童立凡

（同煤集團(tuán)煤峪口礦供電科， 山西 大同 037041）

引言

礦井供電系統(tǒng)的可靠性和安全性是保證工作面安全、高效生產(chǎn)的基礎(chǔ)。工作面供電包括低壓供電和高壓供電。其中，低壓供電的保護(hù)裝置主要依賴于饋電開(kāi)關(guān)的電氣設(shè)備。隨著工作面低壓電氣設(shè)備容量及電壓等級(jí)、工作面距離及供電距離的增加，傳統(tǒng)饋電保護(hù)裝置的可靠性和保護(hù)無(wú)法滿足實(shí)際生產(chǎn)的要求。因此，本文開(kāi)展關(guān)于煤礦供電饋電保護(hù)裝置的研究，旨在提升其可靠性、安全性和連續(xù)性。

1 饋電開(kāi)關(guān)保護(hù)裝置的總體設(shè)計(jì)

饋電開(kāi)關(guān)保護(hù)裝置主要針對(duì)低壓電網(wǎng)中的故障進(jìn)行檢測(cè)，并根據(jù)檢測(cè)結(jié)果對(duì)低壓電網(wǎng)進(jìn)行保護(hù)。鑒于綜采工作面生產(chǎn)環(huán)境惡劣，工作面電氣設(shè)備啟動(dòng)頻繁經(jīng)常會(huì)對(duì)電網(wǎng)造成沖擊，導(dǎo)致低壓電網(wǎng)常出現(xiàn)漏電、過(guò)流、過(guò)壓或者欠壓等故障[1]。為解決低壓電網(wǎng)的各類故障，對(duì)饋電開(kāi)關(guān)保護(hù)裝置的可靠性提出了更高的要求。

通常，饋電開(kāi)關(guān)保護(hù)裝置安裝于對(duì)應(yīng)饋電開(kāi)關(guān)的防爆腔內(nèi)，為保證工作面低壓電網(wǎng)的可靠性和安全性，要求饋電開(kāi)關(guān)保護(hù)裝置滿足如下功能：

1）要求饋電開(kāi)關(guān)保護(hù)裝置實(shí)現(xiàn)對(duì)低壓電網(wǎng)的故障保護(hù)，包括如圖1 所示的故障保護(hù)結(jié)構(gòu)?；诓蓸与娐吠ㄟ^(guò)獲取電路中互感器的參數(shù)信號(hào)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)檢測(cè)的功能，通過(guò)對(duì)所檢測(cè)到信號(hào)的分析得出對(duì)應(yīng)的故障類型，進(jìn)而達(dá)到實(shí)時(shí)保護(hù)的效果。此外，為提高故障保護(hù)的響應(yīng)特性，基于RS-485 總線實(shí)現(xiàn)信號(hào)的通訊。

2）要求饋電開(kāi)關(guān)保護(hù)裝置具有一定的靈活性，根據(jù)電氣設(shè)備使用工作環(huán)境的不同對(duì)其工作參數(shù)及保護(hù)功能進(jìn)行適應(yīng)性配置。具體表現(xiàn)為：饋電開(kāi)關(guān)保護(hù)裝置不僅應(yīng)用于低壓電網(wǎng)的總開(kāi)關(guān)處，還可應(yīng)用于電壓電網(wǎng)的分開(kāi)關(guān)處[2]。此外，要求饋電開(kāi)關(guān)保護(hù)裝置還可單獨(dú)應(yīng)用于電氣設(shè)備的電機(jī)保護(hù)。

圖1 饋電開(kāi)關(guān)保護(hù)裝置故障保護(hù)功能

3）要求饋電開(kāi)關(guān)保護(hù)裝置具有通訊功能，實(shí)現(xiàn)上位機(jī)與工作面互感器參數(shù)的實(shí)時(shí)通信，基于上位機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)工作面各處電氣裝置的集中管理和控制，在保證饋電開(kāi)關(guān)保護(hù)裝置工作效率的同時(shí)，提升其可靠性。

4）基于饋電開(kāi)關(guān)保護(hù)裝置的人機(jī)交互界面可實(shí)現(xiàn)用戶直接掌握電網(wǎng)參數(shù)和故障類型，并對(duì)故障進(jìn)行報(bào)警。用戶可通過(guò)人機(jī)交互界面設(shè)置參數(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)電網(wǎng)參數(shù)的控制。

在滿足上述功能要求的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)如圖2 所示的饋電開(kāi)關(guān)保護(hù)裝置。

2 饋電開(kāi)關(guān)保護(hù)裝置的詳細(xì)設(shè)計(jì)

2.1 饋電開(kāi)關(guān)保護(hù)裝置的硬件設(shè)計(jì)

鑒于綜采工作面生產(chǎn)環(huán)境的惡劣性以及設(shè)備眾多的因素，要求所設(shè)計(jì)的饋電開(kāi)關(guān)保護(hù)裝置的相關(guān)硬件在滿足基礎(chǔ)功能的要求外，還具有一定的抗干擾能力。

圖2 饋電開(kāi)關(guān)保護(hù)裝置結(jié)構(gòu)框圖

2.1.1 核心硬件的設(shè)計(jì)

選用ST 公司所研發(fā)的STM32F103RB 為饋電開(kāi)關(guān)保護(hù)裝置的核心控制器，并基于ST-Link 仿真器完成對(duì)控制器的調(diào)試任務(wù)，其中包括有JTAG 和SWD 的調(diào)試。

時(shí)鐘電路為饋電開(kāi)關(guān)保護(hù)裝置的關(guān)鍵，其主要為保護(hù)系統(tǒng)提供穩(wěn)定、準(zhǔn)確的控制源[3]。時(shí)鐘電路分為主時(shí)鐘和實(shí)時(shí)時(shí)鐘，且時(shí)鐘的關(guān)鍵在于其晶振和負(fù)載電容的選擇。對(duì)于主時(shí)鐘而言，一般要求晶振為8 MHz，對(duì)應(yīng)的負(fù)載電容為22 pF；對(duì)于實(shí)時(shí)時(shí)鐘而言，要求晶振大小為32.76 kHz，對(duì)應(yīng)負(fù)載電容為6 pF。

2.1.2 功能模塊的設(shè)計(jì)

針對(duì)饋電開(kāi)關(guān)保護(hù)裝置的功能要求，需為其配置信號(hào)預(yù)處理模塊、液晶顯示模塊、電源模塊、通信電路模塊、測(cè)溫模塊等。

信號(hào)預(yù)處理模塊的功能通過(guò)為其配置信號(hào)處理電路包括有絕緣電阻信號(hào)處理電路、零序電流處理電路和零序電壓處理電路，并基于上述電路和各類互感器所采集的電信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理。鑒于篇幅有限，此處不對(duì)處理電路進(jìn)行一一列舉。

液晶顯示模塊為用戶實(shí)時(shí)獲取電網(wǎng)參數(shù)并對(duì)參數(shù)進(jìn)行控制的直接界面，本系統(tǒng)采用RT12864M-1液晶顯示模塊。

測(cè)溫模塊主要用于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)工作環(huán)境的溫度，為核心控制器得出控制指令提供參考。本方案選用PT100 測(cè)溫傳感器監(jiān)測(cè)現(xiàn)場(chǎng)溫度。

2.2 饋電開(kāi)關(guān)保護(hù)裝置的軟件設(shè)計(jì)

硬件為饋電開(kāi)關(guān)保護(hù)裝置發(fā)揮功能的基礎(chǔ)，而軟件為硬件功能實(shí)現(xiàn)的根本。本方案采用μC/OS-Ⅱ嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)完成對(duì)保護(hù)裝置硬件的控制[5]。根據(jù)保護(hù)裝置所執(zhí)行任務(wù)的優(yōu)先等級(jí)，按照先后次序排列如下：故障判斷→故障處理→數(shù)據(jù)處理→485通信→人機(jī)交互→參數(shù)測(cè)量→自檢→試驗(yàn)。本節(jié)以保護(hù)裝置的漏電保護(hù)功能為例，編制如圖3 所示的程序流程圖。

3 饋電開(kāi)關(guān)保護(hù)裝置的應(yīng)用

為驗(yàn)證本文所研究設(shè)計(jì)的饋電開(kāi)關(guān)保護(hù)裝置對(duì)電網(wǎng)參數(shù)保護(hù)的效果，本節(jié)以對(duì)工作面電氣設(shè)備過(guò)壓和欠壓保護(hù)為例開(kāi)展試驗(yàn)研究。根據(jù)《煤炭安全規(guī)程》的相關(guān)規(guī)定，要求饋電開(kāi)關(guān)保護(hù)裝置當(dāng)實(shí)測(cè)電壓值為額定電壓值的75%～110%時(shí)仍能夠可靠、穩(wěn)定運(yùn)行。對(duì)于過(guò)電壓保護(hù)而言，當(dāng)電壓值大于額定電壓值的110%時(shí)，饋電開(kāi)關(guān)保護(hù)裝置的延時(shí)時(shí)長(zhǎng)為3 s。經(jīng)試驗(yàn)得出如表1 所示的結(jié)論。

圖3 保護(hù)裝置漏電保護(hù)功能實(shí)現(xiàn)程序流程圖

表1 饋電開(kāi)關(guān)保護(hù)裝置試驗(yàn)效果

如表1 所示，當(dāng)電網(wǎng)出現(xiàn)欠壓或者過(guò)壓現(xiàn)象時(shí)，基于饋電開(kāi)關(guān)保護(hù)裝置能夠按照設(shè)定電壓值和延時(shí)時(shí)長(zhǎng)對(duì)電網(wǎng)進(jìn)行保護(hù)，且控制誤差較小。

4 結(jié)論

1）選用ST 公司所研發(fā)的STM32F103RB 為饋電開(kāi)關(guān)保護(hù)裝置的核心控制器，并為時(shí)鐘電路選用最佳晶振和負(fù)載電容；

2）饋電開(kāi)關(guān)保護(hù)裝置按照任務(wù)優(yōu)先等級(jí)完成其漏電保護(hù)功能的實(shí)現(xiàn)；

3）經(jīng)試驗(yàn)，饋電開(kāi)關(guān)保護(hù)裝置能夠按照設(shè)定電壓值和延時(shí)時(shí)長(zhǎng)對(duì)電網(wǎng)進(jìn)行保護(hù)，其控制誤差較小。