戴晶晶

（同煤機(jī)電裝備有限公司，山西大同 037305）

0 引言

隨著煤礦自動(dòng)化程度的提高，對(duì)供電系統(tǒng)的安全性與可靠性的要求也越來越高［1］。礦用高壓開關(guān)柜一般用于井下停車場(chǎng)和主通風(fēng)機(jī)硐室，負(fù)責(zé)向機(jī)械通電設(shè)備分配電能［2］。煤礦高壓開關(guān)柜作為供電系統(tǒng)中的一個(gè)重要設(shè)備，其工作的穩(wěn)定性將直接關(guān)系到井下工作面生產(chǎn)的效率與工人的生命安全［3］。需要實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)高壓開關(guān)柜的運(yùn)行參數(shù)，防止柜內(nèi)熱量無法散發(fā)，溫度長(zhǎng)時(shí)間升高，最終引發(fā)火災(zāi)等事故［4］。因此，本文為保障煤礦供電系統(tǒng)的穩(wěn)定性與安全性，針對(duì)井下的高壓開關(guān)柜設(shè)計(jì)了一種嵌入式保護(hù)系統(tǒng)。

1 高壓開關(guān)柜故障分析與方案設(shè)計(jì)

高壓開關(guān)柜一般由母線、絕緣子、載流導(dǎo)體、測(cè)量設(shè)備、控制設(shè)備與保護(hù)設(shè)備等組成，并安裝于一個(gè)封閉或敞開的金屬柜中。按照安裝方式，高壓開關(guān)柜可分為固定式和移動(dòng)式兩種，其中固定式開關(guān)柜的斷路器相對(duì)固定，體積較大，檢修時(shí)需要進(jìn)入柜內(nèi)，移動(dòng)式開關(guān)柜的斷路器可移動(dòng)，尺寸較小，維修時(shí)可將斷路移動(dòng)到柜外。本文所設(shè)計(jì)的保護(hù)系統(tǒng)針對(duì)移動(dòng)式高壓開關(guān)柜［5-6］。

1.1 高壓開關(guān)柜故障分析

高壓開關(guān)柜發(fā)生故障的主要原因是由于開關(guān)柜中元件發(fā)生物理化學(xué)反應(yīng)導(dǎo)致［7］。根據(jù)工程實(shí)際情況，高壓開關(guān)柜的故障類型大致有4 種：載流故障、絕緣故障、機(jī)械故障與斷開故障。其中載流故障是由于斷路器與母線連接處接觸不良，導(dǎo)致局部溫度升高，觸頭燒壞；絕緣故障是由于絕緣子的材料老化，無法繼續(xù)起到絕緣；斷開故障是由于斷路器在斷開后，仍有一定的電氣導(dǎo)通，破壞了滅弧裝置；機(jī)械故障是指斷路器與接觸器等功能器件無法執(zhí)行命令操作的故障。

煤礦高壓開關(guān)柜的柜體封閉，在工作過程中會(huì)產(chǎn)生大量熱量，加速設(shè)備老化，因此元件發(fā)熱，柜內(nèi)溫度過高是造成高壓開關(guān)柜故障的首要原因。電路短路會(huì)造成電流沖擊現(xiàn)象，溫度突增，對(duì)母線造成損壞，加速元件老化，形成不良的惡行循環(huán)，最終導(dǎo)致危險(xiǎn)事故的發(fā)生。

1.2 保護(hù)系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

煤礦高壓開關(guān)柜保護(hù)系統(tǒng)需要滿足3 個(gè)要求：（1）信號(hào)傳輸穩(wěn)定，煤礦井下環(huán)境復(fù)雜，高壓開關(guān)柜的體積小且封閉，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃愿摺⒖垢蓴_性強(qiáng)；（2）絕緣性能較好，高壓開關(guān)柜的電壓等級(jí)較高，為了使保護(hù)系統(tǒng)各模塊穩(wěn)定運(yùn)行，其絕緣性需達(dá)到國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)計(jì)要求；（3）

供電簡(jiǎn)單，高壓開關(guān)柜的體積較小，高壓開關(guān)柜輸送的電源為高壓交流電，保護(hù)系統(tǒng)需要的電源為低壓直流電，所以系統(tǒng)的供電裝置要簡(jiǎn)單可靠，安裝方便。

本文設(shè)計(jì)的煤礦高壓開關(guān)柜保護(hù)系統(tǒng)的工作原理如圖1所示，系統(tǒng)包括信號(hào)采集模塊、嵌入式處理器模塊、信號(hào)傳輸模塊和故障報(bào)警模塊。信號(hào)采集模塊主要由電壓、電流與溫度傳感器組成，將信號(hào)轉(zhuǎn)換后傳輸?shù)教幚砥髂K。處理器模塊對(duì)監(jiān)測(cè)到的數(shù)據(jù)分析與計(jì)算，判斷設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，并將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。信號(hào)傳輸模塊將處理器中的數(shù)據(jù)傳輸?shù)骄系纳衔粰C(jī)中，以供工作人員查看與巡視。在高壓開關(guān)柜發(fā)生故障后，故障報(bào)警模塊負(fù)責(zé)切斷母線、停止開關(guān)柜工作，并啟動(dòng)蜂鳴器報(bào)警。

圖1 保護(hù)系統(tǒng)工作原理圖

2 保護(hù)系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

保護(hù)系統(tǒng)選用基于ARM 的32 位STM32F103C 8T6微處理器，其程序存儲(chǔ)器為64 kB，工作電壓為2～3.6 V。STM32F103C8T6微處理器環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)，具有大量的外部設(shè)備，包括7個(gè)計(jì)時(shí)器、2個(gè)SPI 接口與3 個(gè)USART 接口等，具有較好的人機(jī)交互功能［8］。保護(hù)系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)如圖2 所示，包括主處理器STM32F103C8T6，系統(tǒng)電源模塊、時(shí)鐘電路、存儲(chǔ)電路、JTAG電路、報(bào)警電路與復(fù)位電路等。

圖2 保護(hù)系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.2 信號(hào)采集模塊設(shè)計(jì)

本文采用數(shù)字式的電壓、電流和溫度傳感器對(duì)高壓開關(guān)柜的工作信號(hào)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，提高系統(tǒng)的抗干擾性，避免井下環(huán)境影響數(shù)據(jù)采集的準(zhǔn)確性。高壓開關(guān)柜內(nèi)的溫度檢測(cè)是判斷是否故障的主要依據(jù)，柜內(nèi)電壓與電流信號(hào)的監(jiān)測(cè)為了判斷故障發(fā)生的位置與原因，方便維修。由于供電系統(tǒng)電壓與電流過大，本文通過監(jiān)測(cè)互感器兩側(cè)的電壓與電流值來間接計(jì)算母線處的實(shí)際電壓、電流值。

本文選用的溫度傳感器為DS18B20 數(shù)字式溫度傳感器，其工作原理是：溫度變化會(huì)導(dǎo)致振蕩器元件的頻率發(fā)生變化，通過頻率與溫度之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系來計(jì)算出被測(cè)設(shè)備的溫度。DS18B20溫度傳感器可測(cè)量-55 ～125 ℃的溫度，測(cè)量溫度的分辨率可精確到0.06 ℃，并且其擴(kuò)展編碼可達(dá)16 位數(shù)。DS18B20溫度傳感器的工作電源既可以單獨(dú)供給，也可以利用處理器芯片直接供電。

本文選用的電流傳感器為霍爾式傳感器，利用半導(dǎo)體材料的磁敏物理特性，通過測(cè)量得到的磁感應(yīng)強(qiáng)度，計(jì)算出電路中的電流值。電流傳感器的具體型號(hào)為WCS2705，可測(cè)量-5 ～5 A的電流范圍，供電電源的電壓范圍為3 ～12 V。本文選用的電壓傳感器為ZMPT101B 型號(hào)，可將被測(cè)交流電壓依照一定的線性比例轉(zhuǎn)換為直流電壓，該傳感器可測(cè)量的最大電壓為250 V，電源供電電壓為5 V。

2.3 保護(hù)電路設(shè)計(jì)

高壓開關(guān)柜中溫度升高的主要原因?yàn)殡娐范搪吩斐傻碾娏鬟^大，本文針對(duì)系統(tǒng)的過流保護(hù)電路進(jìn)行了設(shè)計(jì)，當(dāng)處理器檢測(cè)到被測(cè)電路中的電流超過設(shè)定闕值時(shí)，STM32F103C8T6處理器將切斷母線的電源，避免高壓開關(guān)柜中的元件燒毀，本文設(shè)計(jì)的電路圖如圖3 所示。過流保護(hù)電路利用4584型號(hào)的施密特觸發(fā)器，當(dāng)電流超過給定值時(shí)，比較放大器輸出信號(hào)，關(guān)閉電源輸入。

圖3 系統(tǒng)過流保護(hù)電路設(shè)計(jì)

3 保護(hù)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

高壓開關(guān)柜保護(hù)系統(tǒng)的軟件采用模塊化編輯的方式，各子程序通過主程序連接起來，實(shí)現(xiàn)整體保護(hù)功能。系統(tǒng)的主程序流程圖如圖4 所示，系統(tǒng)啟動(dòng)后，首先初始化系統(tǒng)，開啟各數(shù)據(jù)傳輸通道，進(jìn)行信號(hào)采集。各信號(hào)經(jīng)過數(shù)據(jù)處理傳輸?shù)教幚砥髦?，?jīng)過計(jì)算分析，與設(shè)定闕值比較，判斷系統(tǒng)是否故障。當(dāng)開關(guān)柜發(fā)生故障后，系統(tǒng)蜂鳴器報(bào)警，保護(hù)電路切斷開關(guān)柜母線電源，等待檢修人員維修處理。

圖4 系統(tǒng)軟件主程序流程圖

4 結(jié)束語

本文針對(duì)煤礦井下高壓開關(guān)柜設(shè)計(jì)了一種嵌入式的保護(hù)系統(tǒng)，具有體積小，價(jià)格便宜，工作安全可靠的優(yōu)點(diǎn)，保障高壓開關(guān)柜的運(yùn)行安全，可為煤礦機(jī)電設(shè)備穩(wěn)定、高效的供電。