矿用隔爆型高压开关智能综合保护系统研究

朱 锐

(西山煤电 西铭矿，山西 太原 030052)

0 引言

20世纪以来我国经济步入快车道，煤炭消耗量也随之增加，因此，保护与管理煤炭生产过程中所需的供电设备的重要性日益凸显。为保证电源设备的安全稳定运行，对继电和自动装置保护的设计尤为重要，综合保护系统的智能化可使煤矿井下电力系统的稳定性与连续性得到充分保障,并可根据实际要求,在发生故障时报警,实现故障设备快速有效的切除,阻止事故的进一步扩大，避免火灾，确保煤矿现场的设备与人身安全。

1 国内外研究与应用现状

20世纪20年代开始，英国、前苏联与德国相继研发了煤矿安全设备并应用于实际生产中，隔爆型电气设备在煤矿现场逐步得到了广泛的应用。国外公司陆续推出了多种微机保护系统，华莱推出了可通过8085CPU实现保护的双速开关微机式保护系统。德国西门子公司生产的具备完善的保护功能与良好的人机界面的Siprotec 4系列保护继电器，能用于地面供电系统与矿井供电系统。

国内的矿井电网继电保护装置主要有3种类型：①具有机械转动部件的继电保护装置；②具有晶体管电路的继电保护装置；③结合微机控制技术的继电保护装置。目前国内主要采用单CPU结构的高压开关综合保护系统，在采样要求较高的应用场合,整个系统显得较为乏力。而煤矿落后的生产技术水平、非智能化的缺点、保护电器不能达到预期保护等问题导致生产事故的发生概率大大增加。现有高压隔爆开关的漏电保护技术存在诸多不足，造成了较多断电事故，增大了故障点查找的难度，严重影响了生产。传统开关多数不具备网络通信功能，操作人员只能现场对高压开关直接检查，存在极大的安全隐患。

2 DSP与单片机的主从控制矿用隔爆型高压开关智能综合保护系统

2.1 系统功能

通过分析一个保护装置可能发生的各种故障及其特点，最终才能提出实用有效的保护系统方案。根据《煤矿安全规程》：井下高压变电站应具备短路、超负荷、欠电压保护功能，综合保护系统应具有漏电保护功能，保证切除漏电故障，若存在屏蔽电缆，还要设置监视保护。

2.2 保护功能与实现

(1) 过载保护。当系统中发生过载时，表现为电网电流大于额定电流，因此可通过检测电网电流来判断过载程度。根据反时限动作原理,工作电流与额定电流的比值越大，对过载动作速率的要求越高。

(2) 短路保护。当系统中发生短路故障时表现为大电流，因此单纯的检测电流大小很难与电气设备启动时的大电流区分，将引起误动作。由于短路时功率因数大，启动时功率因数小，本设计将相敏保护原理应用于短路保护，即通过短路电流的大小与功率因数综合判断此时是否发生短路。

(3) 漏电保护。将零序电压基波作为漏电保护启动信号，当零序电压超过整定值时，通过零序电压和零序电流5次谐波相位差可判断其是否发生故障。

(4) 监视线保护。监视线保护是一种基于外加直流电源的电缆绝缘在线监测技术。图1为电缆监视线的检测原理图。图1中，Rd、Ra、Rr为电缆的等效电阻，Rd位于监视线与接地线间，Rr为接地电阻，Ra通常为1 kΩ的电阻；R1与R0分别为限流与采样电阻；其两端的电压U0为采样电压，与Rr有关；Uj为直流电源电压。监视线与地线因电缆故障被短路情况下，Rr减小，U0随之变化终端器件也被短路；两线断路情况下，U0被送入检测模块，从而推算出绝缘电阻值。

图1 监视线检测原理

3 系统总体设计方案

3.1 硬件整体设计方案

本保护系统总体结构如图2所示，将DSP芯片TMS320LF2407作为主CPU，其主要功能有采样模拟信号、计算处理数据以及保护电路的识别与启动、开关信号的给定与输出。同时单片机作为协同CPU，主要功能有人机交互和通讯等。整个系统由以下部分构成：

图2 隔爆高压智能保护系统硬件总体结构图

(1) 微机系统：由DSP和单片机实现主从控制,可实现逻辑判断、计算、定时、数据采样、存储和人机交互等功能。

(2) 交流采样单元：采样计算电力系统三相电压，以及a、c两相的电流与零序电流电压分量。

(3) 选择性漏电处理单元：可得到电流电压零序分量的五次谐波,经过相位比较后对中性点绝缘电网系统或经消弧线圈接地电网中的接地故障实现漏电保护。

(4) 绝缘监视保护单元：将信号经电压频率变换后，根据直流检测原则，实现对电缆屏蔽线及接地线的故障保护。

(5) 开关量单元：由开关量采样相应设备对应采样点,从而判断开关实时状态。开关信号输出部分包括故障报警信号和控制断路器的开关信号。

(6) 人机交互单元：主要包括按键输入、液晶显示和通讯接口三部分，其主要功能是:输入参考值,选择操作方式、电网参数、工作状况,显示故障类型,进行数据通讯。

(7) 电源部分：采用+5 V、-12 V、+12 V与两个+24 V的小型直流电源。

3.2 软件设计方案

根据DSP和单片机双核硬件系统的配置分别确定DSP和单片机的功能，DSP软件系统的主要功能有算法、通讯和故障识别等。单片机系统的主要功能是液晶显示、参数保存和故障记录保存等。DSP部分包括系统的初始化，初始化子程序主要实现参数的初始化、中断初始化、事件管理器的初始化与芯片外围电路的初始化等。单片机部分主要包括完成调试菜单程序、人机接口功能、通讯程序与告警模块程序等。

隔爆高压开关智能保护系统的主程序流程如图3所示，主程序包括:智能系统的初始化；整定值的输入；模拟信号的采样与数字信号转换；应用傅里叶算法计算电压U、电流I及两者相位关系、计算有功与无功功率P、Q等参数；故障的识别与切除；与计算机软件通讯等功能。

图3 隔爆高压开关智能保护系统主程序流程图

图4为DSP故障识别与切除的具体程序流程，当保护装置上电后，程序对系统进行扫描判断是否存在故障，若存在故障，识别故障类型，延时时间满足条件后，发出跳闸命令，并生成故障报告传送到交互界面。当故障切除后，系统发出复位信号，将定时器重置为0，返回主程序。

图4 DSP故障识别及切除流程图

4 结束语

近年来，开关综合保护系统的研究受到大量关注，隔爆型高压开关获得广泛应用后，对其研究方向应以深度与实用性为目标。本文分析了目前开关智能综合保护的应用情况后，设计了基于DSP和单片机的双CPU主从控制开关智能综合保护系统，在原理和硬件设计等方面进行了综合考虑与设计，使矿用高压开关装置保护系统的技术水平与可靠性进一步提高。