煤矿井下高压防爆开关控制器优化设计

牛维强

（西山煤电西曲矿， 山西 古交 030200）

引言

随着我国煤矿开采规模的不断扩大，煤矿井下电力系统供电距离不断延长，用电负荷不断增大，原有的6 kV的供电系统不能满足用电要求，具体表现为用电负载电压下降，为了解决这一问题，生产中可增加供电线路回数或增大线路容量，但是会带来投资增加和空间压缩等新问题。新建或升级改造的中小煤矿可采取10 kV供电系统，一是增大了供电能力，二是适用于新设备。10 kV供电系统的供电能力是6 kV供电系统的将近三倍，是目前中小煤矿供电系统的最佳选择。供电系统的改造不仅涉及到电压等级，原先相配套的保护系统也应进行升级改造，以适应新的供电系统保护要求。

1 控制器设计原理

1）漏电保护。煤矿井下输电线路多用电缆，由于井下环境复杂，电缆供电线路表皮容易破损，导致单相漏电故障发生，如不及时将故障切除，极易引发人员触电或电气雷管误爆等重大事故。本控制器针对零序电流漏电保护和零序功率方向型漏电保护设计，实现选择性故障切除，非故障线路能够继续运行，减小了事故影响范围。

2）电流保护。电流保护包括过载保护和短路保护，过载保护是基于电机运行的允许温升确定的，为了使电机在一定温度范围内工作，线路上的电流不允许长期超过电机的额定电流。短路故障采取电流速断保护，当电流幅值超过一定值时动作，电机正常启动时电流较大，因此需区别电机的启动电流和短路电流。采取“相敏保护”原理，当电流的幅值超过正常运行的电流幅值时，判断电压的相位，计算其功率因数，当功率因数高时判断为短路电流，功率因数低时判断为启动电流[1-2]。

3）高低压保护。系统电压高于1.2倍额定电压即12 kV时为过电压故障，低于0.7倍额定电压即7 kV时为欠电压故障。过电压会危及各种电气设备的绝缘水平，需要保护动作切除故障。欠电压是短路保护的后备保护，当非金属性短路发生时，线路上的电压可能不为零，会触发欠电压保护动作。

4）绝缘监视保护。由于井下线路采用双屏蔽电缆，接地线和监视线的短路或断路故障可通过保护线监视预知。本文设计了附加直流检测的电缆绝缘在线监测电路，如图1所示。虚线左边是控制器电路，虚线右边是外接电路。Rx是等效电阻，Rd是回路电阻，Rr是绝缘电阻，Rz是阻值为1 kΩ的终端元件。绝缘监视保护电路的原理为：当电缆发生监视线和接地线短路故障时，等效电阻减小，A点电压降低；当电缆发生监视线和接地线开路故障时，A点电压上升。通过A点电压可以计算出绝缘电阻值，也就是说A点电压高低反映了电缆的绝缘水平，电缆短路时A点电压低，电缆断路时A点电压高。

图1 绝缘监视在线监测电路

2 系统软硬件设计

根据上述控制器保护原理和电网保护需求及技术指标，设计的控制器单片机系统及其外围电路如下页图2所示。本设计选用美国Cygnal公司生产的单片机，型号为C8051F010，其特点是速度快，具有强大的模拟信号处理功能和控制功能等，十分适合保护控制器设计。电源部分为现成开关电源；复位电路设计为保护器复位按键和开关柜复位按键两种复位方式；时钟电路分为外部时钟和内部时钟；模拟信号采用单片机自带的ADC模块；开关量或脉冲信号通过单片机I/O口输入；液晶显示接口显示电网实时参数和故障类型；输出驱动是控制电磁阀，进而实现真空断路器跳闸。

图2 控制器单片机系统及其外围电路

除了控制器及其外围电路，硬件电路还包括电压信号电路、零序电流信号电路、风电闭锁与瓦电闭锁电路、绝缘监视信号电路和输出电路等。

控制器的软件系统主程序流程图如图3所示，主要功能是液晶显示和按键设置等。液晶显示的内容包括欢迎界面、工作界面、跳闸界面和按键界面。按键功能可以实现参数设定、故障查询、模拟跳闸和时间设置等功能[3-4]。

图3 系统主程序流程图

除了主程序，系统的软件按照模块化设计思想编制，可分为A/D中断子程序、定时器T0子程序、定时器T1子程序（如图4所示）以及分合闸子程序等。故障的延时通过定时器T1完成，在过载故障和漏电故障发生后执行，定时器T1子程序在主程序进入主循环后开启，直到保护动作跳闸关闭。在精测子程序中设置相应的故障标志位，决定计时器的增减，一旦超过时限，控制器发出动作跳闸信号，驱动电磁线圈完成断路器跳开动作。

图4 定时器T1程序流程图

3 电气数据采集与处理

数据采集与处理精度是防爆开关控制器系统的关键，决定了其保护动作的性能。数据采集的方式有直流采样和交流采样两种，考虑到煤矿井下供电情况复杂，电压电流波形常有畸变，若采用直流采样会出现较大误差，因此采用精度更高的交流采样。

对于正弦信号而言，采样分为两点法和三点法。设被测电压信号U=Umsin（ωt+φu），两点法是采样相隔π/2电角度的两点电压U1=Umsinx、U2=Umcosx，显然被测正弦信号的有效值可由下式计算：

由于电压电流波形的畸变，只采用两点法测量正弦信号的检测并不能满足系统要求。对于非正弦周期信号的采样，可以采用的算法有傅里叶算法和方均根算法。傅里叶算法不但适用于正弦信号，同样适用于非正弦信号的测量，具有滤波功能。但是其计算复杂影响保护动作快速性。方均根算法只需进行累加计算，通过查表完成开方计算，不需要浮点计算。

方均根算法还是以电压信号的计算为例，电压的有效值定义为：

经离散后可得：

方均根算法计算出的有效值与真有效值（True Root Mean Square，根据定义得到）十分符合。为了满足JB8739对于100 ms的快速性要求，本设计优化结合初测和精测：用正弦信号的两点法测量进行初测，迅速得出幅值大小，并不要求准确性很高。如果初测的结果满足了保护动作的条件，则采用非正弦信号方均根算法进行精测。这样初测和精测相结合的方法既能保证保护动作的快速性，又能兼顾准确性[5-8]。

4 结论

1）绝缘监视电路能够监视井下电缆线路的绝缘水平，提前判断出电缆可能出现的故障类别。

2）采用初测和精测相结合的信号采集方法测量井下畸变的电压电流等波形，在保证测量快速性的形况下兼顾了动作的准确性。

3）高压防爆开关控制器的优化设计对于煤矿井下供电安全具有重大意义，提升了煤矿电力系统的安全性和可靠性。