煤矿井下供电系统漏电保护系统设计

高婷慧

（山西潞安集团公司电力事业部，山西长治 046200）

0 引言

煤矿井下安全问题一直以来都受到社会各界的广泛关注，当前阶段煤矿井下机电设备数量越来越多，因此用电安全变得越来越重要［1]。然而最近几年以来，经常会看到有关煤矿用电安全事故的新闻报道。这些矿井安全事故造成了极大危害，给井下人员身体健康和人身安全构成了严重威胁［2-3]。根据大量的实践经验表明，煤矿井下供电系统漏电问题是造成很多用电安全事故的重要原因之一。现阶段煤矿井下通常都是使用电缆进行供电，但煤矿井下环境复杂，电缆电线的绝缘性能容易受到破坏［4]。另一方面，煤矿井下使用的机械设备功率通常都比较大，设备在运行过程中供电线路会出现严重的发热问题，这会加剧电线电缆的老化。如果在日常维护中工作做得不到位，就容易出现漏电现象［5-6]。本文针对煤矿井下供电系统漏电问题，设计了一套漏电保护系统，能够实现漏电现象的自动检测。

1 总体结构设计方案

漏电保护系统是煤矿井下供电系统的重要构成部分，是保证供电系统正常安全稳定运行的基础和前提。漏电保护系统运行的可靠性直接决定着煤矿井下供电系统的安全。图1所示为设计的煤矿井下供电系统漏电保护系统的总体结构图。从图中可以看出，漏电保护系统总共可以分为4 大部分，分别为电源部分、信号输入部分、信号分析处理和控制部分、输出部分。各个部分之间的相互配合与分工保证了整个漏电保护系统的稳定运行。

图1 煤矿井下供电系统漏电保护系统的总体结构图

2 硬件设计

从图1中可以看出漏电保护系统的硬件部分主要包括控制器DSP、电压和电流采集模块、信息通讯模块、结果输出模块等。以下分别对这些硬件模块进行详细分析和介绍。

2.1 控制器DSP的设计和选择

本文所述的煤矿井下供电系统漏电保护系统在工作过程中牵涉到很多算法，需要进行大量的分析和计算，本文选用TMS320F28335芯片来完成相关的工作。该型号的处理器具有较高的处理性能，在应对中断响应时同样表现优异，芯片具备多条A/D转换模块，完全能够满足本系统的使用要求。芯片中自带的算法内包含有丰富的乘法运算，可以显著提升DSP硬件的计算分析速度。通过传感器采集获得的电路故障信号通常需要对其进行小波和FFT 等数据处理，该芯片能够完成上述数据处理过程，且具有较高的数据处理精度。CPU具有非常高的频率，可以达到150 MHz。

控制器DSP必须要有稳定的电源才能够发挥其最大的功效，如果供电电源的电压不稳定，就会对其性能产生非常不利的影响。本文选择的DSP芯片在电源方面，内核需要稳定的1.8 V电源为其供电，Flash编程和I/O口引脚则需要稳定的3.3 V电源为其供电。本系统中通过LM1117芯片实现3.3 V和1.8 V电压的稳定输出。图2 所示为控制器DSP 的电源供电线路图。

图2 控制器DSP的电源供电线路图

2.2 电流和电压采样硬件模块设计

（1）相电压采样设计

零序电压值是本系统判断供电系统是否存在漏电现象的重要依据，本系统将阈值设置为供电系统相电压的20%。也就是说当零序电压值超过了供电系统相电压值的20%以后，漏电系统就会判定存在漏电现象。因此，对相电压进行准确检测是系统正常稳定运行的关键。本文选择的控制器DSP要求输入信号在0 ～3 V范围内，为了与之相匹配，本系统中选用TV16E型号的电流型电压互感器对相电压进行检测。可以在电压互感器的一次侧添加一个200 Ω 的电阻，将电压信号转换成电流信号。具体而言，当输入的电压值为220 V时，可以输出一个1.1 mA的电流值。再在电压互感器的二次侧添加一个470 Ω的电阻，可以进一步将相关信号转换成为电压信号值，且输出电压信号在0 ～3 V范围内，使检测到的信号能满足控制器DSP的输入要求。

（2）零序电压与零序电流采样设计

前文已述，零序电压值是判断煤矿井下供电系统是否存在漏电行为的关键参数之一。它的检测原理是首先人为地将三相电抗器与电网进行连接，使之产生一个中性点，然后通过电压互感器对该中性点的电压值进行检测，本系统中使用的电压互感器型号为ZM-PT120/1V。同样的，需要将检测信号进行转换，使之满足控制器DSP的输入要求。在对零序电压进行采样过程中，由于存在高次谐波，会对采样过程产生一定的干扰，使得到的采样信号不准确。因此，为了尽可能降低谐波信号对采样信号造成的影响，通过二阶巴特沃斯滤波器对采样信号进行处理。

零序电流也是判断供电系统是否存在漏电行为的重要依据之一。通过精密的零序电流互感器对零序电流进行检测，图3所示为零序电流互感器的实物图。通过在输出端设计电路可以将检测得到的电流信号值转换成为DSP控制器能够识别的0 ～3 V电压值信号。由于本文选择的控制器DSP芯片能够自动对信号进行转换，具备有A/D信号转换功能。因此，本系统不需要专门设计A/D转换电路。采集得到的信号值经过简单处理，将其处理成0 ～3 V的电压值信号后就可以直接输入给DSP控制器进行进一步的分析。

图3 精密的零序电流互感器实物图

2.3 数据传输硬件模块设计

为了实现人机互动功能，本系统中设计了触摸屏来显示相关的数据信息，触摸屏能够利用RS485 和RS232 两种通信模式实现信息的传输，而前者在通信过程中具有更强的抗干扰能力，且传输速率相对较高，最大的传输速率可以达到10 Mbit/s。因此，本系统选用RS485 通信模式实现数据信息的传输。

2.4 输出部分硬件设计

漏电闭锁与供电系统中的继电器控制开关具有类似的原理。当供电系统中的绝缘电阻降低到设定的阈值，或者系统检测到存在漏电现象时，控制器就会发出一个控制信号，对继电器进行控制。输出部分的控制过程可以简单描述如下：DSP控制器经过分析处理以后，发现供电系统存在漏电问题时，就会对执行部分发出一个控制信号，控制信号通过TLP521实施光耦隔离处理后，再通过三极管将相关的信号进行放大处理，最终该信号作用在脱扣器上，继电器根据控制信号做出相对应的动作。

3 软件设计

3.1 漏电保护系统主程序

图4所示为煤矿井下供电系统漏电保护系统软件工作流程图。系统开始运行时程序启动，第一步就需要对系统内各硬件相关参数进行初始化处理，并对硬件和软件系统进行自动检测，检查是否存在问题。完成初始化工作以后，各个采样模块开始工作，对零序电压值、零序电流值和相电压值进行检测。同时将检测得到的电压信号经过一系列处理后，将其转换成为DSP控制器能够接受的信号。控制器在接收到检测信号后，需要对相关信号进行分析和处理，比如检测零序电压值和相电压值之间的大小，如果零序电压值超过了相电压值的20%，系统就会判定煤矿井下供电系统存在漏电现象。在记录好各个支路的零序电流值数据后，系统将会对漏电保护子程序进行启动，进一步分析漏电现象。

图4 煤矿井下供电系统漏电保护系统软件工作流程图

3.2 漏电保护子程序

当系统软件的主程序判断分析煤矿井下供电系统存在漏电问题时，系统就会启动漏电保护子程序，进一步判断是哪个部分出现了漏电现象。子程序中利用信息融合的方法来判断出现故障问题的线路。在系统发现存在漏电问题后，将后续两个周期的电流信号和电压信号值进行分析判断选出存在问题的线路。如果能够成功判断存在问题的线路，则通过DSP控制器直接发出控制信号，使继电器发生动作对整个供电系统进行保护。如果基于两个周期的数据信号无法判断出现问题的线路，则继续采集后续两个周期的数据信息，再进行分析判断。如果仍然无法判断出现问题的线路，系统就会将母线总开关直接关闭，避免出现安全事故。

4 结束语

煤矿井下会使用大量的机电设备，对矿井用电安全提出了更高的要求。煤矿井下供电系统漏电是常见的故障问题之一，严重威胁着机电设备正常运行以及井下工作人员人身安全。本文针对煤矿井下供电系统设计了一套漏电保护系统，该系统通过对零序电压值、零序电流值以及相电压值进行检测、分析，判断供电系统是否存在漏电问题。如果存在漏电问题，会进一步分析是哪个区域线路出现了问题，进而将该段线路进行隔断，以维持整个供电线路的稳定安全。