矿用馈电开关保护装置设计研究

赵小平，韩晨霞，马 晟，高 涛

(神木职业技术学院，陕西 神木 719300)

近年来，我国煤炭行业历经结构性调整，降低生产过程中高污染、高耗能，其比重有所下降，但是主体地位没有发生改变。对新型智能化自动设备的使用都有全新的提高，尤其是矿井供电系统的加强和完善，不仅需要提供基本保障的供电功能，而且还需提供完善的保护功能。由于煤矿井下环境复杂、恶劣，致使低压电网出现各种故障，当矿井空气中含有瓦斯等气体时，如果供电设备出现短路和漏电，容易引起重要的安全事故。目前，在具有瓦斯、煤尘等危险爆炸性气体的环境中，煤矿常采用矿用隔爆低压真空馈电开关，该设备具有智能化程度高、可靠性强的特点。馈电开关作为煤矿井下重要的供电系统安全保障的重要设备，国内外学者对其进行了深入的研究。文献[1]将零序电抗器并联到电阻接地系统，当发生单相接地故障时，在非故障支路与故障支路中，零序电流与零序电压相位差出现差异，根据差异性实现故障选线，该装置不受电网中零序电抗器补偿的影响，可靠动作；文献[2]采用PLC控制器，设计了煤矿馈电开关保护系统，降低了井下电网的故障发生率。鉴于此，为了确保在复杂环境下设备的稳定运行，馈电开关保护装置应具有灵敏度高、选择准确、可靠性高、功能全面等特性，本文研究设计了矿用馈电开关保护装置，设计系统的硬件部分和软件部分，研究推动了矿用防爆技术的进步和发展。

1 井下低压供电系统结构

随着我国经济的发展，煤矿供电系统的装机容量和电压等级不断提高。其中综采装机容量已经达到2 500 kW，电压升至3 300 V。煤矿采用变电站+放射式供电的方式对井下低压电网进行供电。矿井低压供电系统结构包括磁力启动器、分支馈电开关、总馈电开关、高压配电装置和变压器，如图1所示。在井下低压供电电网运行过程中，系统存在3个状态(正常状态、异常状态、故障状态)[3-5]。本文所研究的馈电开关保护装置主要用于异常状态和故障状态下。

图1 井下低压供电系统结构

2 馈电开关保护装置硬件设计

2.1 馈电开关保护装置硬件框架

基于系统的稳定性、可靠性、环境对性能的影响、性价比、维护方便等，馈电开关保护装置主要通过控制断路器来实现相应保护。馈电开关保护装置硬件主要由电源模块、辅助模块、永磁操作机构驱动和储能电容充电模块、开关量输入输出模块等构成[6-7]。馈电开关保护装置硬件框架如图2所示。

图2 馈电开关保护装置硬件框架

功能分析：①电源模块。主要为系统提供各项电压，采用铜柱固定，与主控电路板分开，减少电源模块对主板电路的影响。②辅助功能模块。为系统提供可增设性模块，由温度测量模块、外扩Flash和故障信息存储模块构成。③储能电容充电和永磁操作机构驱动模块。主要是完成故障保护。④开关量输入输出模块。主要用于识别现场的开关状态。⑤通信模块，主要采用CAN总线，实现和其他设备的通信。⑥人机接口模块。主要由液晶和按键组成。⑦模拟量采集模块。主要由电网电流、电压，零序电流、电压构成。

2.2 系统硬件电路设计

系统硬件电路设计主要包括永磁操作机构驱动模块电路、开关量输入输出模块电路、液晶显示模块电路、交流信号处理电路、TMS320F28335最小系统电路、电源模块电路、其他外围功能模块电路等。电源质量会直接关系着系统的稳定，是系统运行的基础。变压器设计电路原理如图3所示。

图3 变压器设计电路原理

系统主电源为48 V交流电、附加直流电源模块需要+36 V电压，机电控制电路需要+24 V电压，信号调理模块需要±2.5、±5.0 V电压，TMS320F28335数字信号处理器、LCD12864液晶显示模块需要+3.3 V电压，ADC保护电路需要±2.5 V电压。因此，本文采用小型电源变压器，对各个系统和模块进行供电。

3 馈电开关保护装置软件设计

对馈电开关保护装置软件的设计，主要包括主程序、故障保护模块、人机交互模块、数据采集与分析模块、CAN总线通信模块等，本文仅介绍主程序、故障保护模块等软件的设计[9-10]。

3.1 主程序

系统主程序是整个系统的框架，主要是参数初始变量赋值和器件的初始化[11-12]。主程序执行流程如图4所示。

图4 主程序执行流程

3.2 故障保护功能程序设计

漏电故障保护程序流程[13-15]如图5所示。系统电压参数故障保护的程序流程如图6所示。

图5 漏电故障保护程序流程

图6 系统电压参数故障保护的程序流程

3.3 CAN通信模块程序设计

CAN总线作为国际标准的现场总线，具有数据传输速率高、自动故障判断、故障节点自动脱离、数据传输距离远、成本低廉等特性。多节点CAN总线设备通信如图7所示。

图7 多节点CAN总线设备通信示意

4 系统抗干扰设计

由于矿用馈电开关设备的工作环境较为复杂，为了使矿用馈电开关具有良好的抗干扰设计，系统抗干扰设计[8]：①使用隔离技术。在矿用馈电开关保护装置的开关量输出和开关量输入均采用隔离技术，能够有效分离软电路和强电路。②采用降额设计。在满足电路设计的基础上，使元件承受的应力值低于额定值。③每个IC芯片的电源端并联滤波电容。主要作用是防止芯片因脉冲电压而出现工作异常。④采用二极管。在AD转换的模拟输入端使用二极管，主要作用是防止电压对模块造成的损伤。⑤使用消抖电容。在按键输入端接入消抖电容，避免消抖作用，也起到抗干扰作用。⑥使用电路功能模块布局。在进行PCB元件布局时，采用电路功能模块布局。

5 结论

基于矿井低压供电系统结构，研究了馈电开关保护装置硬件设计，主要包括电源模块、辅助模块、永磁操作机构驱动和储能电容充电模块、开关量输入输出模块、通信模块、人机接口模块、模拟量采集模块、核心微控制器模块等，设计了变压器电路及系统抗干扰；研究了馈电开关保护装置软件设计，主要包括主程序、故障保护模块、人机交互模块、数据采集与分析模块、CAN总线通信模块等，本文仅介绍主程序、故障保护模块等软件的设计，分析了主程序执行流程及漏电故障保护程序流程等，对煤矿事业的发展具有重要的意义。