煤礦井下電氣系統(tǒng)饋電開關(guān)防護(hù)系統(tǒng)的研究

雷海蛟

（山西焦煤技師學(xué)院， 山西 晉中 032006）

引言

隨著煤礦井下綜采自動(dòng)化程度的不斷提高，井下供電網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)日趨復(fù)雜，各類用電設(shè)備在啟動(dòng)或者運(yùn)行過程中會(huì)對電網(wǎng)系統(tǒng)產(chǎn)生極大的電流沖擊，而且電網(wǎng)系統(tǒng)供電分散、線路多、工作環(huán)境惡劣，導(dǎo)致供電系統(tǒng)極易出現(xiàn)故障。饋電開關(guān)保護(hù)系統(tǒng)是電網(wǎng)防護(hù)的核心，其當(dāng)電網(wǎng)出現(xiàn)故障時(shí)及時(shí)對故障網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行隔離，避免故障的進(jìn)一步擴(kuò)大，因此饋電開關(guān)保護(hù)系統(tǒng)的工作穩(wěn)定性和可靠性，直接決定了電網(wǎng)系統(tǒng)的運(yùn)行安全性。目前的饋電開關(guān)保護(hù)系統(tǒng)主要以PLC 控制為核心，以漏電保護(hù)、欠壓保護(hù)為基礎(chǔ)，反應(yīng)靈敏性低、穩(wěn)定性差，給煤礦井下的供電安全，帶來了嚴(yán)重的隱患。因此，提出了一種新的井下電氣系統(tǒng)饋電開關(guān)防護(hù)系統(tǒng)并展開研究，對提升井下的供電安全性具有十分重要的意義。

1 饋電開關(guān)防護(hù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

結(jié)合井下供電網(wǎng)絡(luò)的整體結(jié)構(gòu)及供電安全性需求，本文所提出的饋電開關(guān)防護(hù)系統(tǒng)主要包括檢測傳感器模塊、獨(dú)立供電網(wǎng)絡(luò)模塊、信息傳遞模塊、異常判別模塊等，該系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖1 所示[1]。

由圖1 可知，該系統(tǒng)工作時(shí)，位于電網(wǎng)系統(tǒng)上的電壓互感器、電流互感器對供電電壓和電流進(jìn)行不間斷監(jiān)測，將數(shù)據(jù)信息進(jìn)行匯總后經(jīng)過信號預(yù)處理器進(jìn)行預(yù)處理，然后將其傳遞給保護(hù)器控制中心，在控制中心內(nèi)進(jìn)行數(shù)字量和模擬量信息轉(zhuǎn)換，對電網(wǎng)運(yùn)行情況進(jìn)行判定。當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)故障后自動(dòng)確定故障類型和位置，同時(shí)對保護(hù)器發(fā)出保護(hù)指令，控制保護(hù)器實(shí)現(xiàn)對故障電路的及時(shí)保護(hù)和隔離。在每次故障發(fā)生后，系統(tǒng)自動(dòng)對故障現(xiàn)象和處理方案進(jìn)行記錄，能夠不斷豐富故障庫，提升對不同故障判斷的準(zhǔn)確性。系統(tǒng)還能夠?qū)⒐收戏治鼋Y(jié)果傳遞給控制中心，將故障信息顯示在監(jiān)控終端上，便于操作人員對故障情況進(jìn)行了解。

圖1 饋電保護(hù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

2 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

由于煤礦井下高濕、高塵、高電磁干擾的環(huán)境，對整個(gè)饋電保護(hù)系統(tǒng)提出了更高的要求，因此為了滿足井下特殊環(huán)境下高可靠性的需求，其數(shù)據(jù)處理器采用了嵌入式的32 位處理器，為了滿足對數(shù)據(jù)快速分析和處理的要求，在處理器內(nèi)還設(shè)置了4 組獨(dú)立的數(shù)字量信號轉(zhuǎn)換模塊，內(nèi)置轉(zhuǎn)換模塊的方式能夠有效降低系統(tǒng)設(shè)計(jì)的復(fù)雜性，而且能夠提高轉(zhuǎn)換模塊的可靠性和數(shù)據(jù)處理速度，降低能源消耗。

系統(tǒng)采用了多種類型的監(jiān)測傳感器及數(shù)據(jù)信息處理元件，其工作電壓需求各不相同，為了提升系統(tǒng)工作的穩(wěn)定性，在供電電路上設(shè)置了穩(wěn)壓芯片，能夠?qū)崿F(xiàn)對多種電壓的穩(wěn)壓，各個(gè)硬件端口之間采用了標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)通信接口，能夠?qū)崿F(xiàn)監(jiān)測信號的穩(wěn)定傳遞，同時(shí)具有了良好的擴(kuò)展性，能夠滿足系統(tǒng)不斷升級的需求，該饋電保護(hù)系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)如下頁圖2 所示[2]。

井下電網(wǎng)在工作中受到設(shè)備運(yùn)行時(shí)的電流沖擊大，因此電網(wǎng)供電時(shí)的電壓和電流存在較大的波動(dòng)，無法滿足新型饋電保護(hù)系統(tǒng)工作穩(wěn)定性的需求，因此在設(shè)置穩(wěn)壓芯片的基礎(chǔ)上，系統(tǒng)內(nèi)還設(shè)置了專用的穩(wěn)壓電源，能夠?qū)︷侂姳Ｗo(hù)系統(tǒng)的供電電壓進(jìn)行降壓、整流、濾波、穩(wěn)壓、再次濾波處理[3]，從而實(shí)現(xiàn)為饋電保護(hù)系統(tǒng)提供連續(xù)穩(wěn)定電壓的需求，保證系統(tǒng)工作的穩(wěn)定性和可靠性。

圖2 饋電保護(hù)系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)示意圖

3 饋電保護(hù)系統(tǒng)軟件控制

饋電保護(hù)系統(tǒng)的軟件控制是系統(tǒng)正常工作的核心，為了實(shí)現(xiàn)綜合保護(hù)功能，該系統(tǒng)主要包括了溫度采集、運(yùn)行功率檢測、故障判別、數(shù)據(jù)通信等多種類別的程序，在運(yùn)行過程中系統(tǒng)首先對電路進(jìn)行初始化，并進(jìn)行有功功率檢測和無功功率檢測，并對系統(tǒng)硬件的狀態(tài)進(jìn)行自檢，確認(rèn)硬件狀態(tài)正常后開始轉(zhuǎn)入到系統(tǒng)運(yùn)行監(jiān)測中，對整個(gè)電網(wǎng)的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行巡檢，出現(xiàn)故障信號后及時(shí)進(jìn)行故障鎖定和判斷，對故障進(jìn)行及時(shí)處理，確保整個(gè)供電網(wǎng)絡(luò)的安全性，該饋電保護(hù)系統(tǒng)控制邏輯如圖3 所示[4]。

該饋電保護(hù)系統(tǒng)應(yīng)用以來，對井下供電網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行可靠性進(jìn)行監(jiān)測，在6 個(gè)月的監(jiān)測時(shí)間內(nèi)，電網(wǎng)出現(xiàn)故障的次數(shù)為3 次，比優(yōu)化前降低了88.9%，每次發(fā)生故障后的平均處理時(shí)間約為2.4 min，比優(yōu)化前降低了約90%，同時(shí)系統(tǒng)所具備的自我學(xué)習(xí)能力使饋電保護(hù)系統(tǒng)具有了較高的智能化程度，通過不斷地學(xué)習(xí)提升工作穩(wěn)定性和安全性，對提升井下供電安全具有十分重要的意義。

圖3 饋電保護(hù)系統(tǒng)軟件邏輯示意圖

4 結(jié)論

1）饋電開關(guān)防護(hù)系統(tǒng)主要包括檢測傳感器模塊、獨(dú)立供電網(wǎng)絡(luò)模塊、信息傳遞模塊、異常判別模塊等，能夠?qū)崿F(xiàn)故障快速隔離和定位。

2）饋電保護(hù)系統(tǒng)不僅有穩(wěn)壓芯片，還有專用的穩(wěn)壓電源，能夠?qū)︷侂姳Ｗo(hù)系統(tǒng)的供電電壓進(jìn)行降壓、整流、濾波、穩(wěn)壓、再次濾波處理，可保證系統(tǒng)工作的穩(wěn)定性和可靠性。

3）該防護(hù)系統(tǒng)能夠?qū)⒕码姎夤收下式档?8.9%以上，將故障處理時(shí)間降低90%以上。