礦井供電系統(tǒng)線路保護裝置設(shè)計

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摘要：基于煤礦供電系統(tǒng)中存在的欠壓、過載、漏電、短路、過流等普遍現(xiàn)象，分別在硬件部分和軟件部分設(shè)計了線路保護裝置的硬件框圖和保護設(shè)備的主程序流程，并在硬件部分提供了微控制器，并制作了CAN總線通訊電路和交流信號采集單元的設(shè)計方案。通過研究一個最新的煤礦供電系統(tǒng)線路保護裝置，提出了煤礦供電系統(tǒng)線路的保護總方案。研究結(jié)果表明：通過投入使用煤礦供電系統(tǒng)線路保護裝置，降低了跳閘事故的發(fā)生概率，有效地監(jiān)控了電力線，有較好的應用價值推廣性。

關(guān)鍵詞：CAN總線;線路保護;高效管控;裝置;跳閘

引言

煤礦生產(chǎn)過程中地下供電系統(tǒng)的可靠性和安全性起著重要作用。當前，中國的煤礦供電系統(tǒng)主要使用6kV或者10kV的供電系統(tǒng)。由于不斷擴展和深入的地下綜合開采工作面，導致大多數(shù)現(xiàn)有的供電系統(tǒng)均采取近距離線路、垂直和多層次供電方式。由于電源線的距離短以及惡劣的煤礦生產(chǎn)環(huán)境，電源線時常產(chǎn)生短路現(xiàn)象，以及出現(xiàn)漏電、過流、欠壓等電路故障。此外，在供電系統(tǒng)發(fā)生短路的情況時，難以區(qū)分上下級的短路電流，而且無法形成強有力的縱向選擇性短路繼電保護，容易造成過電流。單步跳閘事故造成大規(guī)模地下停電，從而減弱了供電系統(tǒng)的可靠性，并降低了煤礦的安全和正常生產(chǎn)。結(jié)合上述煤礦供電系統(tǒng)線路中存在的問題，提出了一種新型的供電系統(tǒng)線路保護裝置和方案。通過總線通訊技術(shù)、計算機控制技術(shù)和微控制器技術(shù)的幫助，繼電保護完成了繼電保護裝置的控制、測量、通訊和保護。

1有關(guān)線路保護裝置的主要功能

按照煤礦工作人員的需求和生產(chǎn)需要，線路保護裝置應該擁有下列功能：1）遠程監(jiān)控的功能。通過電能計量芯片完成對無功功率和有功功率的計算，將計算內(nèi)容上傳至上位機監(jiān)控系統(tǒng)，并由微型線路保護裝置對電源線上的電流、電壓等電氣狀態(tài)量進行實時監(jiān)控。微型線路保護裝置能夠遠程控制閉合和斷開動作的電源線開關(guān)斷路器。2）保護功能。線路保護裝置擁有三級電流保護功能，這一功能是通過保護軟壓板進行控制，并具有延遲功能，以防止阻塞和過度跳閘。3）故障報警的功能。如果線路上出現(xiàn)故障，保護裝置將在檢測到故障后以聲音和視覺警報的形式警告工作人員。4）故障定位的功能。如果線路某個地方出現(xiàn)故障，故障信息將被保護設(shè)備實時上載到主機，并且主機能夠利用點位保護設(shè)備對故障進行定位。5）參數(shù)存儲的功能。電源線的操作參數(shù)可以通過主機監(jiān)控系統(tǒng)及時儲存。

2煤礦供電系統(tǒng)線路保護裝置總體方案設(shè)計

如下頁圖1所示為煤礦供電系統(tǒng)線路保護的總體方案。煤礦供電系統(tǒng)線路保護總方案采取分布式結(jié)構(gòu)，主要包含多條線路保護裝置、CAN總線通信模塊，上位機監(jiān)控系統(tǒng)還有供電系統(tǒng)提供的變壓器和斷路器。CAN總線通訊模塊采取雙向通訊，電源系統(tǒng)里內(nèi)置有雙向通信網(wǎng)絡，便于提供用于數(shù)據(jù)信息的通道。主機監(jiān)控系統(tǒng)能夠利用CAN總線通信模塊進行各種保護。該設(shè)備是遠程控制的，與此同時各個線路保護設(shè)備能夠讓其監(jiān)控的線路數(shù)據(jù)信息上傳到主機，便于實現(xiàn)線路保護設(shè)備與主機之間信息的快速交換。電力系統(tǒng)線路監(jiān)控的終端設(shè)備是線路保護設(shè)備，能夠及時收集匯總電力線上的其他信號、模擬和數(shù)據(jù)。出現(xiàn)線路故障的時候，還會推送故障信號預警；主機控制系統(tǒng)能夠?qū)ΡＷo裝置作出選擇性動作，確認線路故障位置并智能化分析線路保護裝置上載的信息，上位機監(jiān)控系統(tǒng)可以智能分析線路保護裝置上傳的信息。

3線路保護裝置的硬件方案分析與設(shè)計

3.1保護裝置的硬件框圖分析與設(shè)計

如下頁圖2為線路保護裝置的硬件設(shè)計框圖。線路保護裝置由繼電操作裝置、開關(guān)量采集單元、電源管理單元、CAN總線收發(fā)器單元、交流信號采集單元、液晶顯示單元、微控制器、聲光報警裝置等組成。繼電器操作裝置負責操作斷路器；開關(guān)量收集單元負責收集斷路器的開關(guān)位置信號；電源管理單元負責為整體線路保護裝置供電；CAN總線收發(fā)器該設(shè)備單元用于保護設(shè)備和上位機監(jiān)控系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)通信；交流信號采集單元主要包括電流互感器，電壓互感器和信號轉(zhuǎn)換電路三部分。電流互感器和電壓互感器負責收集電源線。三相電壓電流信號，信號轉(zhuǎn)換電路負責轉(zhuǎn)換和濾波收集到的電能；液晶顯示單元用于顯示線路監(jiān)控數(shù)據(jù)和保護裝置的工作狀態(tài)；聲光報警裝置主要用于供電系統(tǒng)線路的故障報警提示。

3.2選擇微控制器

微控制器是實現(xiàn)線路保護裝置的嵌入式和小型化不可或缺的部分。微控制器采用的STM32單片機的F103系列主控制芯片是保護設(shè)備的重要部分。此系列芯片擁有擴展性和低功耗的特點，非常適合在煤礦生產(chǎn)領(lǐng)域中的芯片對抗干擾能力強、豐富的銷釘、堅固的需求。由數(shù)據(jù)通訊、數(shù)據(jù)計算、數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)采集、線路故障處理以及保護邏輯判斷等構(gòu)成保護裝置中微控制器功能，STM32單片機的F103系列主控制芯片能夠充分適應以上工作需求。

3.3CAN總線通訊電路設(shè)計

因為煤礦中各類采礦設(shè)備的持續(xù)切斷，電源線上有很大的電壓波動并且具有較強的電磁干擾。所以，提出了線路保護裝置對通信方法的更高要求，這需要強大的抗干擾能力。工業(yè)自動化領(lǐng)域通常使用的傳輸方式是CAN總線通信方法。該通信方法可靠性高，性價比高，通信協(xié)議簡單，抗干擾能力強。圖3為CAN總線通信電路。微控制器選擇的STM32F103系列單片機帶有CAN總線控制器，所以，需要挑選外部型號TJ1050CAN數(shù)據(jù)收發(fā)器。

3.4交流信號采集單元的設(shè)計

通過將電力線上的高電流信號和高電壓轉(zhuǎn)換成小電壓信號實現(xiàn)對電力線的小型化監(jiān)視。所以，此設(shè)備使用變壓器隔離方法，讓線路上的大電流信號和高壓經(jīng)過AC信號、初級TV和TA采集電路上的次要信號。將TA和電視轉(zhuǎn)換后，將信號發(fā)送至相應的電源使用計量芯片和微控制器。如下圖4，是交流信號采集設(shè)備的交流信號采集電路。當中選擇的微型電壓互感器型號為TV31B，微型電流互感器型號為TA22B11。選擇了一種特殊的電能計量芯片ATTT702B。此芯片非線性測量誤差小，計算精度高，能夠測量無功功率、各相電壓和電流、有功功率以及視在功率的有效值。

4控制器軟件編程

如下頁圖5為單線路保護設(shè)備的主程序流程圖。在上述線路保護方案中，每個斷路器都應該配備線路保護裝置。所以，以STM32F103系列單片機為基礎(chǔ)，該單片機的下位機程序是用C語言編寫的。編程基于結(jié)構(gòu)化、模塊化和自上而下的編程設(shè)計，分為主程序和多個子程序。子程序包括故障處理子程序、開關(guān)檢測子程序、交流信號采集子程序、LCD顯示子程序、CAN總線通訊子程序、故障判斷子程序、聲光報警子程序等。與此同時，主機與主機之間采用電流保護，每個保護三級設(shè)備。以控制各個保護裝置的動作時間來實現(xiàn)各個保護裝置之間的聯(lián)動保護，因此保障斷路器選擇性跳閘。下頁表1顯示：如果高爆炸開關(guān)K5發(fā)生故障，則能夠在210ms內(nèi)快速激活保護設(shè)備的限時速斷保護功能。爆裂開關(guān)K4的備用保護功能足以及時作出正確的應對[1-3]。

5結(jié)論

通過金邦煤業(yè)的現(xiàn)場測試結(jié)果證明，此防超限保護裝置改造成本低，可靠運行，能夠滿足煤礦現(xiàn)場使用的需求，而且能夠?qū)崿F(xiàn)全站儀的數(shù)據(jù)功能。實現(xiàn)礦山信息化、智能化建設(shè)和礦山安全高效生產(chǎn)。該次改造實踐能夠拓展到煤礦返井的改造中，超越其他礦山供電系統(tǒng)的保護范圍。

參考文獻

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[2]桑宏琪.基于CAN總線的煤礦供電系統(tǒng)線路保護裝置設(shè)計[J].煤礦機電，2019（2）：33-35.

[3]王海玲.井下供電系統(tǒng)繼電保護裝置的優(yōu)化改進[J].礦業(yè)裝備，2018（6）：66-68.

作者：仇少雄 單位：潞安集團司馬煤業(yè)有限公司