是，當(dāng)電氣設(shè)備長(zhǎng)時(shí)間在過載狀態(tài)下運(yùn)行時(shí)，設(shè)備本身的絕緣材料會(huì)被老化，甚至存在擊穿的可能導(dǎo)致被燒毀。因此，需為礦井電氣裝置配置過載保護(hù)系統(tǒng)，其保護(hù)原理為：當(dāng)檢測(cè)到運(yùn)行電流值大于額定電流值時(shí)保護(hù)系統(tǒng)會(huì)判定為過載；當(dāng)仍然以過載電流值運(yùn)行時(shí)，保護(hù)系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)斷開電流。

(3)欠壓、過壓保護(hù)

礦井綜采設(shè)備在實(shí)際運(yùn)行中根據(jù)工況的不同對(duì)應(yīng)負(fù)荷不同，存在負(fù)荷急劇變化的情況，從而導(dǎo)致電網(wǎng)電壓出現(xiàn)異常波動(dòng)的情況，包括有過壓和欠壓兩種狀態(tài)。一般的，將過電壓值超過額定電壓值120%以上時(shí)，過電壓保護(hù)系統(tǒng)會(huì)啟動(dòng)；當(dāng)欠電壓值低于額定電壓值65%以下時(shí)，欠電壓保護(hù)系統(tǒng)會(huì)啟動(dòng)。

(4)漏電保護(hù)

據(jù)統(tǒng)計(jì)表明，礦井電網(wǎng)故障有70%均是由于漏電所導(dǎo)致的。漏電主要由于工作面濕度較大、環(huán)境相對(duì)惡劣所導(dǎo)致。導(dǎo)致漏電事故的原因眾多，包括主觀和客觀兩方面。此外，漏電還會(huì)導(dǎo)致短路故障的發(fā)生，從而在影響設(shè)備正常運(yùn)行的同時(shí)，還會(huì)導(dǎo)致火災(zāi)、瓦斯等事故的發(fā)生。

鑒于礦井供電電網(wǎng)各種故障并存的現(xiàn)狀，急需一套高性能、高可靠性的綜合保護(hù)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)供電系統(tǒng)的保護(hù)。

2.煤礦高壓開關(guān)綜合保護(hù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

(1)煤礦高壓開關(guān)綜合保護(hù)系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

簡(jiǎn)單的說，煤礦高壓開關(guān)綜合保護(hù)系統(tǒng)是根據(jù)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)電信號(hào)進(jìn)行采集分析后，判斷故障類型并啟動(dòng)相應(yīng)的保護(hù)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)供電系統(tǒng)的保護(hù)?；谏鲜霰Ｗo(hù)原理設(shè)計(jì)如圖1所示的綜合保護(hù)系統(tǒng)總體框圖。

如圖1所示，高壓開關(guān)綜合保護(hù)系統(tǒng)主要由DSP單元、信號(hào)采集單元、人機(jī)交互單元、通信單元以及儲(chǔ)存單元等。

DSP單元為數(shù)字信號(hào)處理器，其為綜合保護(hù)系統(tǒng)的關(guān)鍵單元；根據(jù)綜合保護(hù)系統(tǒng)的工作任務(wù)強(qiáng)度為其配置的芯片的信號(hào)為TMS320F2812。同時(shí)，為降低DSP單元的能耗采用低電壓對(duì)其進(jìn)行供電，其中為其輸入/輸出接口配置電壓值為3.3V，為其內(nèi)核電源配置的電壓值為1.8V。

圖1 高壓開關(guān)綜合保護(hù)系統(tǒng)的總體框圖

信號(hào)采集單元為對(duì)現(xiàn)場(chǎng)電壓信號(hào)獲取的主要途徑，結(jié)合高壓開關(guān)綜合保護(hù)系統(tǒng)的任務(wù)需對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的電壓信號(hào)、電流信號(hào)以及對(duì)應(yīng)的零序電壓信號(hào)和電流信號(hào)進(jìn)行采集，并對(duì)所采集的信號(hào)通過變換器和低通濾波器處理轉(zhuǎn)換為可為DSP單元識(shí)別的信號(hào)，其處理流程如圖2所示：

圖2 信號(hào)采集單元的信號(hào)轉(zhuǎn)換流程框圖

(2)煤礦高壓開關(guān)綜合保護(hù)系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

結(jié)合煤礦生產(chǎn)常見的電氣故障，對(duì)漏電、短路、過載、欠壓等故障類型的電信號(hào)進(jìn)行采集，并根據(jù)采集結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行比對(duì)，從而開啟相應(yīng)的保護(hù)動(dòng)作。高壓開關(guān)綜合保護(hù)系統(tǒng)主程序控制流程如圖3所示：

圖3 高壓開關(guān)綜合保護(hù)系統(tǒng)主程序控制流程

如圖3所示，綜合保護(hù)系統(tǒng)在運(yùn)行前首先對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行初始化運(yùn)行，在完成漏電閉鎖檢測(cè)正常后合閘運(yùn)行，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)電信號(hào)進(jìn)行采集分析后對(duì)故障類型進(jìn)行確定，并根據(jù)所確定的故障類型作出報(bào)警、故障原因分析、故障信息存儲(chǔ)以及顯示等動(dòng)作。

綜合保護(hù)系統(tǒng)在啟動(dòng)后首先進(jìn)行漏電檢測(cè)。當(dāng)檢測(cè)到支路的絕緣電阻小于設(shè)定電阻值時(shí)，系統(tǒng)不予運(yùn)行；當(dāng)檢測(cè)到絕緣電阻大于設(shè)定電阻時(shí)，系統(tǒng)可以運(yùn)行開啟保護(hù)功能。當(dāng)在初始運(yùn)行階段檢測(cè)到系統(tǒng)漏電時(shí)，需根據(jù)采集到的信號(hào)具體確定漏電原因，待故障排除后重新進(jìn)行漏電檢測(cè)，確保無誤后開始運(yùn)行。

3.總結(jié)

煤礦供電系統(tǒng)為綜采工作面的動(dòng)力源泉，供電系統(tǒng)的可靠性和安全性影響煤礦的安全生產(chǎn)。煤礦供電系統(tǒng)在實(shí)際運(yùn)行中存在短路、過壓、欠壓、過載以及漏電等故障嚴(yán)重威脅工作面。為此，本文以DSP處理器為核心設(shè)計(jì)一款高壓開關(guān)綜合保護(hù)系統(tǒng)，基于對(duì)現(xiàn)場(chǎng)電壓信號(hào)、電流信號(hào)以及零序電壓信號(hào)和零序電流信號(hào)采集分析的基礎(chǔ)上，確定供電網(wǎng)絡(luò)故障類型和故障原因，為作業(yè)人員定位故障和解決故障提供扎實(shí)的依據(jù)。此外，基于高壓開關(guān)綜合保護(hù)系統(tǒng)還可實(shí)現(xiàn)對(duì)故障類型進(jìn)行存儲(chǔ)并顯示。

總之，本文所設(shè)計(jì)的高壓開關(guān)綜合保護(hù)系統(tǒng)可保護(hù)煤礦供電的安全、可靠、高效運(yùn)行。