礦井供電過程漏電監(jiān)控保護系統(tǒng)設(shè)計

席 欣

（山西霍寶干河煤礦有限公司，山西臨汾 041600）

0 引言

煤礦作為國家綜合快速發(fā)展的重要資源，在煤礦開采過程中會涉及到較大的煤礦開采設(shè)備，包括采煤機、掘進機、通風(fēng)機、提升機、照明等，這些設(shè)備在使用過程中會消耗大量的電能，且設(shè)備運行功率相對較大，使得設(shè)備電纜承受較大的電流負荷作用。近年來，因設(shè)備漏電造成的井下事故頻發(fā)，井下漏電事故一旦爆發(fā)，將對煤礦開采及作業(yè)安全造成嚴重影響［1］。據(jù)分析，井下設(shè)備的正常運行主要依靠電纜進行供電，而電纜作業(yè)過程中因受到井下潮濕穩(wěn)定影響，加上電纜長時間作業(yè)和設(shè)備耗電功率較高，導(dǎo)致了電纜出現(xiàn)不同程度的老化現(xiàn)象，部分井下的不規(guī)范操作，最終造成了設(shè)備電纜出現(xiàn)了漏電故障，嚴重影響礦井供電過程的安全。將自動化控制技術(shù)應(yīng)用到井下供電過程的漏電監(jiān)控過程中，實現(xiàn)對井下供電過程的安全監(jiān)控保護成為當前重點［2］。

為此，本文開展了礦井供電過程漏電的安全監(jiān)控保護系統(tǒng)的設(shè)計研究，并重點對該系統(tǒng)的關(guān)鍵分系統(tǒng)進行分析和實際應(yīng)用，驗證了該監(jiān)控系統(tǒng)的可靠性及穩(wěn)定性，對提高井下供電過程的安全保護具有重要意義。

1 供電過程漏電保護的必要性分析

目前，市場上針對井下供電過程漏電監(jiān)控保護的檢測方法包括穩(wěn)態(tài)分量法、直流源檢測法、負序電流法等，根據(jù)不同井下工況及供電功率大小，選擇最佳的漏電保護檢測方法。其中，負序電流法判斷邏輯相對簡單，較易實現(xiàn)，但所采集的數(shù)據(jù)存在信號微弱、干擾信號多等問題，數(shù)據(jù)采集準確性相對較差［3］。針對井下供電過程，采取漏電保護的必要性主要包括以下兩個方面。

（1）防止電氣雷管爆炸。由于井下工作設(shè)備的工作功率相對較高，極容易造成工作電流突然變大，當發(fā)生設(shè)備漏電且漏電電流達到雷管爆炸電流閥值時，則容易發(fā)生電氣雷管的爆炸。安裝漏電保護系統(tǒng)后，可根據(jù)漏電電流大小自動切斷電網(wǎng)，有效防止事故發(fā)生。

（2）避免瓦斯爆炸。井下采煤過程中會產(chǎn)生大量粉塵及瓦斯，并在一定空間范圍內(nèi)進行聚集，當設(shè)備出現(xiàn)漏電故障時，極容易產(chǎn)生火源或電火花，當漏電火源或電火花與一定濃度的瓦斯接觸時，則會瞬間發(fā)生井下瓦斯爆炸。設(shè)計漏電保護系統(tǒng)后，將通過檢測電路及產(chǎn)生的電火花，及時切斷電網(wǎng)，以防止瓦斯爆炸事故發(fā)生［4］。因此，采用科學(xué)、高效的漏電檢測算法，實現(xiàn)對井下多路供電電路的實時數(shù)據(jù)檢測，實現(xiàn)供電過程漏電的自動監(jiān)控及保護，成為當前建設(shè)智能化安全礦井的重要方向。

2 漏電保護系統(tǒng)總體設(shè)計

該供電過程中的漏電監(jiān)控保護系統(tǒng)包括了24 V工作電源、信號調(diào)節(jié)電路、CPU控制器、電阻連續(xù)檢測、顯示儀表、報警單元等部分。在整個環(huán)節(jié)中，首先通過終端的電壓采集模塊，對井下供電過程中的電壓及電流進行實時采集，所采集信號通過信號調(diào)理電路的分析處理后，輸出至DSP控制器中，將檢測信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷盒盘?，并對信號進行分析和邏輯判斷［5］。所判斷出的控制命令傳輸上機位軟件系統(tǒng)，進行設(shè)備供電狀態(tài)的實時顯示，當檢測到的漏電電流或電壓值超過對應(yīng)閥值時，該監(jiān)控系統(tǒng)則及時發(fā)出相應(yīng)的報警提示，通過執(zhí)行機構(gòu)及時切斷整個供電系統(tǒng)的供電電源。而24 V則主要是為整套供電漏電監(jiān)控保護系統(tǒng)提供工作電壓。其中，DSP控制器選用了TMS320F28335型芯片，具有高精度、高準確性、數(shù)據(jù)響應(yīng)速度快等特點，在煤礦供電保護系統(tǒng)中應(yīng)用較為廣泛。整套漏電監(jiān)控保護系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框架如圖1所示。

圖1 供電過程漏電監(jiān)控保護系統(tǒng)

3 關(guān)鍵分系統(tǒng)設(shè)計

3.1 漏電保護系統(tǒng)硬件系統(tǒng)設(shè)計

3.1.1 控制器選型設(shè)計

由于該漏電保護系統(tǒng)在運行過程中具有較大的數(shù)據(jù)獲取量及存儲量，為提高整套系統(tǒng)的運行能力，選用了TMS320F28335芯片作為系統(tǒng)的控制器，其實物如圖2所示。該芯片采用了32／64位處理器，融合了多種復(fù)雜算法，能快速實現(xiàn)系統(tǒng)數(shù)據(jù)的采集、計算、處理及判斷；同時，采用了DSP專用硬件乘法器，可提高系統(tǒng)漏電的檢查及判斷速度［6］。另外，該芯片設(shè)置了多路零序電流、電壓、電阻采樣獲取點，自備了A／D數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換模塊，能實現(xiàn)超過12條A／D信號的轉(zhuǎn)換，CPU主頻達到160 MHz，較好地滿足了該監(jiān)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理需求。

圖2 TMS320F28335芯片實物

3.1.2 電源模塊設(shè)計

電源模塊是整個漏電監(jiān)控保護系統(tǒng)正常運行的關(guān)鍵，保證該電源模塊的運行穩(wěn)定，對提高該監(jiān)控系統(tǒng)的保護性能至關(guān)重要。為此，在該電源模塊設(shè)計中，選用了DSP精密芯片，內(nèi)部的工作電壓設(shè)置為1.8 V，I／O接口工作電壓為3.3 V，此引腳電壓均采用固定方式進行輸出。同時，設(shè)置了1個24 V的直流電源，可為漏電安全監(jiān)控系統(tǒng)中各類繼電器、絕緣電阻等零件的運行提供必要的工作電源。同時，在電源模塊中設(shè)計了多個LM324運算放大器，其工作電壓為DC12 V。另外，該電源模塊中設(shè)計了一個電容和開關(guān)電源模塊，工作電壓為5 V，可實現(xiàn)對信號的諧波去除及干擾。電源模塊的電路如圖3所示。

圖3 電源模塊電路

3.1.3 電壓調(diào)節(jié)模塊電路設(shè)計

該漏電監(jiān)控保護系統(tǒng)在運行時，所需的電壓值相對較多，且不穩(wěn)定的電壓值將對該系統(tǒng)的運行構(gòu)成重要影響。因此，對系統(tǒng)中電壓值進行了調(diào)節(jié)模塊設(shè)計。因此，選用了TV16E型電壓互感器，可實現(xiàn)電壓2 000∶2 000的變比，輸入電流為2.5 mA，在互感器一側(cè)添加了一個210 kΩ的電阻，可將外部的AC220 V電壓信號轉(zhuǎn)換為系統(tǒng)所需的DC直流電壓平臺和電流值。另外，通過設(shè)計的LM324運算放大器，可將電壓信號進行升壓或降壓，并保持在一定波動范圍內(nèi)。由此，實現(xiàn)對系統(tǒng)中電壓范圍的調(diào)節(jié)，電壓調(diào)節(jié)模塊電路如圖4所示。

圖4 電壓調(diào)節(jié)模塊電路

3.2 軟件系統(tǒng)程序設(shè)計

在該軟件系統(tǒng)中，所涉及到的程序包括主程序、采樣程序、初始化子程序、中斷子程序等。在該系統(tǒng)啟動時，首先通過系統(tǒng)內(nèi)部的主程序進行初始化操作，實現(xiàn)系統(tǒng)自檢，無誤后啟動采樣子程序，對供電過程中的零序電壓參數(shù)進行信號采集，并將采集信號經(jīng)過調(diào)節(jié)后，進行A／D數(shù)字信號轉(zhuǎn)換，與設(shè)置的零序電壓閥值進行對比判斷，若超過對應(yīng)閥值，則向保護子程序發(fā)出控制命令和啟動該保護程序，記錄相應(yīng)的故障信息。同時，向中斷子程序發(fā)出命令，實現(xiàn)整個電路的供電中斷，軟件系統(tǒng)的主程序控制流程如圖5所示。另外，該軟件系統(tǒng)中的保護子程序設(shè)計中采用了GPIO寄存器、定時器、ADC寄存器等，在與主程序信號傳遞接收時，充分利用了EnableInterrupt、Init Adc等函數(shù)進行調(diào)用操作。而中斷子程序則主要利用XINT1、XINT2接口與外部進行信號連接。

圖5 主程序控制流程

4 監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)用效果分析

在完成上述井下供電過程漏電的監(jiān)控保護系統(tǒng)設(shè)計后，將其在礦井中進行了應(yīng)用模擬驗證。在應(yīng)用過程中，該系統(tǒng)能對井下各主干電纜，分支電纜上的電流、電阻、電壓、溫度、火源等信息進行信號采集及檢測，整個信號的采集時間控制在0.4 s范圍內(nèi)，并及時向監(jiān)控系統(tǒng)的CPU發(fā)出信號。同時，由于添加了抗干擾模塊，所采集信號的準確性及清晰度相對較高。針對高阻接地、間接性故障狀態(tài)時，該監(jiān)控系統(tǒng)也實現(xiàn)了較為準確的檢漏現(xiàn)象。在為期5個月的運行期間，該監(jiān)控系統(tǒng)累計檢測了15次電流過大、電阻過熱等不同類型故障現(xiàn)象，針對這些故障類型，該監(jiān)控系統(tǒng)根據(jù)內(nèi)部的算法，及時自動切斷了10次電網(wǎng)通電，有效實現(xiàn)了對井下供電過程的安全保護。據(jù)相關(guān)人員評價，該漏電監(jiān)控保護系統(tǒng)的應(yīng)用，降低了井下電氣安全檢測人員的勞動強度，減少了企業(yè)相關(guān)電氣檢修的經(jīng)濟費用支出，所帶來的實際應(yīng)用價值重大。

5 結(jié)束語

將當前成熟的信息化、智能化的控制技術(shù)應(yīng)用到礦井供電過程漏電保護中，實現(xiàn)對礦井供電過程安全的保護，已成為企業(yè)重點考慮方向，而實現(xiàn)供電過程中電流、電壓、電阻及溫度等信號參數(shù)的檢測是關(guān)鍵。為此，本文在分析當前礦用供電過程漏電監(jiān)控保護系統(tǒng)應(yīng)用的必要性基礎(chǔ)上，開展了漏電監(jiān)控保護系統(tǒng)的總體設(shè)計及關(guān)鍵分系統(tǒng)研究，并將該系統(tǒng)進行了現(xiàn)場應(yīng)用檢測。結(jié)果顯示，該監(jiān)控系統(tǒng)運行穩(wěn)定可靠，能準確、快速地對供電過程中相關(guān)參數(shù)進行檢測，并及時發(fā)出切斷電網(wǎng)的控制操作，實現(xiàn)了對井下電網(wǎng)及井下作業(yè)的安全保護，具有重要的實際應(yīng)用價值。