煤矿高压开关综合保护系统的设计

（晋能控股集团晋华宫煤矿电气科 山西 037003）

引言

一直以来，煤炭安全是制约煤炭工业发展的重大问题。随着采煤深度的不断增加、综采设备的功率增加以及供电距离增长对其供电安全性提出了更高的要求。在实际煤矿供电中常发生由于供电保护系统出现拒动、误动作等情况导致其失效，无法真正对煤矿供电系统进行保护。鉴于煤矿工作面环境较为恶劣，且供电系统的负荷波动较大，对保护系统性能的要求越来越高。本文将着重对高压开关综合保护器进行设计，为保证综采工作面的安全生产奠定基础。

1.矿井电网故障及保护分析

众所周知，矿井的生产环境恶劣、环境潮湿，而且设备的负荷及其波动较大，相对应的综合保护系统与地面相对具有很大的差别。目前，矿井的故障问题可总结为如下：短路、过载、过压、欠压以及漏电等，对应的保护手段包括有过电流保护、漏电保护以及接地保护等。

(1)过电流保护

一般情况下，矿井供电系统由于短路、断相以及过载等情况均会导致其出现过电流的故障。过电流的主要故障特征为短路，其线路中瞬间增大的电流值不仅会烧毁电气设备，而且还容易导致井下火灾、瓦斯爆炸的发生，根据《煤炭安全规程》的相关规定，必须在矿井供电系统中配置过电流保护系统。

(2)过载保护

所谓过载指的是矿井电气设备在超过额定电流值的情况下运行。一般的电气设备允许在短期内过载运行；但是，当电气设备长时间在过载状态下运行时，设备本身的绝缘材料会被老化，甚至存在击穿的可能导致被烧毁。因此，需为矿井电气装置配置过载保护系统，其保护原理为：当检测到运行电流值大于额定电流值时保护系统会判定为过载；当仍然以过载电流值运行时，保护系统会自动断开电流。

(3)欠压、过压保护

矿井综采设备在实际运行中根据工况的不同对应负荷不同，存在负荷急剧变化的情况，从而导致电网电压出现异常波动的情况，包括有过压和欠压两种状态。一般的，将过电压值超过额定电压值120%以上时，过电压保护系统会启动；当欠电压值低于额定电压值65%以下时，欠电压保护系统会启动。

(4)漏电保护

据统计表明，矿井电网故障有70%均是由于漏电所导致的。漏电主要由于工作面湿度较大、环境相对恶劣所导致。导致漏电事故的原因众多，包括主观和客观两方面。此外，漏电还会导致短路故障的发生，从而在影响设备正常运行的同时，还会导致火灾、瓦斯等事故的发生。

鉴于矿井供电电网各种故障并存的现状，急需一套高性能、高可靠性的综合保护系统实现对供电系统的保护。

2.煤矿高压开关综合保护系统的设计

(1)煤矿高压开关综合保护系统的硬件设计

简单的说，煤矿高压开关综合保护系统是根据对现场电信号进行采集分析后，判断故障类型并启动相应的保护系统实现对供电系统的保护。基于上述保护原理设计如图1所示的综合保护系统总体框图。

如图1所示，高压开关综合保护系统主要由DSP单元、信号采集单元、人机交互单元、通信单元以及储存单元等。

DSP单元为数字信号处理器，其为综合保护系统的关键单元；根据综合保护系统的工作任务强度为其配置的芯片的信号为TMS320F2812。同时，为降低DSP单元的能耗采用低电压对其进行供电，其中为其输入/输出接口配置电压值为3.3V，为其内核电源配置的电压值为1.8V。

图1 高压开关综合保护系统的总体框图

信号采集单元为对现场电压信号获取的主要途径，结合高压开关综合保护系统的任务需对现场的电压信号、电流信号以及对应的零序电压信号和电流信号进行采集，并对所采集的信号通过变换器和低通滤波器处理转换为可为DSP单元识别的信号，其处理流程如图2所示：

图2 信号采集单元的信号转换流程框图

(2)煤矿高压开关综合保护系统的软件设计

结合煤矿生产常见的电气故障，对漏电、短路、过载、欠压等故障类型的电信号进行采集，并根据采集结果与标准值进行比对，从而开启相应的保护动作。高压开关综合保护系统主程序控制流程如图3所示：

图3 高压开关综合保护系统主程序控制流程

如图3所示，综合保护系统在运行前首先对系统进行初始化运行，在完成漏电闭锁检测正常后合闸运行，对现场电信号进行采集分析后对故障类型进行确定，并根据所确定的故障类型作出报警、故障原因分析、故障信息存储以及显示等动作。

综合保护系统在启动后首先进行漏电检测。当检测到支路的绝缘电阻小于设定电阻值时，系统不予运行；当检测到绝缘电阻大于设定电阻时，系统可以运行开启保护功能。当在初始运行阶段检测到系统漏电时，需根据采集到的信号具体确定漏电原因，待故障排除后重新进行漏电检测，确保无误后开始运行。

3.总结

煤矿供电系统为综采工作面的动力源泉，供电系统的可靠性和安全性影响煤矿的安全生产。煤矿供电系统在实际运行中存在短路、过压、欠压、过载以及漏电等故障严重威胁工作面。为此，本文以DSP处理器为核心设计一款高压开关综合保护系统，基于对现场电压信号、电流信号以及零序电压信号和零序电流信号采集分析的基础上，确定供电网络故障类型和故障原因，为作业人员定位故障和解决故障提供扎实的依据。此外，基于高压开关综合保护系统还可实现对故障类型进行存储并显示。

总之，本文所设计的高压开关综合保护系统可保护煤矿供电的安全、可靠、高效运行。