矿用防爆开关智能保护器的设计

李清汝

（潞安化工集团能源事业部健康安全环保部， 山西 襄垣 046204）

引言

我国大多数煤矿采用6 kV 的供电系统。但是，近年来，随着工作面生产能力的增加和大功率采掘设备和提升设备的应用，工作面的供电负荷明显增加，已经逐步迈进10 kV 的供电等级。仅是简单地将工作面的保护系统由6kV的防爆开关智能保护器改造为10kV的防爆开关智能保护器，导致了在实际生产中防爆开关智能保护器误动作率增加，且在系统分合闸的瞬间产生较大的电磁干扰,造成保护器被损坏[1]。

1 防爆开关智能保护器的总体设计

1.1 现状分析

目前，煤矿综采工作面的各类型综合保护装置可分类为DCB—X 系列、DGZB 系列、BLD 系列和GZJB系列。其中，DCZB 系列保护器应用最为广泛。通过对DCZB 系列保护器实践应用出现的问题进行总结，得出如下结论：

1）在不同的时间段该保护器所显示的电压值相差较大，显示的电压值与电网波形的好坏有直接的关系，主要原因为其受到电压互感器的影响。

2）DCZB 系列保护器短路信号处理时间在某些情况超过了100 ms，而且该型智能保护器的短路检测时间较差，导致短路保护功能无法正常发挥。

3）由于供电负荷从6 kV 增大至10 kV，导致DCZB 系列保护器出现了较为明显的拒动作现象[2]。

综上，目前矿井DCZB 系列防爆开关智能保护器主要存在的问题为短路跳闸问题。因此，急需设计一款可解决短路越级跳闸问题的智能保护器。

1.2 防爆开关智能保护器的功能需求

针对矿井供电网络中常见的故障类型，要求防爆开关智能保护器具备漏电保护、过载保护、短路保护、过欠压保护和绝缘保护等功能。

1.2.1 漏电保护

鉴于综采工作面相对恶劣的工作环境，供电电缆时常会发生单相漏电或者单相接地的故障。工作面现场的漏电故障不仅会导致现场人员发生触电，而且还会引起瓦斯爆炸、电气雷管提前引爆等风险[3]。目前，可通过零序电流漏电保护和零序功率方向型漏电保护实现保护器的漏电保护功能。

1.2.2 电流保护

电流保护功能包括对供电网络中的过载保护和短路保护。对于过载保护，需要根据不同电机对应的不同发热时间常数，确定其过载反时限特性，采取相应的保护措施。短路保护一般采取电流速断保护方式实现其功能，具体通过判断电流电压的相位，得出是否出现短路现象，继而触发短路保护功能。

此外，还要求防爆开关智能保护器具备过欠压保护和绝缘监视保护功能。

2 防爆开关智能保护器的设计

从防爆智能保护器的硬件和软件两个方面完成设计，并结合基础设计完成其对应的抗干扰设计。

2.1 硬件设计

本文所设计的防爆开关智能保护器可适用于10 kV的供电网络中，10 kV 防爆开关智能保护器的基本结构参照6 kV 保护器设计，如图1 所示。智能保护器的核心为单片机系统，综合对比市面上单片机的应用案例和经济性，确定选用型号为C8051F010 的单片机，作为核心部件完成智能保护器设计[4]。在C8051F010单片机的基础上，为其配置电源电路、复位电路、实时时钟和外部时钟等。

图1 10 kV 防爆开关智能保护器的基本结构框图

2.1.1 实时时钟电路

防爆开关智能保护器实时时钟电路主要是对当地时间和故障时间的实时记录，对于数据存储记录具有重要意义。本系统采用DS1302 时钟芯片，该芯片具有高性能、低功耗的优势，而且具有写保护功能。实时时钟电路与C8051F010 单片机的连接如图2 所示。

图2 实时时钟电路与C8051F010 单片机的连接示意图

2.1.2 复位电路

本系统所采用C8051F010 单片机可通过七种方式实现对单片机CPU 的复位功能，包括：上电复位、软件强制复位、掉电复位、时钟丢失检测器复位以及按键复位等。本系统将采用按键复位的方式实现对单片机CPU 的复位功能，对应的复位电路如图3 所示。

图3 单片机按键复位电路原理图

2.1.3 信号通道电路

信号通道电路主要包括电压信号通道、电流信号通道、零序电压信号通道、零序电流信号通道和绝缘监视信号通道等。

针对电压信号通道采用双向TVS D21 器件为瞬态电压抑制器，保证系统在承受高压信号时能够迅速实现反向击穿功能，从而使元器件由高阻态运行状态转变为低阻态，最终将干扰信号抑制在可承受的范围之内。电压信号通道电路如图4 所示。

图4 电压信号通道电路原理图

针对零序电流信号电路，鉴于该电路中的信号值较小极易受到干扰，需要在传统零序电流信号电路的基础上增加带通滤波电路。此外，零序电流信号电路中增加一个倒相的功能，能够对电路中电压和电流相位进行检测。

2.2 软件设计

本文所设计的矿用防爆开关智能保护器，除了发挥正常的保护功能外，还具备读DS1302、写液晶屏和对按键进行设置的功能，对应的具体程序流程如图5所示。

图5 防爆开关智能保护器主程序流程图

定时器是系统完成故障延迟处理的关键器件，主要对过载和漏电两种故障进行延时处理[5]，其对应的延迟处理程序流程如图6 所示。

图6 定时器延时处理程序流程

3 结语

近年来，随着大型、大功率综采设备和提升设备的广泛应用，煤矿生产进入了高产高效的时代，工作面的工作负荷显著提升，供电电压由6 kV 增加至10 kV。但是，对应的综采工作面供电系统的保护设备并未从6 kV 提升至10 kV，仅是将电压等级升高，一旦真正遇到高压电机启动导致保护器误动作和电磁干扰的严重问题，会严重影响煤矿的安全生产。因此，本文基于C8051F010 单片机为核心，完成了防爆开关智能保护器的设计，重点解决功率方向型的误动作和拒动作的问题。通过实践表明：所设计的保护器能够在30 ms 内完成采集并实现跳闸保护功能，且短路保护功能在100 ms 以内实现一级延时保护，有效解决了越级跳闸的问题。