防爆开关智能保护器的设计分析

王 骞

（潞安化工集团古城煤矿，山西 长治 046100）

6kV 电力系统是国内大部分矿井的主要供电方式。然而，近几年来，由于矿井开采能力的提高，以及大功率开采和起重设备的使用，煤矿井下的电力供应需求有了显著的提高，目前，10kV电力需求量正在逐渐提高。但是仅将工作面的安全保护装置从6kV防爆智能保护装置改为10kV防爆智能保护装置，使实际生产中的防爆开关智能保护器出现误动作频率较高，并在设备开关机的一瞬间产生了很强的电磁干扰，从而使保护器受到了损伤[1]。

1 防爆开关智能保护器的总体设计

1.1 现状分析

目前，综采工作面各种综合防护设备可分为DCBX、DGZB、BLD、GZJB等多种系列。在这些保护中，DCZB 系列的保护装置应用的范围最广。本文在总结了DCZB系列保护装置在实际使用中存在的问题后，得出了以下结论：

（1）在一定的时段内，此保护装置所能看到的电压数值会有很大的波动，而所呈现的电压值与网络的波形有很大的关系，其主要是由于其所受的变压器的影响。

（2）在一些情况下，DCZB 系列保护器的短路信号处理时间长达100ms 以上，并且该系列保护器在短路检测时间上存在缺陷，导致短路保护功能出现异常[2]。

（3）DCZB系列保护装置因电源负载由6kV增加到10kV，导致在工作过程中出现拒动作的现象。

因此，煤矿用DCZB 型防爆智能安全装置的关键问题是短路和跳闸。所以，有必要研制一种能够有效地克服短路越线故障的智能型保护装置。

1.2 防爆开关智能保护器的功能需求

根据煤矿电力系统中常见的故障类型，针对故障出现形式，设计了具有漏电保护、过载保护、短路保护功能的防爆智能开关，同时实现设备的绝缘检测和设备欠压保护，确保供电系统的安全工作[3]。

1.2.1 漏电保护

由于综采工作面作业条件较差，且工作环境较为复杂，在电力系统中经常出现单相漏电、单相接地等问题。在工作面上出现的泄漏事故，不但会使现场人员受到电击，还可能造成瓦斯爆炸、电气雷管提前爆炸等危险。目前，采用零序漏电保护和零序电源方向式漏电保护，可以达到漏电保护的目的[4]。

1.2.2 电流保护

供电网络中电流保护是保障安全的重要措施，电流防护主要有过负荷及短路防护。针对超负荷防护，必须针对不同电动机所具有的不同的发热时值，决定其超负荷逆时限特征并进行相应的防护。短路防护通常采用快速断开的方法来完成，即实时地进行电流电压相位进行检测，从而即根据电流的相位来判定有无短路，系统检测到短路现象后及时出发短路保护[5]。

同时，对防爆开关的智能化保护也提出了相应的要求，既要实现设备的绝缘检测，同时也能够进行设备欠压保护。

2 防爆开关智能保护器的设计

从安全防护系统的软、硬件两个角度进行了智能保护器的设计，并与基本方案相配套，实现了相应的防干扰性能。

2.1 硬件设计

图1 为10kV 防爆开关智能保护器的基本结构，从结构上看，与6kV的结构框架基本一致，通过对电路的改造和升级优化，实现了10kV 供电电路的保护需求。智能保护装置以微型控制单元为中心，结合目前市场上的实际应用情况及经济情况，选择C8051F010 型微控制器为主要器件，实现了智能化保护装置的设计。以C8051F010为保护装置核心，并配置了电源电路、复位电路、实时时钟、外时钟等[6]。

图1 10kV防爆开关智能保护器的基本结构框图

2.1.1 实时时钟电路

防爆开关智能化保护装置的实时计时功能，它能够实时地记录本地时间和设备失效的时间，可以实现故障数据的实时记录和存储。本设计使用了DS1302型数字芯片，具有低功耗和写入保护的优点。在C8051F010上实现了与该系统的实时时钟信号的接口，图2为俩芯片的连接关系[7]。

图2 实时时钟电路与C8051F010单片机的连接示意图

2.1.2 复位电路

在实际应用中，可以采取其中措施实现C8051F010单片机的微处理器和中央处理器的复位：上电复位、软件强制复位、掉电复位、时钟丢失检测器复位以及按键复位等[8]。本研究中复位电路的方式选择了按键复位，图3为系统重置电路的基本原理。

图3 单片机按键复位电路原理图

2.1.3 信号通道电路

信号通道的构成有电压信号通路、电流信号通路、零序电压通路、零序电流和隔离监控的信道。

由于采用了双向TVSD21 器件作为电压讯号信道的瞬态电压抑制装置，以确保在受到较大电压的情况下，系统可以快速地完成反向击穿，并将其从高阻工作态过渡到低阻态，并抑制干扰信号，保障设备的正常工作。在图4中显示了一个电压讯号信道的线路[9]。

图4 电压信号通道电路原理图

对于零序电流的信号，由于其具有很低的信号值，很容易被干扰，因此必须在常规的零序电流信号回路中加入一个带通滤波器。另外，在零序电流信号回路中加入反向变换的作用，可以实现对线路的电压、电流的相位进行探测[10]。

2.2 软件设计

本研究研制的矿井防爆开关智能保护器，除实现正常保护功能外，还具有读取DS1302、写入液晶屏、对按键进行功能的定制能力，图5 为软件程序的工作流程。

计时器是实现故障延时处理的核心设备，它的功能主要是解决两类故障的时间延时问题，其相应的延时处理流程见图6。

图6 定时器延时处理程序流程图

3 结语

近几年，随着大功率综放设备、起重设备全面普及应用，矿井生产已步入了高产量、高效率的新时期，工作面作业载荷大幅度提高，供电电压从6kV 提高到10kV。然而，综采工作面供电系统的保护装置并没有从6kV提高到10kV，只是提高了电压水平，一旦电机启动时电压水平过高，则有可能会出现保护器的意外触发或者电磁干扰，对矿井的安全造成了很大的影响。为此，本论文以C8051F010单片机为核心，针对功率方向类型的误动作、拒动等问题，进行了防爆开关智能保护系统的优化设计。实际应用证明，该保护装置可在30ms 内完成数据采集和跳闸保护，并在100ms 内实现一级延迟保护，较好地解决了越级跳闸问题。