煤矿高压开关保护系统优化设计

2020-02-25卢宏

机电工程技术 2020年1期

卢宏

（阳煤集团一矿，山西阳泉 045000）

0 引言

煤矿井下移动变电站是联系煤矿井下中央变电站和采煤设备的重要设备，将中央变电站的电压等级降低为综采设备可以使用的电压等级。移动变电站的高压真空开关既有故障诊断的功能，又有故障处理的功能，但是由于煤矿井下条件恶劣、工作环境差，井下用电设备漏电、短路、断相等故障经常发生。本文以stm32f103单片机为核心，对煤矿高压开关保护系统进行优化设计，在分析煤矿供电系统常见故障及故障原因的基础上，确定保护实现方法，介绍主要硬件电路设计方案及软件实现方法，提升煤矿高压开关保护系统的选择性和可靠性[1]。

1 煤矿供电系统结构

图1 煤矿供电系统结构图

煤矿供电系统结构如图1所示，包括外部电源接入、煤矿地面变电站、井下中央变电站、采取变电所和工作面配电站等部分组成[2-4]。地面变电所中包含煤矿供电系统的主变压器，可以接入外部10 kV或者35 kV等级电压。外部电能经过地面变电所的降压处理后，输送到煤矿井下中央变电所，进行电能的分配。煤矿移动变电站是煤矿供电系统中降压处理的最后环节，输出电压等级为660 V或380 V低压电，供给煤矿井下综采设备、负荷使用。

2 煤矿供电系统故障分析

2.1 短路保护原理

短路故障是煤矿供电系统中常见故障之一，当线路中出现短路故障，电路中的电流急剧增加，导致电缆温度升高、煤矿井下发生火灾。因此，对于煤矿供电系统中的短路故障，需要及时切除故障，这对电力系统速断保护的快速性有很高的要求[5-6]。图2为故障点短路电流与线路长度关系图。由电路原理可知，线路中的短路电流随距离的增加而变小，靠近发电机侧的短路电流最大。

图2 故障点短路电流与线路长度关系

图3 最小系统原理图

2.2 短路保护故障分析

在不同的短路故障类型中，最大运行方式下的三相短路电流在短路电流中的电流值最大，最小运行方式下的两相短路电流在短路电流中的电流值最小。因此，在保护开关处的电流整定值按照躲过下一线路的最大线路三相短路电流进行整定，并取一定的可靠系数，保障故障切除的可靠性和速断性。

3 硬件电路设计

3.1 主控制器选型

主控芯片选型为stm32f系列单片机，该芯片由意法半导体公司出品，属于32位低端ARM控制器，可以满足煤矿高压开关保护的需求。芯片内部集成2个12位的模数转换器，可以对0～3.6 V区间内的模拟量输入电压进行转换、存储和处理。

3.2 最小系统电路

stm32单片机的最小系统原理图如图3所示。VBAT引脚接外部3.3 V电源；VDD_1、VDD_2、VDD_3、VDDA引脚经过104电容接地；VSS_1、VSS_2、VSS_3、VSSA引脚直接接地。在外接晶振电路中，并联2个20PF的电容，晶振数值为8 MHz，可以为芯片提供精准的时钟源信号。

3.3 电压采集电路

高压开关的保护系统中，需要对高压开关线路中的电压、电流参数进行采集与分析。在数据采集系统中，电网中的高电压（强电流）信号通过电压互感器（电流互感器）转换成低电压等级信号（小电流信号）。经过光电隔离单元和信号调理电路后，进入stm32单片机的模拟量采集引脚。

以线路中的a、b两相之间的线电压Uab采集为例，电压采集电路如图4所示，模拟量输入信号的数值范围是-5～+5 V。在电压采集电路中，需要增加低频滤波电路，抑制高频信号对单片机数据采集的影响。D1为瞬态抑制二极管，最大承受电压为+8 V，当电路中出现冲击电压时，D1可以保护后面的元器件不受干扰。

图4 电压采集电路

3.4 测温电路设计

本系统中的测温电路选用PT100高精度测温电路，测温电路如图5所示。为了增加温度测量的适用性，采用三线制的PT100测温传感器。外界气温没变化1℃，铂电阻的阻值变化0.39 Ω。因此，电路中的电阻选用精度为0.1%的高精度电阻，减少电路电阻对温度测量的影响。R2、R3、R4与PT100组成电桥电路，REF3030为电桥电路提供标准的3.00 V电压，运用差分放大器对电桥压差进行放大。

图5 PT100铂电阻测温电路

3.5 通讯电路设计

为了方便煤矿高压开关状态监测数据的传输，采用RS-485通讯协议进行数据通讯，传输距离最大可达1.2 km，传输速度最大为10 Mbps。现场采集的电压、电流、温度数据通讯线上传给煤矿中央变电所进行备份。RS-485通讯模块的电路设计如图6所示。

图6 RS-485通讯模块

4 控制器软件设计

4.1 故障判断处理程序

图7 故障处理流程图

煤矿高压开关的保护系统具有故障诊断及故障处理的功能，图7为针对越级跳闸故障的诊断及故障处理流程图。程序上电后，首先进行电压、电流、温度参数的采集，将采集的数据与设定值进行比较，确定现场采集数据是否在设定区间内。如不满足，启动短路保护，发出闭锁信号，关闭放越级跳闸措施，并等待下一级线路的闭锁信号。等待一定延时后，仍然没有收到下一级线路的闭锁信号，则默认短路故障出现在本线路中，本线路中的高压开关断开。通过RS-485信号发送数据。