煤矿供电系统线路保护装置研究与设计

弓鹏飞

(西山煤电 晋兴公司 斜沟煤矿，山西 吕梁 033600)

0 引言

作为我国工业生产的主要能源之一，煤炭的生产效率和生产安全至关重要。随着自动化技术及机械制造工艺的不断进步，大量电气设备已在井下得到广泛使用，目前煤矿供电系统的电压等级主要为6 kV与10 kV，随着综采工作面的持续扩大，供电线路及装置也布局到矿井下较深位置，因此井下供电系统层级较多、变电站分布较散且输电距离长。在这种供电方式下，线路保护装置存在着安全限值无法统一、保护功能欠缺等问题，当供电系统出现过压、过流、欠压等故障时，保护装置不能及时有效地启动保护动作，跳闸事故发生概率较高，易引发井下大规模停电事故，对煤矿的生产效率与安全性影响较大。

随着自动控制技术、通讯技术及软件技术的快速发展，线路保护的技术水平也得到大幅提高。根据国内煤矿井下供电系统的特点，本文设计了一种基于CAN总线通讯技术的线路保护系统方案，可实现供电系统中多个保护装置的数据互通，通过主机对故障数据进行处理并发出控制信号，可避免越级跳闸现象的发生，实现对井下供电系统的远程监控与保护。

1 保护装置总体设计

1.1 保护原理

线路保护的基本原理是搭建基于CAN总线的通讯网络，供电系统中多个保护装置与主机可通过该网络实现数据互通，主机接收到保护装置上传的故障数据后，可快速识别出故障状态与位置，选择合适的保护动作对线路进行保护，以保证供电系统的稳定运行，线路保护结构如图1所示。通讯网络中某一节点可向其他节点传输数据信息，当多个保护装置同时向CAN总线传输数据时，系统会中断级别较低节点的传输数据功能，而级别较高节点可继续上传数据。图中保护装置的传输数据等级由QF6～QF1依次降低，而跳闸等级则由QF6～QF1依次升高。通过设定各级之间保护动作的延时，并选择合理的跳闸保护动作，可有效避免越级跳闸事故的发生。

图1 线路保护结构示意图

1.2 主要功能

线路保护装置主要有以下4种功能：

(1) 远程监控功能。保护装置可在线测量供电系统中电压与电流等电气量，并进行有功、无功等参数的计算，将数据传输到主机，主机可对保护装置的参数进行设定与调整；同时保护装置也可监测到断路器、闸刀的开关信息，在线控制断路器与闸刀的通断。

(2) 保护功能。保护功能包括过流保护、欠压保护及过压保护等，可通过保护软压板对每个保护动作的启动与停止进行控制。

(3) 故障报警功能。保护装置检测到故障时，会通过语音报警、主机界面显示等方式提醒工作人员。若保护装置自身存在故障，也可进行故障报警并停止运行，经工作人员修复后保护装置可上电继续运行。

(4) 故障定位功能。主机可通过对上传故障数据的分析处理确定故障发生位置，从而方便工作人员及时进行故障线路维修。

2 硬件设计

硬件电路结构示意图如图2所示，该电路主要包括交流电压电流输入模块、CPU模块、开关量模块、通信模块、人机对话模块及电源模块，这种插件式的硬件设计方式可方便电路的功能改造与扩展。CPU为整个保护电路的核心，包含存储、晶振及复位电路，主要功能有数据处理分析、逻辑判断、故障处理、通讯及存储等。交流信号输入模块则包含电压电流互感器、电压变换与滤波电路，可将采样得到的信号传输至控制芯片。通信模块包括RS485与CAN接口电路，可实现供电系统中保护装置与主机间的数据传输功能。开关量输入模块则用于采集多个开关的状态信息。人机对话模块的主要作用是便于工作人员掌握保护装置的状态并对其进行设置。电源模块则用于给所有硬件电路供电，维持保护装置的正常运行。

图2 硬件电路结构示意图

2.1 交流输入电路

交流电压与电流的传感器变比分别为120 V/7.07 V和100 A/7.07 V,电压与电流经采样后转换为有效值7.07 V的交流信号，因芯片MB9BF518S的信号测量范围为0 V～5 V，所得交流信号还需经信号转换电路转换为控制芯片可测量的0 V～5 V信号。

图3为信号转换电路图，电压与电流传感器输入的信号经分压电阻R1与R2，将正弦信号按10 V/1.37 V比例转换后，再经运算放大器转换为0 V～5 V的正极信号，经RC滤波后输入到芯片进行AD转换。

图3 信号转换电路

2.2 CAN总线接口电路

控制芯片本身已具备CAN总线控制功能，所以接口电路只需围绕CAN总线收发器进行设计。图4为CAN总线接口电路，芯片CTM8251T具备直流电压隔离与收发信号功能，CTXD与CRXD分别为发送信号和接收信号的引脚。

图4 CAN总线接口电路

2.3 开关量输入电路

开关量输入电路如图5所示，输入信号为220 V交流电压，交流信号经整流与滤波后输入到光耦模块，此时交流信号已转换为正极信号，可使光耦芯片TLP521导通，最终输出低电平信号到控制芯片。

图5 开关量输入信号电路

3 功能测试

为验证本文保护装置设计的有效性，根据矿井实际供电状况，搭建如图6所示的试验电路，设置QF1的电流传感器变比为80/1，过流保护延时为300 ms；QF2、QF3与QF4、QF5传感器变比分别为60/1与40/1，过流保护延时分别为150 ms与75 ms；QF6电流传感器比值为20/1，过流保护无延时；6个开关的快速过流保护动作最大电流值均为100 A。

图6 试验电路示意图

设置A、B、C处发生短路故障，其线路电流超过100 A时，6个开关在可正常运行状态下的测试数据如表1所示。设置D处发生故障且QF2、QF3发生故障，测试数据如表2所示。由表1与表2测试数据可知，本文所设计的保护装置方案可迅速切断短路电流，且可避免越级跳闸事故的发生。

表1 A、B、C处故障的测试结果

表2 D处与部分开关故障的测试结果

4 结束语

本文根据矿井目前供电系统线路保护的实际需求，设计了基于控制芯片MB9BF518S的保护装置，首先对煤矿井下线路保护装置的工作原理和主要功能进行了介绍，随后对保护装置的总体结构及具体电路进行了详细的设计。测试结果表明，所设计线路保护装置可满足煤矿供电系统的保护需求，对煤矿的高效、安全生产具有积极意义。