3.3kV煤矿防爆组合开关控制技术研究

张万泽

【摘要】 针对3.3kV组合开关控制系统集成化水平低、功能单一的问题，提出基于数字信号处理器（DSP）的数字化控制系统。在分析我国煤矿电网的发展需求和负荷控制设备发展状况基础上，以DSP为核心设计组合开关控制系统，并对电压和电流检测电路进行详细设计。系统具有过载、断相、短路等故障的保护功能，满足煤矿3.3kV组合开关的控制的要求。

【关键词】 煤矿 3.3kV 组合开关 控制 保护

富煤、少气、缺油的资源条件，决定是我国以煤炭为主的能源结构。煤炭产业是我国重要的基础产业，在国民经济高速发展中起到不可替代的作用。伴随煤炭的采掘技术不断成熟，井下高产高效综合机械化、电气化工作面的不断涌现，设备的总容量和单机容量不断增加，对井下供电系统和负荷控制设备的安全性提出更高的要求。矿用启动器是井下采掘工作面重要的电气设备，具有过载、短路、断相及漏电闭锁等故障检测与保护功能，在矿用隔爆型电动机启动、运行、制动过程起到控制和保护双重作用。

目前我国井下供电系统大部分为35kV的电压经过井上中央变电所转变成6kV或10kV电压，通过双回路供电系统至井下动力变压器后转变成380V、660V、1140V或3.3kV的电压，最后经过组合开关、馈电开关等配电设备为采煤机、通风机、带式输送机等电器设备提供电能。在采掘技术不断成熟和装备制造业高速发展的推动下，井下用电设备容量不断提升，1140V电压等级供电系统允许电流达到极限，严重影响生产效率和井下的供电安全，为了适应我国井下采掘功率不断提升的需求，我国将井下供电系统提升至3.3kV电压等级。3.3kV供电系统的成功运行标志着我国井下供电系统电压升级的顺利完成，为我国高产、高效现代化矿井的建设提供技术保障，同时也缩短了我国煤矿供电系统与国际先进水平的差距。

一、组合开关

电磁启动器是集短路、过载、断相和漏电闭锁等功能于一体的单台电动机控制装置，而组合开关是具有多台电磁启动器的功能的多台电动机同时控制装置。它简化了各个单体启动器之间的电缆连接，缩小了设备体积，便于设备集中控制与维修。同时，可以根据现场需求选择不同支路的组合方式，适应井下各种工作场合的控制需求，极大地促进了机械化综采技术的实现。组合开关用于对井下综合开采工作面进行集中控制和保护，其性能好坏直接关系到井下综采工作面负荷的可靠运行。

在煤矿井下电动机负荷控制从电磁启动器到组合开关经历了三个阶段：第一阶段，20世纪70年代初期，单路电磁启动器阶段，采用空气接触器进行通断控制，基于熔断器、热继电器保护的保护方式，设备功能单一、可靠性低，严重制约井下生产安全；第二阶段，20世纪80年代到90年代初期，JDB系列多回路电磁启动器阶段，实现单启动器多负荷控制，具有漏电闭锁、过载、短路等故障的检测功能，但通过分立元件实现保护，分散性大、安全性低，不能满足井下安全生产需求；第三阶段，20世纪90年代后期，电子式集中组合开关阶段，伴随电力电子技术的高速发展，PLC、单片机逐渐运用到组合开关产品保护系统中，提高了组合开关的性能和集成度，但保护原理简单、故障率高、不能结合先进的控制算法进行运行状态评估。

数字化控制技术具有控制精度高、运算速度快、算法运用灵活等优点，在工业控制和电力系统中具有广泛运用，也是矿用组合开关保护技术的发展趋势。将数字信号处理器（digital signal processor，简称DSP）和PLC相结合开发微机保护平台，既解决了PLC交流信号采样难的问题，也可以将先进的控制算法应用到矿用组合开关的保护系统中，为实现组合开关智能化操作奠定基础。

3.3kV八组合开关由防爆外壳、真空接触器、隔离开关和控制电路组成（如图1所示），主回路包含八条支路，每四个支路配备一台隔离开关，每个支路负荷配备一台真空接触器和一套控制电路，其中隔离开关作为设备的总电源，在故障检修时起电气隔离作用；八个真空接触器实现对各个支路电动机起停控制；控制电路（1-8）负责监测系统故障，并进行保护和控制。

三、控制系统设计

3.3kV煤矿组合开关控制系统根据外界指令对电动机进行驱动控制，并对传感器发送的信号进行调理和运算，同时具有故障检测、封锁和发送功能。控制系统主要包括高精度传感器、信号处理电路、DSP最小系统、控制面板、显示屏及CAN通讯电路，其中高精度传感器由电流传感器、温度传感器、电压传感器组成的传感器组，负责采集组合开关主回路的电压、电流和温度等信号；信号处理电路将原始信号滤波并转换成DSP可以接收的信号；DSP最小系统是控制系统的核心，用于信息采集和运算处理，并将故障信号发送给远程的上位机监测系统；CAN通讯电路是DSP控制系统与远程监测系统信息传输的纽带，实现DSP与上位机之间的信息传输。

3.1 电流检测

电流检测电路为系统过载、短路故障提供判断数据，采用400：1和5A/2.5mA两级电流互感器将绕组大电流信号转变成小电流信号，然后经过信号调理电路转换成DSP可接收的信号。电流调理电路如图3所示，其中Ia+、Ia-为经过400：1和5A/2.5mA两级转换后的小电流信号，R1为低温票的信号转换电阻，将电流信号转变成电压信号，R2、R3为限流电阻，放置电流过大而烧毁芯片，电容C1、C2、C3为滤波电容，起到信号平滑处理作用，Im、In为电流调理电路输出信号，直接与DSP的模拟信号输入端口相连接。

3.2 电压检测

电压检测电路用于实时检测主回路的电压信号，为DSP系统欠压、过压保护提供原始数据。由于井下中性点不接地，所以直接从主回路三相变压器（3300：110）二次侧输出信号中性点取出A相电压的信号可能出现温漂现象，导致A相电压读取有较大误差所以采用移相电路进行处理，使得DSP接受的信号相位与A相实际情况相符，电压调理电路如图4所示。

四、结束语

通过对我国煤矿井下电网容量需求和负荷控制技术的发展历程的分析，设计3.3kV组合起动器控制系统，系统能够实时监测电动机电压、电流和温度等参数，DSP对主要运行参数进行运算和处理，同时利用CAN通信电路将系统运行状况发送给远程的监控系统。

参 考 文 献

[1]黄静波，牟龙华.矿用组合开关主控单元设计[J].工矿自动化，2007（1）：74-77.

[2]卢杰， 机械自动化在煤矿中的应用[J].煤炭技术，2014，（3）106-108.

[3] 郝长城.基于PLC的智能型矿用隔爆馈电开关的研制[D].北京：中国矿业大学，2008.