矿用低压馈电开关保护技术分析及应用方案设计

2018-11-28郑艳红

机械管理开发 2018年11期

郑艳红

（大同煤矿集团机电装备科工安全仪器有限责任公司，山西大同 037000）

引言

馈电开关是井下低压供电系统的重要电气设备，可实现对井下电网的故障检测与保护，保障矿井低压供电的安全性。而传统馈电开关故障保护具有响应速度慢、可靠性和稳定性差等问题，随着井下电压等级、设备容量及工作安全性等要求的提升，传统馈电开关保护技术对井下低压用电安全构成较大威胁[1]。因此，开展矿用低压馈电开关保护技术分析及应用方案设计十分必要。

1 矿用低压馈电开关保护技术现状分析

近年来，随着科技的发展与进步，运用各种新理论和新技术提高了馈电开关的保护能力。其中，采用神经网络技术提高故障诊断效果已成为馈电保护技术发展的重要方向[2]。

1）在馈电开关信号采样方面。目前压缩传感采样技术应用较为成熟，该技术利用固定的结构函数以两倍关系对连续信号进行采集。相比于传统的采样方法，该方法所需要的传感器和采集数据冗余度相对较少。将压缩感知采集技术应用到馈电开关保护技术中，可增加保护系统的保护性能，实现了传统数据采集的技术突破。

2）抗干扰方面。由于煤矿井下环境恶劣且干扰信号多，造成了矿用低压馈电开关保护装置发生较为明显的误动现象。因此，需要提高保护装置的电磁兼容性，保证装置即使在受到外界电磁干扰情况下，也能够正常进行保护工作；同时，保证装置自身产生的电磁干扰信号不对其他设备的正常工作造成一定影响，以保障系统功能够正常运行。保护系统较强的抗干扰能力，保证了系统正常工作的连续性，降低了设备失效或误导造成的损失[3]。

因此，随着技术的进步与快速发展，综合国内外保护技术发展现状，将数字化、智能化、网络化、抗干扰性等技术应用到煤矿供电保护系统中已成为未来发展趋势，先进理论与保护装置设计的有效结合设计出性能更好的保护设备。

2 矿用低压馈电开关保护装置基本要求

根据《煤矿安全规程》规定，煤矿井下低压馈电线路上必须安装漏电保护装置[4]。因此，为保证供配电系统在井下恶劣环境下的正常工作，对馈电开关保护装置做了如下基本要求：

1）安全性。馈电开关保护装置主要是为了保证井下环境与人员的安全。因此，将安全因素作为衡量馈电开关是否合格的重要标准。在该装置设计过程中，保护装置应具有较好的速动性，保证人员具有较短的触电电流及触电时间。

2）功能全面。在矿用馈电开关保护系统设计过程中，应对系统进行过载、漏电、短路、断相等保护功能设计。

3）可靠性。可靠性是指保护系统在其保护范围内发生接地故障时，该装置可以发出瞬时动作以避开故障线路；而在其他情况下则不发出动作。同时，要求保护器应具有良好的抗干扰能力，在外部干扰的影响下能做到不误动、不拒动等功能，保证自身结构的完整性。

4）选择性。在煤矿井下供电网络中，将漏电闭锁功能和选择性漏电保护功能结合使用，通过减小停电范围，对故障点所在的电路进行准确判断，以保护装置的完整性。

5）快速反应性。根据30 mA·s的安全指标和柯奥西扑卡公式t=30/IR（式中，t为人触电时间，IR为人触电电流）可知，在不同电压等级情况下，可计算出人身体的最大允许触电电流及最大允许触电时间，如下页表1所示。在设计过程中，应保证保护动作的反应时间不大于最大允许触电时间。

表1 不同电压等级下最大允许触电电流与最大允许触电时间值

3 馈电开关保护技术应用方案设计

3.1 系统功能分析

在系统设计过程中，将馈电开关保护装置安装在电网的馈电开关防爆腔内，通过控制断路器，实现系统电路的通电与断电，达到保护电路的目的[5]。结合生产现场，按照电气原理图，将各设备仪器进行连接，其关键设备及电气连接图如图1所示。该系统的功能结构主要由电源模块、信号预处理模块、保护其核心模块、电网参数信号采集转换模块、继电保护输出及其他各类模块组成，具体如图2所示。

图1 馈电开关保护系统关键设备及连接图

图2 系统功能结构组成图

在保护系统设计过程中，对整套系统进行了故障保护设计，其故障保护过程流程图如图3所示。在该故障保护过程中，通过互感器对电网故障信号进行采集，并将处理好的信号通过信号处理电路传送至保护器，完成对信号的故障处理与判断，利用驱动继电器控制断路器跳闸原理，实现系统故障保护。

3.2 系统硬件设计

该系统的硬件设计，以单片机技术为基础，采用高性能的32位ARM嵌入式处理器STM32F103RB芯片设计，具有采样电路简单、性能高等特点[6]。该系统硬件的结构主要由电源模块设计、通信模块设计、采样信号处理电路设计、液晶显示模块设计、开关量输入输出电路设计等部分组成，其系统硬件结构设计框如图4所示。其中，系统的电源模块是系统硬件中的关键部分，因此，在设计过程中，电源模块考虑了不同等级的电压和系统抗干扰措施。

图3 系统故障保护过程流程图

图4 系统硬件设计框架图

3.3 系统软件设计

馈电开关保护系统采用功能较多的移植开源μC/OS—Ⅱ嵌入式操作系统。该系统功能通过对操作系统的选择与裁剪，根据任务模块内容，完成系统功能的划分及功能程序编写。因此，该系统软件设计以系统硬件设计为基础，主要程序主要由数据计算处理、保护功能判断与输出、逻辑判断、各类管理、人机操作等，软件系统设计框架如图5所示。该系统软件主要由系统任务、系统内核、中断服务程序、驱动程序、BSP等部分组成，在其设计过程中，需要完成操作系统的移植、任务的设计、应用程序及中断服务函数编写等内容。