基于STM32F103ZET6处理器的低压电气设备监测系统设计

乔喆

(晋城市煤炭煤层气工业局， 山西 晋城 048000)

0 引言

矿井下低压电路网是煤矿供电的重要方式，而其低压电气设备受到煤炭、岩石、机械设备的挤压碰撞，对其造成损坏而发生漏电和接地故障;受矿井下潮湿且有可燃性气体环境的影响的低压电气设备，若故障不能及时排除，可能造成设备损坏、人身生命安全、瓦斯爆炸等严重事故[1-2]。我国井下设备的保护经历机电保护阶段、半导体阶段、微机式保护阶段，并随着数字化信息技术、自动化与智能化技术的发展，使得目前井下低压配电线路面临的一些问题可以通过微机的自动化监测、保护、预警等功能及时解决。因此，研究设计一种在矿井恶劣环境下依旧能正常安全生产的监低压设备监测保护系统具有十分重要的意义[3-5]。

1 常见故障及保护

1.1 短路故障分析及保护

在煤矿井下低压设备的供电系统中，以短路故障最为常见。其中短路故障根据故障类型又可以分为三相短路、两相接地短路、两相短路和单相接地短路，其中以单相接地短路故障发生的概率最大，约占其65%。由于矿井下工作要求的特殊性，变压器中性点禁止直接接地，故矿井下的供电系统在发生单相接地短路故障时，会直接发生漏电电流。假设矿井下供电系统电源容量无限大，电网中d点处发生三相短路故障，其等效电路如图1所示，根据对称性对其中一项进行分析，可得短路前的电压、电流为：

u=Umsin(ωt+θ)

(1)

i=Imsin(ωt+θ-φ)

(2)

图1 三项短路故障示意图

由图1可知，左侧回路仍为一个回路，每项阻抗由原来R+Rz+j(XL+XLZ)，减为R+jXL；右侧电力没有电源供给，它的电流从短路点开始衰减直至0，其线路经过一个暂态过程，设短路瞬间电流值为id,根据KVL方程得：

(3)

对上述一阶常系数非齐次微分方程求解后，可得：

id=Izmsin(ωt+θ-φd)+[Imsin(θ-Ø)-

(4)

由式(4)看出,短路电流被分为两部分，一部分呈正弦周期性变化，另一部分按指数随时间而衰减。

针对矿井下短路故障，因两相短路时的电流值在所有短路故障中最小，通常矿井下低压馈电开关速断保护电流值,其最常使用线路末端的两相短路电流进行保证装置的整定，即：

Iz≥IQe+Kx∑Ie

(5)

式中:Iz为速断保护电流整定值；IQe为最大容量电动机的启动电流；Kx为实际参数；∑Ie为其余电动机启动电流之和。

1.2 过载故障分析及保护

矿上电气设备的过载主要是指通过电气设备的实际电流值超过规定允许时间内的额定电流值的一种非正常运行状态，其电流大约为额定电流值的1.2～3倍，作用时间从几十分钟到几个小时不等。矿井下发生过载的主要原因为电动机启动力矩不足或负载过重时启动；井下电网中电压发生偏移；过载时设备产生的高热量随时间不断累积，长时间运行会加速设备老化，甚至造成设备损坏。

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针对矿井下电气设备的过载反应，采取反时限动作保护的原理，即可利用微机保护实现反时限的保护。由于矿井下配电设备负荷波动比其它地方较大，流过低压开关中电流变化更加频繁，相比于传统三段式保护，反时限保护具有更多的动作选择空间，延时动作更加准确，能保证矿井下低压电网出现故障时安全、可靠、选择性做出保护反应。同时，在利用反时限动作应对矿井下过载保护时，要充分考虑电气设备热量累积效应，防止给设备正常运行带来不利影响。

1.3 漏电故障分析及保护

矿井下工作环境恶劣，负荷波动大，若电缆等电气设备极易受到岩石煤炭的撞击或挤压，极易造成漏电故障的发生。目前国内对于矿井下供电系统采用变压器中性点不接地系统中对漏电故障的定义,即井下供电系统总绝缘阻抗下降使得入地电流增大，甚至高达数10 A时，线路或电气设备发生漏电故障。根据煤矿安全要求，矿井下低压馈电线上为防止漏电故障的发生必须有检漏保护或漏电保护装置，而对煤矿井下低压漏电保护装置一般有如下要求：

1) 具有漏电跳闸和漏电闭锁的双重保证功能。根据工程经验，对于额定电压为380 V供电等级，漏电动作电阻的整定值为3.5 kΩ，漏电闭锁电阻的整定值为7 kΩ；对于660 V电压等级的供电，漏电动作电阻的整定值为11 kΩ，漏电闭锁电阻的整定值为22 kΩ。

2) 漏电保护装置在保证不发生误动、不拒动、灵敏可靠的要求下动作时间短、速度快。国内矿井下对于漏电人身触电的电气安全参量为30 mA·s,同时随着所用电压等级的提高就更应保证故障发生时切断故障的时间更短、速度更快。

2 低压电气设备监测系统设计

2.1 总体结构

本系统硬件电路系统将监测、保护、通讯、控制功能于一体，通过实时采样监测电流、电压等参数信号，当发生故障时能自动判别，输出控制动作，同时给与报警功能，并通过人机接口进行上传下达交互命令。该系统的主要组成部分为：主控模块、数据采集模块、开关输入/输出模块、人机接口、通信单元等部分，其硬件总体结构如图2所示。

图2 系统硬件总体结构

2.2 主控处理器介绍

为适用矿井下复杂环境，监测系统以STM32F103ZET6为核心的嵌入式控制芯片，其性能相比于8bit单片机内核更为强大，功耗更低，专门实用于工业控制和消费电子等领域但成本其成本仅略高于8 bit单片机。STM32F103ZET6主控处理器特点为：

2) 拥有USART串口数为3个，通过此串口可以对指定的数据与外部连接设备进行通信连接。

3) 此芯片存储器容量为521 KB，144个引脚，能同时输出多路PWM控制信号。

2.3 采样电路

该系统为保证所需采样结果高度线性关系，对模拟信号的的采集利用小型互感器将一次侧电压、电流信号通过互感器变换成二次侧的-7.07 V至+7.07 V之间的弱电电压、电流信号，再利用高精度运算放大器与滤波器对信号进行调理与滤波，最后通过A/D变换器进行转化。

系统采用RPT-206B型号的电压互感器进行电压信号采集，该电压互感器体积与质量都小，相对方便进行电路板上的焊接工作。使用时只要调整输入端限流电阻值大小便可将电压信号变换为2 mA的电流信号，如图3所示，R3、R6为限流电阻，R4、R5、C3、C4组成滤波电路，电容C6为小电容，用于去耦合滤波，运算放大器采用LM224。

图3 电压采样电路

系统采用霍尔传感器VSM025A完成对直流信号的采样，该传感器根据霍尔效应可以之间测量直流、交流、脉冲等信号波形，精度较高，针对矿井下复杂环境，其良好的线性度能出色采集所需信息。其接线图如图4所示，测量电阻R16根据所需待测电压的大小确定，同时与R16并联的二极管可以进行稳压，防止电压超过设定范围。

图4 电流采样电路

2.4 驱动电路

系统的驱动电路设计中,增加变压器对电路进行隔离，可以有效地防止全桥电路上桥臂上下驱动开关输出占空比不同步而产生磁偏。该驱动电路通过互补对称的设计完成输入信号放大，效应速度快，带负载能力高，可以对开关管进行驱动。增加的变压器一方面起隔离作用；另一方面将驱动信号根据需求分为4份,同时驱动主电路的4个开关导通和关断，大大地提高了效率。

图5 驱动电路

3 软件程序设计

系统软件程序设计采用模块化结构，主程序不断进行循环扫描工作。系统由主程序监测、初始化与自检程序、采样程序、整定参数子程序、保护子程序、故障监测子程序、显示子程序、通信子程序、故障处理子程序等模块组成。将这些功能分别进行设计、编译、调试，完成整体设计。软件主程序流程如图6所示。

图6 主程序流程

系统先进入各模块的任务初始化设定，例如中断设定、寄存器设定、定时器工作方式、任务调配设定等工作，再进入自检程序扫描，完成启动前系统初始判断。系统完成自检后，每隔0.625 ms对系统各部分电压、电流信号采集并整定计算处理，进入故障子程序完成故障类型识别，实时监测故障，并对故障进行判别、警报、显示、处理等功能。

4 结论

通过对矿井下低压电气设备常见故障原理的分析，根据矿井实际需求，以STM32F103ZET6为核心处理器，设计了相关硬件电路并对采样电路、驱动电路等详细地说明，同时对软件实现功能完成了主程序与子程序设计，从而确保整个监控系统的稳定运行。