煤矿馈电开关保护系统的优化设计

申 鹏

(山西天地王坡煤业有限公司，山西 晋城 048021)

馈电开关保护系统作为井下电网中的重要组成部分，负责电网中各电气设备的故障诊断和保护。然而，由于井下环境的恶劣性及相关设备经常处于超负荷状态，加上煤矿开采深度的不断加深，导致井下电网在运行过程中经常出现短路、漏电、欠压等故障现象，严重影响着井下电网的运行安全。因此，有必要对现有电网保护系统进行优化。

1 国内馈电开关保护系统研究现状分析

目前，国内的井下电网主要采用变电站加放射式进行设备供电，其供电系统中主要由配电装置、变压器、馈电开关等组成，其中，馈电开关是保证电网安全运行的核心器件。井下电网在供电保护中，对电网主要进行漏电保护、短路保护、欠压保护，其中，漏电保护主要采用零序电流最大法，零序功率方向法等方法，在控制方式上，也主要采用PLC进行控制；但在实际运行中，经常存在故障响应速度较慢、检测精度较低、系统运行性能不稳定等问题。随着科学技术的不断发展，功能更加齐全的保护系统也逐渐得到开发应用。目前，诸多学者已将神经网络技术应用到了保护系统中，同时，在信号采集方面，压缩传感技术也得到了应用，由此大大提高了保护系统的自适应和故障响应速度，但目前这些高性能的算法尚未完全在保护系统中进行应用，对其进行大面积推广仍需一定的时间。因此，不断加大对井下电网中馈电开关保护系统的性能提升，实现保护系统的智能化、自动化、网络化程度，已成为当下供电领域发展的重要方向。

2 馈电保护系统的主要功能要求

根据《煤矿安全规程 》要求，为保证井下电网的正常、安全运行，所设计的馈电开关保护系统需具备一定的功能特点，方可在井下进行应用。其主要功能要求为：

1) 电网保护系统需能对井下电网中的漏电、短路、欠压、过流、高温等故障现象进行实时的、多功能的诊断检测，并根据不同的故障类型，发出相应的控制命令，并迅速切断电路。

2) 由于井下环境的恶劣性，经常存在侵水、电缆磨损等现象。因此，要求保护系统需具有较高的可靠性和性能稳定性，且能有效对井下的相关干扰信号进行屏蔽，保证保护系统在干扰信号影响下不被干扰或信号破坏。

3) 由于电缆发生故障现象时，其事故的蔓延速度相对较快。因此，保护系统需能对故障事故进行快速响应，且故障检测精度也需较高，以此来及时对电网故障进行有效控制。

4) 由于井下电网线路相对较多，当某电缆发生故障现象时，保护系统可对故障发生的位置进行准确定位，并做出相应的故障解决措施。

3 馈电开关保护系统的优化

3.1 总体方案设计

结合现有馈电开关保护系统的现状及功能特点，在现有馈电开关保护系统基础上，对其进行了总体方案优化。该方案包括硬件系统中的各类传感器、电源模块、数据信号采集模块、故障诊断模块、通讯模块及软件控制程序等，其总体结构框架如图1所示。该保护系统的工作原理为：前端的电压、电流互感器首先对井下电网中的相关电信号进行检测，通过信号处理汇总，传输至控制内核中进行A/D数据转换和相关算法的运算，将计算结果与设置的理论值进行对比判断后，最终执行相关命令操作，主要包括两路：当发生故障时，一路通过对继电器发出切断开关电源的命令，实现对井下电网电路的切断保护控制；另一路为当发生故障时，保护系统及时发出对应故障类型的报警提示，并在液晶显示屏上进行实时显示，同时，将相关的故障信号进行保存记录。由此，完成整个井下电网的电路保护。

图1 馈电开关保护系统总体方案框架

3.2 硬件系统设计

保护系统的硬件部分主要包括各类电流、电压传感器、温度传感器、互感器、继电器、处理器、A/D转换器等，硬件系统的总体框架原理如图2所示。其中，处理器采用了32位的ARM嵌入式处理器，同时，在其内部增设了3个A/D数字信号转换器，有效代替了外部单独设置数据转换器，简化了系统设计。另外，由于系统中各电器元件所需电压平台各不相同，为满足其使用需求，在电源模块设计过程中，采用了多种规格的稳压芯片，配备性能较好的降噪部件，有效结合电感、电容等元气件，对系统中的不同等级的电压进行了设计，其中，显示器的电压为5 V、控制芯片的电压为3.6 V、继电器的直流电压为24 V。该保护系统中各硬件之间的通讯则采用了RS-45通讯接口，可直接通过两根电线，快速完成各元器件之间的通讯连接。由此，完成了馈电开关保护系统的硬件系统设计。

图2 馈电开关硬件系统总体框架

3.3 软件系统设计

软件系统是馈电开关保护系统的控制部分，其结构组成主要包括内核、驱动程序、中断服务、BSP等；且整体具有较多的功能，主要功能包括采集数据的运算控制、程序输入、硬件系统的控制、操作系统的执行、逻辑判断、通讯控制等，其软件系统的总体结构框架如图3所示。综合考虑保护系统的硬件结构情况，在操作系统上，选用了μC/OS-Ⅱ嵌入式操作系统，根据该保护系统的实际功能需求，可在该操作系统中进行对应的功能筛选和匹配，并将保护系统根据功能的不同进行模块划分及相关程序的编写。同时，该软件系统中的BSP程序是实现应用程序和硬件系统的桥梁程序，主要负责对操作系统中各类访问程序的引导，系统可通过该程序实现对硬件系统的直接访问。因此，通过该软件系统，最终可实现对井下电网的故障检测和命令控制，由此，完成了该软件系统的总体框架设计。

图3 保护系统软件系统框架原理

4 馈电开关保护系统现场应用测试

为保证该系统能在井下供电系统中进行安全、有效的应用，需对其进行现场应用测试。但出于安全、经济效益等方面考虑，无法直接在井下测试。因此，选用了合适的变压器、互感器、继电器等设备，搭建了馈电开关保护系统测试的试验平台，通过该试验平台，对保护系统的漏电、短路、欠压等故障问题进行测试。通过模拟测试可知，该系统能针对电网中漏电、短路、欠压等故障现象发出相应的故障提示，并发出对应的切断电源命令，快速切换开关，保证了整个电网在发生故障问题时能实现自动切断保护的目的。整个测试过程中，该系统具有较快的响应速度，控制精度相对较高，与传统保护系统相比，保护功能更加齐全，整体保护性能更好。

5 结 语

提升井下电网馈电开关保护系统的保护性能，已成为保证电网安全运行的关键问题。本文结合现有井下电网保护系统的研究现状，对井下电网馈电开关保护系统进行了优化设计，并进行了模拟测试，结果表明，该保护系统各项功能运行正常，整体响应速度较快，控制精度较高，系统性能运行稳定，能满足当下井下电网的安全保护需求。为进一步开展保护系统的优化提供了参考。