矿井供电过程漏电监控保护系统设计

席 欣

（山西霍宝干河煤矿有限公司，山西临汾 041600）

0 引言

煤矿作为国家综合快速发展的重要资源，在煤矿开采过程中会涉及到较大的煤矿开采设备，包括采煤机、掘进机、通风机、提升机、照明等，这些设备在使用过程中会消耗大量的电能，且设备运行功率相对较大，使得设备电缆承受较大的电流负荷作用。近年来，因设备漏电造成的井下事故频发，井下漏电事故一旦爆发，将对煤矿开采及作业安全造成严重影响［1］。据分析，井下设备的正常运行主要依靠电缆进行供电，而电缆作业过程中因受到井下潮湿稳定影响，加上电缆长时间作业和设备耗电功率较高，导致了电缆出现不同程度的老化现象，部分井下的不规范操作，最终造成了设备电缆出现了漏电故障，严重影响矿井供电过程的安全。将自动化控制技术应用到井下供电过程的漏电监控过程中，实现对井下供电过程的安全监控保护成为当前重点［2］。

为此，本文开展了矿井供电过程漏电的安全监控保护系统的设计研究，并重点对该系统的关键分系统进行分析和实际应用，验证了该监控系统的可靠性及稳定性，对提高井下供电过程的安全保护具有重要意义。

1 供电过程漏电保护的必要性分析

目前，市场上针对井下供电过程漏电监控保护的检测方法包括稳态分量法、直流源检测法、负序电流法等，根据不同井下工况及供电功率大小，选择最佳的漏电保护检测方法。其中，负序电流法判断逻辑相对简单，较易实现，但所采集的数据存在信号微弱、干扰信号多等问题，数据采集准确性相对较差［3］。针对井下供电过程，采取漏电保护的必要性主要包括以下两个方面。

（1）防止电气雷管爆炸。由于井下工作设备的工作功率相对较高，极容易造成工作电流突然变大，当发生设备漏电且漏电电流达到雷管爆炸电流阀值时，则容易发生电气雷管的爆炸。安装漏电保护系统后，可根据漏电电流大小自动切断电网，有效防止事故发生。

（2）避免瓦斯爆炸。井下采煤过程中会产生大量粉尘及瓦斯，并在一定空间范围内进行聚集，当设备出现漏电故障时，极容易产生火源或电火花，当漏电火源或电火花与一定浓度的瓦斯接触时，则会瞬间发生井下瓦斯爆炸。设计漏电保护系统后，将通过检测电路及产生的电火花，及时切断电网，以防止瓦斯爆炸事故发生［4］。因此，采用科学、高效的漏电检测算法，实现对井下多路供电电路的实时数据检测，实现供电过程漏电的自动监控及保护，成为当前建设智能化安全矿井的重要方向。

2 漏电保护系统总体设计

该供电过程中的漏电监控保护系统包括了24 V工作电源、信号调节电路、CPU控制器、电阻连续检测、显示仪表、报警单元等部分。在整个环节中，首先通过终端的电压采集模块，对井下供电过程中的电压及电流进行实时采集，所采集信号通过信号调理电路的分析处理后，输出至DSP控制器中，将检测信号转变为电压信号，并对信号进行分析和逻辑判断［5］。所判断出的控制命令传输上机位软件系统，进行设备供电状态的实时显示，当检测到的漏电电流或电压值超过对应阀值时，该监控系统则及时发出相应的报警提示，通过执行机构及时切断整个供电系统的供电电源。而24 V则主要是为整套供电漏电监控保护系统提供工作电压。其中，DSP控制器选用了TMS320F28335型芯片，具有高精度、高准确性、数据响应速度快等特点，在煤矿供电保护系统中应用较为广泛。整套漏电监控保护系统的结构框架如图1所示。

图1 供电过程漏电监控保护系统

3 关键分系统设计

3.1 漏电保护系统硬件系统设计

3.1.1 控制器选型设计

由于该漏电保护系统在运行过程中具有较大的数据获取量及存储量，为提高整套系统的运行能力，选用了TMS320F28335芯片作为系统的控制器，其实物如图2所示。该芯片采用了32／64位处理器，融合了多种复杂算法，能快速实现系统数据的采集、计算、处理及判断；同时，采用了DSP专用硬件乘法器，可提高系统漏电的检查及判断速度［6］。另外，该芯片设置了多路零序电流、电压、电阻采样获取点，自备了A／D数据转换模块，能实现超过12条A／D信号的转换，CPU主频达到160 MHz，较好地满足了该监控系统的数据处理需求。

图2 TMS320F28335芯片实物

3.1.2 电源模块设计

电源模块是整个漏电监控保护系统正常运行的关键，保证该电源模块的运行稳定，对提高该监控系统的保护性能至关重要。为此，在该电源模块设计中，选用了DSP精密芯片，内部的工作电压设置为1.8 V，I／O接口工作电压为3.3 V，此引脚电压均采用固定方式进行输出。同时，设置了1个24 V的直流电源，可为漏电安全监控系统中各类继电器、绝缘电阻等零件的运行提供必要的工作电源。同时，在电源模块中设计了多个LM324运算放大器，其工作电压为DC12 V。另外，该电源模块中设计了一个电容和开关电源模块，工作电压为5 V，可实现对信号的谐波去除及干扰。电源模块的电路如图3所示。

图3 电源模块电路

3.1.3 电压调节模块电路设计

该漏电监控保护系统在运行时，所需的电压值相对较多，且不稳定的电压值将对该系统的运行构成重要影响。因此，对系统中电压值进行了调节模块设计。因此，选用了TV16E型电压互感器，可实现电压2 000∶2 000的变比，输入电流为2.5 mA，在互感器一侧添加了一个210 kΩ的电阻，可将外部的AC220 V电压信号转换为系统所需的DC直流电压平台和电流值。另外，通过设计的LM324运算放大器，可将电压信号进行升压或降压，并保持在一定波动范围内。由此，实现对系统中电压范围的调节，电压调节模块电路如图4所示。

图4 电压调节模块电路

3.2 软件系统程序设计

在该软件系统中，所涉及到的程序包括主程序、采样程序、初始化子程序、中断子程序等。在该系统启动时，首先通过系统内部的主程序进行初始化操作，实现系统自检，无误后启动采样子程序，对供电过程中的零序电压参数进行信号采集，并将采集信号经过调节后，进行A／D数字信号转换，与设置的零序电压阀值进行对比判断，若超过对应阀值，则向保护子程序发出控制命令和启动该保护程序，记录相应的故障信息。同时，向中断子程序发出命令，实现整个电路的供电中断，软件系统的主程序控制流程如图5所示。另外，该软件系统中的保护子程序设计中采用了GPIO寄存器、定时器、ADC寄存器等，在与主程序信号传递接收时，充分利用了EnableInterrupt、Init Adc等函数进行调用操作。而中断子程序则主要利用XINT1、XINT2接口与外部进行信号连接。

图5 主程序控制流程

4 监控系统应用效果分析

在完成上述井下供电过程漏电的监控保护系统设计后，将其在矿井中进行了应用模拟验证。在应用过程中，该系统能对井下各主干电缆，分支电缆上的电流、电阻、电压、温度、火源等信息进行信号采集及检测，整个信号的采集时间控制在0.4 s范围内，并及时向监控系统的CPU发出信号。同时，由于添加了抗干扰模块，所采集信号的准确性及清晰度相对较高。针对高阻接地、间接性故障状态时，该监控系统也实现了较为准确的检漏现象。在为期5个月的运行期间，该监控系统累计检测了15次电流过大、电阻过热等不同类型故障现象，针对这些故障类型，该监控系统根据内部的算法，及时自动切断了10次电网通电，有效实现了对井下供电过程的安全保护。据相关人员评价，该漏电监控保护系统的应用，降低了井下电气安全检测人员的劳动强度，减少了企业相关电气检修的经济费用支出，所带来的实际应用价值重大。

5 结束语

将当前成熟的信息化、智能化的控制技术应用到矿井供电过程漏电保护中，实现对矿井供电过程安全的保护，已成为企业重点考虑方向，而实现供电过程中电流、电压、电阻及温度等信号参数的检测是关键。为此，本文在分析当前矿用供电过程漏电监控保护系统应用的必要性基础上，开展了漏电监控保护系统的总体设计及关键分系统研究，并将该系统进行了现场应用检测。结果显示，该监控系统运行稳定可靠，能准确、快速地对供电过程中相关参数进行检测，并及时发出切断电网的控制操作，实现了对井下电网及井下作业的安全保护，具有重要的实际应用价值。