矿井单相漏电保护系统研制

闫志强

(西山煤电集团有限公司，山西 太原 030053)

0 引 言

随着我国机械制造业水平的不断提高，各式各样的新技术、新型机电设备不断应用到煤矿综合生产系统中，矿井机械化程度得到了大幅提高。煤矿生产系统涉及到大量的大型机电设备，这些机电设备大部分处于煤矿井下工作面生产应用中，所处环境较为恶劣，受到大量粉尘影响以及采煤引起的冲击地压载荷等等影响，极易造成重大损失，因此，煤矿大型机电设备的安全可靠性是保障煤矿安全高效生产的必要条件[1-2]。目前，各大矿井逐渐向“智慧矿山”转型，煤矿通过无线电传播技术与井下设备及工人进行实时监控，确保井下工人及用电设备的安全生产[3]。

若井下带单相接地设备发生故障，且较长时间运行，会导致井下大面积停电，地面监控中心与井下工人及设备失联，甚至毁坏用电设备，给矿井带来巨大经济损失[4-5]。针对诸多煤企易发生的单相漏电及井上、井下通信问题[6]，采用最小二乘法，设计了一种矿井单相漏电保护系统，该系统主控CPU为DSP系统，可以实现单相漏电后信息的采集和处理。然后通过无线网络模块向云端平台上传故障信息，用作数据的处理及备份。最后，通过检修工人对数据进行分析，确定漏电检修方案。

1 漏电保护系统设计

1.1 总体系统设计方案

此次矿井单相漏电保护系统的设计主要由问题设备漏电终端选线、OneNet数据处理云平台和井上监控中心进行监控三部分组成，系统设计方案如图1。

图1 矿井单相漏电保护系统的设计方案

由图1可知，本系统主控CPU处理器为TMS320C6748DSP型号，基于最小二乘法进行井下采集数据的处理，依据此算法得出的参数判别故障位置，并立即终断漏电线路，解除故障。然后将运算结果通过代码为ESP8266的无线WIFI网络上传至OneNet云平台。云平台可储存处理后的数据，井上主控中心可通过电子设备登录云平台，对数据进行查看。最后反馈给修理人员，对故障点进行检修，确保可及时有效的恢复井下供电，并排除供电设备隐患。

1.2 漏电选线算法

基于最小二乘法算法设计，此系统将采集到的零序电压、电流离散化，以单相漏电数学模型进行算法求解，确定对地绝缘电阻及对地分布电容序列，并求解其平均值。设定识别的对地参数为正时，代表支路正常；识别的对地参数为负时，代表支路漏电，以此来判定支路漏电与否。该选线算法适合于连续性选线，且电流信号为稳态信号的情况，可靠性较高。

2 漏电保护系统硬件和软件设计

2.1 漏电保护系统硬件设计

(1) 信号调理电路设计

图2所示为零序电压信号调理电路设计，电压互感器选用 ZM-PT120/1V，通过滤除高次谐波，避免其对信号的扰乱。R10～R12与TL082的作用为保持电压和隔离信号的作用，D1和D2作用为限幅，以保护DSP运行正常。

图2 零序电压信号调理电路设计

图3所示为零序电流信号调理电路设计，采用HS10-10A-P电流互感器采集三相电流，相比零序电流互感器具有更高测量精度。 R1～R3的作用为转变三相电流信号为电压信号，TL082的作用为将所得的电压信号进行叠加计算后得出零序电流信号。

(2) 无线WiFi 网络模块外围电路设计

图4为WiFi网络模块外围电路设计图，其主芯片使用被广泛应用的ESP8266芯片，主要通过UART 口与 DSP相连，不仅可以建立独立服务器，还可以兼容外部设备的访问。TXD 与 RXD的作用是与 DSP 接收、发送端连接，实现ESP8266 模块与 DSP 的互通。

图3 零序电流信号调理电路设计

图4 WiFi网络模块外围电路设计图

2.2 漏电保护系统软件设计

(1) 井下漏电保护软件设计。图5为漏电终端选线程序流程图，井下漏电保护软件设计主要解决的问题是如何判断供电设备发生单相漏电故障并选出漏电线路的主程序，该设计通过上述漏电保护系统硬件系统设计，根据最小二乘法的算法计算可实现。

图5 漏电终端选线程序流程图

采集井下电气设备的电压、电流信号通过零序电压信号调理电路和零序电流信号调理电路的处理后，转换为0～3 V程序可识别的模拟量，再通过式(1)A/D 转码运算后，得出修理工人可以识别的数字量：

(1)

(2) 无线WiFi 网络模块与云平台OneNet通信设计。无线WiFi 网络模块与云平台OneNet之间的通信交流主要通过 HTTP 协议和EDP 协议实现。EDP 协议是一种支持数据上传的长链接协议，HTTP 协议可以组成API通信，实现双向通信的通信方式，不仅可以将采集的信息上传，而且可以下达下一步的命令。 ESP8266 无线网络模块通过AT 指令作为其程序指令，编写代码时需在命令代码尾部加上“ ”，才能有效执行该命令。

(3) 井上监控中心软件设计。OneNet云平台是中国移动建立的一种具有开放性的物联网自主开发性平台，可在不同行业中运用。当今我国煤炭发展趋势，是在全矿井建立物联网进行高精度、低劳动密度的网络化管理，将物联网引入煤炭行业，可实现本次矿井单向漏电保护系统的设计。通讯设备可以通过该网络将井下采集接收及处理的数据上传至OneNet云平台，实现数据的存储及利用。OneNet云平台支持三种通信手段，分别为：WiFi 无线通信方式、以特网通信方式和2.5G无线服务技术。井上监控中心可以使用平板、电脑和手机注册并登陆OneNet云平台，读取已被存储的有用数据，及时切断问题电路，并寻找专业检修人员对故障设备进行检修等工作。同时，可以设计监控程序，对井下用电线路进行实时监控，实现井上监控中心对井下用电线路使用状况的掌握。

随着物联网技术在煤矿中的推广，利用无线WIFI网络模块与OneNet开放云平台相结合的技术，应用于井下漏电系统的保护设计中，将是未来发展的重要趋势。

3 实践效果

将本次研发的矿井单相漏电保护系统应用于西山煤电下属矿井，得到了良好的应用效果。不仅实现了井下电路的实时监管，将监控得到的电路信息，分类汇总到云平台，供工作人员的参考、查询，而且若井下电路发生异常时，矿方可通过远程监控中心进行远程切断电路，及时解决井下电路问题。矿井自使用该系统以来，未发生单相漏电事故，极大的保障了井下电路的安全作业，给矿方间接带来了较大的经济效益。

4 结 语

针对煤矿企业易发生的单相漏电等问题，采用最小二乘法，设计了一种矿井单相漏电保护系统。该系统可以对井下用电线路进行实时监控，实现井上监控中心对井下用电线路使用状况的掌握。并且，井上监控中心的工作人员可以通过OneNet云平台，读取已被存储的电路数据，及时做出应对措施。自西山煤电下属矿井应用该系统以来，未发生单相漏电事故，极大的保障了井下电路的安全作业。