礦用防爆開關(guān)智能保護器的設計

李清汝

（潞安化工集團能源事業(yè)部健康安全環(huán)保部， 山西 襄垣 046204）

引言

我國大多數(shù)煤礦采用6 kV 的供電系統(tǒng)。但是，近年來，隨著工作面生產(chǎn)能力的增加和大功率采掘設備和提升設備的應用，工作面的供電負荷明顯增加，已經(jīng)逐步邁進10 kV 的供電等級。僅是簡單地將工作面的保護系統(tǒng)由6kV的防爆開關(guān)智能保護器改造為10kV的防爆開關(guān)智能保護器，導致了在實際生產(chǎn)中防爆開關(guān)智能保護器誤動作率增加，且在系統(tǒng)分合閘的瞬間產(chǎn)生較大的電磁干擾,造成保護器被損壞[1]。

1 防爆開關(guān)智能保護器的總體設計

1.1 現(xiàn)狀分析

目前，煤礦綜采工作面的各類型綜合保護裝置可分類為DCB—X 系列、DGZB 系列、BLD 系列和GZJB系列。其中，DCZB 系列保護器應用最為廣泛。通過對DCZB 系列保護器實踐應用出現(xiàn)的問題進行總結(jié)，得出如下結(jié)論：

1）在不同的時間段該保護器所顯示的電壓值相差較大，顯示的電壓值與電網(wǎng)波形的好壞有直接的關(guān)系，主要原因為其受到電壓互感器的影響。

2）DCZB 系列保護器短路信號處理時間在某些情況超過了100 ms，而且該型智能保護器的短路檢測時間較差，導致短路保護功能無法正常發(fā)揮。

3）由于供電負荷從6 kV 增大至10 kV，導致DCZB 系列保護器出現(xiàn)了較為明顯的拒動作現(xiàn)象[2]。

綜上，目前礦井DCZB 系列防爆開關(guān)智能保護器主要存在的問題為短路跳閘問題。因此，急需設計一款可解決短路越級跳閘問題的智能保護器。

1.2 防爆開關(guān)智能保護器的功能需求

針對礦井供電網(wǎng)絡中常見的故障類型，要求防爆開關(guān)智能保護器具備漏電保護、過載保護、短路保護、過欠壓保護和絕緣保護等功能。

1.2.1 漏電保護

鑒于綜采工作面相對惡劣的工作環(huán)境，供電電纜時常會發(fā)生單相漏電或者單相接地的故障。工作面現(xiàn)場的漏電故障不僅會導致現(xiàn)場人員發(fā)生觸電，而且還會引起瓦斯爆炸、電氣雷管提前引爆等風險[3]。目前，可通過零序電流漏電保護和零序功率方向型漏電保護實現(xiàn)保護器的漏電保護功能。

1.2.2 電流保護

電流保護功能包括對供電網(wǎng)絡中的過載保護和短路保護。對于過載保護，需要根據(jù)不同電機對應的不同發(fā)熱時間常數(shù)，確定其過載反時限特性，采取相應的保護措施。短路保護一般采取電流速斷保護方式實現(xiàn)其功能，具體通過判斷電流電壓的相位，得出是否出現(xiàn)短路現(xiàn)象，繼而觸發(fā)短路保護功能。

此外，還要求防爆開關(guān)智能保護器具備過欠壓保護和絕緣監(jiān)視保護功能。

2 防爆開關(guān)智能保護器的設計

從防爆智能保護器的硬件和軟件兩個方面完成設計，并結(jié)合基礎設計完成其對應的抗干擾設計。

2.1 硬件設計

本文所設計的防爆開關(guān)智能保護器可適用于10 kV的供電網(wǎng)絡中，10 kV 防爆開關(guān)智能保護器的基本結(jié)構(gòu)參照6 kV 保護器設計，如圖1 所示。智能保護器的核心為單片機系統(tǒng)，綜合對比市面上單片機的應用案例和經(jīng)濟性，確定選用型號為C8051F010 的單片機，作為核心部件完成智能保護器設計[4]。在C8051F010單片機的基礎上，為其配置電源電路、復位電路、實時時鐘和外部時鐘等。

圖1 10 kV 防爆開關(guān)智能保護器的基本結(jié)構(gòu)框圖

2.1.1 實時時鐘電路

防爆開關(guān)智能保護器實時時鐘電路主要是對當?shù)貢r間和故障時間的實時記錄，對于數(shù)據(jù)存儲記錄具有重要意義。本系統(tǒng)采用DS1302 時鐘芯片，該芯片具有高性能、低功耗的優(yōu)勢，而且具有寫保護功能。實時時鐘電路與C8051F010 單片機的連接如圖2 所示。

圖2 實時時鐘電路與C8051F010 單片機的連接示意圖

2.1.2 復位電路

本系統(tǒng)所采用C8051F010 單片機可通過七種方式實現(xiàn)對單片機CPU 的復位功能，包括：上電復位、軟件強制復位、掉電復位、時鐘丟失檢測器復位以及按鍵復位等。本系統(tǒng)將采用按鍵復位的方式實現(xiàn)對單片機CPU 的復位功能，對應的復位電路如圖3 所示。

圖3 單片機按鍵復位電路原理圖

2.1.3 信號通道電路

信號通道電路主要包括電壓信號通道、電流信號通道、零序電壓信號通道、零序電流信號通道和絕緣監(jiān)視信號通道等。

針對電壓信號通道采用雙向TVS D21 器件為瞬態(tài)電壓抑制器，保證系統(tǒng)在承受高壓信號時能夠迅速實現(xiàn)反向擊穿功能，從而使元器件由高阻態(tài)運行狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榈妥钁B(tài)，最終將干擾信號抑制在可承受的范圍之內(nèi)。電壓信號通道電路如圖4 所示。

圖4 電壓信號通道電路原理圖

針對零序電流信號電路，鑒于該電路中的信號值較小極易受到干擾，需要在傳統(tǒng)零序電流信號電路的基礎上增加帶通濾波電路。此外，零序電流信號電路中增加一個倒相的功能，能夠?qū)﹄娐分须妷汉碗娏飨辔贿M行檢測。

2.2 軟件設計

本文所設計的礦用防爆開關(guān)智能保護器，除了發(fā)揮正常的保護功能外，還具備讀DS1302、寫液晶屏和對按鍵進行設置的功能，對應的具體程序流程如圖5所示。

圖5 防爆開關(guān)智能保護器主程序流程圖

定時器是系統(tǒng)完成故障延遲處理的關(guān)鍵器件，主要對過載和漏電兩種故障進行延時處理[5]，其對應的延遲處理程序流程如圖6 所示。

圖6 定時器延時處理程序流程

3 結(jié)語

近年來，隨著大型、大功率綜采設備和提升設備的廣泛應用，煤礦生產(chǎn)進入了高產(chǎn)高效的時代，工作面的工作負荷顯著提升，供電電壓由6 kV 增加至10 kV。但是，對應的綜采工作面供電系統(tǒng)的保護設備并未從6 kV 提升至10 kV，僅是將電壓等級升高，一旦真正遇到高壓電機啟動導致保護器誤動作和電磁干擾的嚴重問題，會嚴重影響煤礦的安全生產(chǎn)。因此，本文基于C8051F010 單片機為核心，完成了防爆開關(guān)智能保護器的設計，重點解決功率方向型的誤動作和拒動作的問題。通過實踐表明：所設計的保護器能夠在30 ms 內(nèi)完成采集并實現(xiàn)跳閘保護功能，且短路保護功能在100 ms 以內(nèi)實現(xiàn)一級延時保護，有效解決了越級跳閘的問題。