煤矿供电馈电保护装置的研究与应用

2021-04-08童立凡

机械管理开发 2021年2期

童立凡

（同煤集团煤峪口矿供电科，山西大同 037041）

引言

矿井供电系统的可靠性和安全性是保证工作面安全、高效生产的基础。工作面供电包括低压供电和高压供电。其中，低压供电的保护装置主要依赖于馈电开关的电气设备。随着工作面低压电气设备容量及电压等级、工作面距离及供电距离的增加，传统馈电保护装置的可靠性和保护无法满足实际生产的要求。因此，本文开展关于煤矿供电馈电保护装置的研究，旨在提升其可靠性、安全性和连续性。

1 馈电开关保护装置的总体设计

馈电开关保护装置主要针对低压电网中的故障进行检测，并根据检测结果对低压电网进行保护。鉴于综采工作面生产环境恶劣，工作面电气设备启动频繁经常会对电网造成冲击，导致低压电网常出现漏电、过流、过压或者欠压等故障[1]。为解决低压电网的各类故障，对馈电开关保护装置的可靠性提出了更高的要求。

通常，馈电开关保护装置安装于对应馈电开关的防爆腔内，为保证工作面低压电网的可靠性和安全性，要求馈电开关保护装置满足如下功能：

1）要求馈电开关保护装置实现对低压电网的故障保护，包括如图1 所示的故障保护结构。基于采样电路通过获取电路中互感器的参数信号实现实时检测的功能，通过对所检测到信号的分析得出对应的故障类型，进而达到实时保护的效果。此外，为提高故障保护的响应特性，基于RS-485 总线实现信号的通讯。

2）要求馈电开关保护装置具有一定的灵活性，根据电气设备使用工作环境的不同对其工作参数及保护功能进行适应性配置。具体表现为：馈电开关保护装置不仅应用于低压电网的总开关处，还可应用于电压电网的分开关处[2]。此外，要求馈电开关保护装置还可单独应用于电气设备的电机保护。

图1 馈电开关保护装置故障保护功能

3）要求馈电开关保护装置具有通讯功能，实现上位机与工作面互感器参数的实时通信，基于上位机实现对工作面各处电气装置的集中管理和控制，在保证馈电开关保护装置工作效率的同时，提升其可靠性。

4）基于馈电开关保护装置的人机交互界面可实现用户直接掌握电网参数和故障类型，并对故障进行报警。用户可通过人机交互界面设置参数，实现对电网参数的控制。

在满足上述功能要求的基础上，设计如图2 所示的馈电开关保护装置。

2 馈电开关保护装置的详细设计

2.1 馈电开关保护装置的硬件设计

鉴于综采工作面生产环境的恶劣性以及设备众多的因素，要求所设计的馈电开关保护装置的相关硬件在满足基础功能的要求外，还具有一定的抗干扰能力。

图2 馈电开关保护装置结构框图

2.1.1 核心硬件的设计

选用ST 公司所研发的STM32F103RB 为馈电开关保护装置的核心控制器，并基于ST-Link 仿真器完成对控制器的调试任务，其中包括有JTAG 和SWD 的调试。

时钟电路为馈电开关保护装置的关键，其主要为保护系统提供稳定、准确的控制源[3]。时钟电路分为主时钟和实时时钟，且时钟的关键在于其晶振和负载电容的选择。对于主时钟而言，一般要求晶振为8 MHz，对应的负载电容为22 pF；对于实时时钟而言，要求晶振大小为32.76 kHz，对应负载电容为6 pF。

2.1.2 功能模块的设计

针对馈电开关保护装置的功能要求，需为其配置信号预处理模块、液晶显示模块、电源模块、通信电路模块、测温模块等。

信号预处理模块的功能通过为其配置信号处理电路包括有绝缘电阻信号处理电路、零序电流处理电路和零序电压处理电路，并基于上述电路和各类互感器所采集的电信号进行预处理。鉴于篇幅有限，此处不对处理电路进行一一列举。

液晶显示模块为用户实时获取电网参数并对参数进行控制的直接界面，本系统采用RT12864M-1液晶显示模块。

测温模块主要用于实时监测工作环境的温度，为核心控制器得出控制指令提供参考。本方案选用PT100 测温传感器监测现场温度。

2.2 馈电开关保护装置的软件设计

硬件为馈电开关保护装置发挥功能的基础，而软件为硬件功能实现的根本。本方案采用μC/OS-Ⅱ嵌入式实时操作系统完成对保护装置硬件的控制[5]。根据保护装置所执行任务的优先等级，按照先后次序排列如下：故障判断→故障处理→数据处理→485通信→人机交互→参数测量→自检→试验。本节以保护装置的漏电保护功能为例，编制如图3 所示的程序流程图。

3 馈电开关保护装置的应用

为验证本文所研究设计的馈电开关保护装置对电网参数保护的效果，本节以对工作面电气设备过压和欠压保护为例开展试验研究。根据《煤炭安全规程》的相关规定，要求馈电开关保护装置当实测电压值为额定电压值的75%～110%时仍能够可靠、稳定运行。对于过电压保护而言，当电压值大于额定电压值的110%时，馈电开关保护装置的延时时长为3 s。经试验得出如表1 所示的结论。