防爆開關(guān)智能保護(hù)器的設(shè)計(jì)分析

王 騫

（潞安化工集團(tuán)古城煤礦，山西 長治 046100）

6kV 電力系統(tǒng)是國內(nèi)大部分礦井的主要供電方式。然而，近幾年來，由于礦井開采能力的提高，以及大功率開采和起重設(shè)備的使用，煤礦井下的電力供應(yīng)需求有了顯著的提高，目前，10kV電力需求量正在逐漸提高。但是僅將工作面的安全保護(hù)裝置從6kV防爆智能保護(hù)裝置改為10kV防爆智能保護(hù)裝置，使實(shí)際生產(chǎn)中的防爆開關(guān)智能保護(hù)器出現(xiàn)誤動(dòng)作頻率較高，并在設(shè)備開關(guān)機(jī)的一瞬間產(chǎn)生了很強(qiáng)的電磁干擾，從而使保護(hù)器受到了損傷[1]。

1 防爆開關(guān)智能保護(hù)器的總體設(shè)計(jì)

1.1 現(xiàn)狀分析

目前，綜采工作面各種綜合防護(hù)設(shè)備可分為DCBX、DGZB、BLD、GZJB等多種系列。在這些保護(hù)中，DCZB 系列的保護(hù)裝置應(yīng)用的范圍最廣。本文在總結(jié)了DCZB系列保護(hù)裝置在實(shí)際使用中存在的問題后，得出了以下結(jié)論：

（1）在一定的時(shí)段內(nèi)，此保護(hù)裝置所能看到的電壓數(shù)值會(huì)有很大的波動(dòng)，而所呈現(xiàn)的電壓值與網(wǎng)絡(luò)的波形有很大的關(guān)系，其主要是由于其所受的變壓器的影響。

（2）在一些情況下，DCZB 系列保護(hù)器的短路信號處理時(shí)間長達(dá)100ms 以上，并且該系列保護(hù)器在短路檢測時(shí)間上存在缺陷，導(dǎo)致短路保護(hù)功能出現(xiàn)異常[2]。

（3）DCZB系列保護(hù)裝置因電源負(fù)載由6kV增加到10kV，導(dǎo)致在工作過程中出現(xiàn)拒動(dòng)作的現(xiàn)象。

因此，煤礦用DCZB 型防爆智能安全裝置的關(guān)鍵問題是短路和跳閘。所以，有必要研制一種能夠有效地克服短路越線故障的智能型保護(hù)裝置。

1.2 防爆開關(guān)智能保護(hù)器的功能需求

根據(jù)煤礦電力系統(tǒng)中常見的故障類型，針對故障出現(xiàn)形式，設(shè)計(jì)了具有漏電保護(hù)、過載保護(hù)、短路保護(hù)功能的防爆智能開關(guān)，同時(shí)實(shí)現(xiàn)設(shè)備的絕緣檢測和設(shè)備欠壓保護(hù)，確保供電系統(tǒng)的安全工作[3]。

1.2.1 漏電保護(hù)

由于綜采工作面作業(yè)條件較差，且工作環(huán)境較為復(fù)雜，在電力系統(tǒng)中經(jīng)常出現(xiàn)單相漏電、單相接地等問題。在工作面上出現(xiàn)的泄漏事故，不但會(huì)使現(xiàn)場人員受到電擊，還可能造成瓦斯爆炸、電氣雷管提前爆炸等危險(xiǎn)。目前，采用零序漏電保護(hù)和零序電源方向式漏電保護(hù)，可以達(dá)到漏電保護(hù)的目的[4]。

1.2.2 電流保護(hù)

供電網(wǎng)絡(luò)中電流保護(hù)是保障安全的重要措施，電流防護(hù)主要有過負(fù)荷及短路防護(hù)。針對超負(fù)荷防護(hù)，必須針對不同電動(dòng)機(jī)所具有的不同的發(fā)熱時(shí)值，決定其超負(fù)荷逆時(shí)限特征并進(jìn)行相應(yīng)的防護(hù)。短路防護(hù)通常采用快速斷開的方法來完成，即實(shí)時(shí)地進(jìn)行電流電壓相位進(jìn)行檢測，從而即根據(jù)電流的相位來判定有無短路，系統(tǒng)檢測到短路現(xiàn)象后及時(shí)出發(fā)短路保護(hù)[5]。

同時(shí)，對防爆開關(guān)的智能化保護(hù)也提出了相應(yīng)的要求，既要實(shí)現(xiàn)設(shè)備的絕緣檢測，同時(shí)也能夠進(jìn)行設(shè)備欠壓保護(hù)。

2 防爆開關(guān)智能保護(hù)器的設(shè)計(jì)

從安全防護(hù)系統(tǒng)的軟、硬件兩個(gè)角度進(jìn)行了智能保護(hù)器的設(shè)計(jì)，并與基本方案相配套，實(shí)現(xiàn)了相應(yīng)的防干擾性能。

2.1 硬件設(shè)計(jì)

圖1 為10kV 防爆開關(guān)智能保護(hù)器的基本結(jié)構(gòu)，從結(jié)構(gòu)上看，與6kV的結(jié)構(gòu)框架基本一致，通過對電路的改造和升級優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)了10kV 供電電路的保護(hù)需求。智能保護(hù)裝置以微型控制單元為中心，結(jié)合目前市場上的實(shí)際應(yīng)用情況及經(jīng)濟(jì)情況，選擇C8051F010 型微控制器為主要器件，實(shí)現(xiàn)了智能化保護(hù)裝置的設(shè)計(jì)。以C8051F010為保護(hù)裝置核心，并配置了電源電路、復(fù)位電路、實(shí)時(shí)時(shí)鐘、外時(shí)鐘等[6]。

圖1 10kV防爆開關(guān)智能保護(hù)器的基本結(jié)構(gòu)框圖

2.1.1 實(shí)時(shí)時(shí)鐘電路

防爆開關(guān)智能化保護(hù)裝置的實(shí)時(shí)計(jì)時(shí)功能，它能夠?qū)崟r(shí)地記錄本地時(shí)間和設(shè)備失效的時(shí)間，可以實(shí)現(xiàn)故障數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)記錄和存儲(chǔ)。本設(shè)計(jì)使用了DS1302型數(shù)字芯片，具有低功耗和寫入保護(hù)的優(yōu)點(diǎn)。在C8051F010上實(shí)現(xiàn)了與該系統(tǒng)的實(shí)時(shí)時(shí)鐘信號的接口，圖2為倆芯片的連接關(guān)系[7]。

圖2 實(shí)時(shí)時(shí)鐘電路與C8051F010單片機(jī)的連接示意圖

2.1.2 復(fù)位電路

在實(shí)際應(yīng)用中，可以采取其中措施實(shí)現(xiàn)C8051F010單片機(jī)的微處理器和中央處理器的復(fù)位：上電復(fù)位、軟件強(qiáng)制復(fù)位、掉電復(fù)位、時(shí)鐘丟失檢測器復(fù)位以及按鍵復(fù)位等[8]。本研究中復(fù)位電路的方式選擇了按鍵復(fù)位，圖3為系統(tǒng)重置電路的基本原理。

圖3 單片機(jī)按鍵復(fù)位電路原理圖

2.1.3 信號通道電路

信號通道的構(gòu)成有電壓信號通路、電流信號通路、零序電壓通路、零序電流和隔離監(jiān)控的信道。

由于采用了雙向TVSD21 器件作為電壓訊號信道的瞬態(tài)電壓抑制裝置，以確保在受到較大電壓的情況下，系統(tǒng)可以快速地完成反向擊穿，并將其從高阻工作態(tài)過渡到低阻態(tài)，并抑制干擾信號，保障設(shè)備的正常工作。在圖4中顯示了一個(gè)電壓訊號信道的線路[9]。

圖4 電壓信號通道電路原理圖

對于零序電流的信號，由于其具有很低的信號值，很容易被干擾，因此必須在常規(guī)的零序電流信號回路中加入一個(gè)帶通濾波器。另外，在零序電流信號回路中加入反向變換的作用，可以實(shí)現(xiàn)對線路的電壓、電流的相位進(jìn)行探測[10]。

2.2 軟件設(shè)計(jì)

本研究研制的礦井防爆開關(guān)智能保護(hù)器，除實(shí)現(xiàn)正常保護(hù)功能外，還具有讀取DS1302、寫入液晶屏、對按鍵進(jìn)行功能的定制能力，圖5 為軟件程序的工作流程。

計(jì)時(shí)器是實(shí)現(xiàn)故障延時(shí)處理的核心設(shè)備，它的功能主要是解決兩類故障的時(shí)間延時(shí)問題，其相應(yīng)的延時(shí)處理流程見圖6。

圖6 定時(shí)器延時(shí)處理程序流程圖

3 結(jié)語

近幾年，隨著大功率綜放設(shè)備、起重設(shè)備全面普及應(yīng)用，礦井生產(chǎn)已步入了高產(chǎn)量、高效率的新時(shí)期，工作面作業(yè)載荷大幅度提高，供電電壓從6kV 提高到10kV。然而，綜采工作面供電系統(tǒng)的保護(hù)裝置并沒有從6kV提高到10kV，只是提高了電壓水平，一旦電機(jī)啟動(dòng)時(shí)電壓水平過高，則有可能會(huì)出現(xiàn)保護(hù)器的意外觸發(fā)或者電磁干擾，對礦井的安全造成了很大的影響。為此，本論文以C8051F010單片機(jī)為核心，針對功率方向類型的誤動(dòng)作、拒動(dòng)等問題，進(jìn)行了防爆開關(guān)智能保護(hù)系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)。實(shí)際應(yīng)用證明，該保護(hù)裝置可在30ms 內(nèi)完成數(shù)據(jù)采集和跳閘保護(hù)，并在100ms 內(nèi)實(shí)現(xiàn)一級延遲保護(hù)，較好地解決了越級跳閘問題。