矿井供电系统线路保护装置设计

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摘要：基于煤矿供电系统中存在的欠压、过载、漏电、短路、过流等普遍现象，分别在硬件部分和软件部分设计了线路保护装置的硬件框图和保护设备的主程序流程，并在硬件部分提供了微控制器，并制作了CAN总线通讯电路和交流信号采集单元的设计方案。通过研究一个最新的煤矿供电系统线路保护装置，提出了煤矿供电系统线路的保护总方案。研究结果表明：通过投入使用煤矿供电系统线路保护装置，降低了跳闸事故的发生概率，有效地监控了电力线，有较好的应用价值推广性。

关键词：CAN总线;线路保护;高效管控;装置;跳闸

引言

煤矿生产过程中地下供电系统的可靠性和安全性起着重要作用。当前，中国的煤矿供电系统主要使用6kV或者10kV的供电系统。由于不断扩展和深入的地下综合开采工作面，导致大多数现有的供电系统均采取近距离线路、垂直和多层次供电方式。由于电源线的距离短以及恶劣的煤矿生产环境，电源线时常产生短路现象，以及出现漏电、过流、欠压等电路故障。此外，在供电系统发生短路的情况时，难以区分上下级的短路电流，而且无法形成强有力的纵向选择性短路继电保护，容易造成过电流。单步跳闸事故造成大规模地下停电，从而减弱了供电系统的可靠性，并降低了煤矿的安全和正常生产。结合上述煤矿供电系统线路中存在的问题，提出了一种新型的供电系统线路保护装置和方案。通过总线通讯技术、计算机控制技术和微控制器技术的帮助，继电保护完成了继电保护装置的控制、测量、通讯和保护。

1有关线路保护装置的主要功能

按照煤矿工作人员的需求和生产需要，线路保护装置应该拥有下列功能：1）远程监控的功能。通过电能计量芯片完成对无功功率和有功功率的计算，将计算内容上传至上位机监控系统，并由微型线路保护装置对电源线上的电流、电压等电气状态量进行实时监控。微型线路保护装置能够远程控制闭合和断开动作的电源线开关断路器。2）保护功能。线路保护装置拥有三级电流保护功能，这一功能是通过保护软压板进行控制，并具有延迟功能，以防止阻塞和过度跳闸。3）故障报警的功能。如果线路上出现故障，保护装置将在检测到故障后以声音和视觉警报的形式警告工作人员。4）故障定位的功能。如果线路某个地方出现故障，故障信息将被保护设备实时上载到主机，并且主机能够利用点位保护设备对故障进行定位。5）参数存储的功能。电源线的操作参数可以通过主机监控系统及时储存。

2煤矿供电系统线路保护装置总体方案设计

如下页图1所示为煤矿供电系统线路保护的总体方案。煤矿供电系统线路保护总方案采取分布式结构，主要包含多条线路保护装置、CAN总线通信模块，上位机监控系统还有供电系统提供的变压器和断路器。CAN总线通讯模块采取双向通讯，电源系统里内置有双向通信网络，便于提供用于数据信息的通道。主机监控系统能够利用CAN总线通信模块进行各种保护。该设备是远程控制的，与此同时各个线路保护设备能够让其监控的线路数据信息上传到主机，便于实现线路保护设备与主机之间信息的快速交换。电力系统线路监控的终端设备是线路保护设备，能够及时收集汇总电力线上的其他信号、模拟和数据。出现线路故障的时候，还会推送故障信号预警；主机控制系统能够对保护装置作出选择性动作，确认线路故障位置并智能化分析线路保护装置上载的信息，上位机监控系统可以智能分析线路保护装置上传的信息。

3线路保护装置的硬件方案分析与设计

3.1保护装置的硬件框图分析与设计

如下页图2为线路保护装置的硬件设计框图。线路保护装置由继电操作装置、开关量采集单元、电源管理单元、CAN总线收发器单元、交流信号采集单元、液晶显示单元、微控制器、声光报警装置等组成。继电器操作装置负责操作断路器；开关量收集单元负责收集断路器的开关位置信号；电源管理单元负责为整体线路保护装置供电；CAN总线收发器该设备单元用于保护设备和上位机监控系统之间的数据通信；交流信号采集单元主要包括电流互感器，电压互感器和信号转换电路三部分。电流互感器和电压互感器负责收集电源线。三相电压电流信号，信号转换电路负责转换和滤波收集到的电能；液晶显示单元用于显示线路监控数据和保护装置的工作状态；声光报警装置主要用于供电系统线路的故障报警提示。

3.2选择微控制器

微控制器是实现线路保护装置的嵌入式和小型化不可或缺的部分。微控制器采用的STM32单片机的F103系列主控制芯片是保护设备的重要部分。此系列芯片拥有扩展性和低功耗的特点，非常适合在煤矿生产领域中的芯片对抗干扰能力强、丰富的销钉、坚固的需求。由数据通讯、数据计算、数据存储、数据采集、线路故障处理以及保护逻辑判断等构成保护装置中微控制器功能，STM32单片机的F103系列主控制芯片能够充分适应以上工作需求。

3.3CAN总线通讯电路设计

因为煤矿中各类采矿设备的持续切断，电源线上有很大的电压波动并且具有较强的电磁干扰。所以，提出了线路保护装置对通信方法的更高要求，这需要强大的抗干扰能力。工业自动化领域通常使用的传输方式是CAN总线通信方法。该通信方法可靠性高，性价比高，通信协议简单，抗干扰能力强。图3为CAN总线通信电路。微控制器选择的STM32F103系列单片机带有CAN总线控制器，所以，需要挑选外部型号TJ1050CAN数据收发器。

3.4交流信号采集单元的设计

通过将电力线上的高电流信号和高电压转换成小电压信号实现对电力线的小型化监视。所以，此设备使用变压器隔离方法，让线路上的大电流信号和高压经过AC信号、初级TV和TA采集电路上的次要信号。将TA和电视转换后，将信号发送至相应的电源使用计量芯片和微控制器。如下图4，是交流信号采集设备的交流信号采集电路。当中选择的微型电压互感器型号为TV31B，微型电流互感器型号为TA22B11。选择了一种特殊的电能计量芯片ATTT702B。此芯片非线性测量误差小，计算精度高，能够测量无功功率、各相电压和电流、有功功率以及视在功率的有效值。

4控制器软件编程

如下页图5为单线路保护设备的主程序流程图。在上述线路保护方案中，每个断路器都应该配备线路保护装置。所以，以STM32F103系列单片机为基础，该单片机的下位机程序是用C语言编写的。编程基于结构化、模块化和自上而下的编程设计，分为主程序和多个子程序。子程序包括故障处理子程序、开关检测子程序、交流信号采集子程序、LCD显示子程序、CAN总线通讯子程序、故障判断子程序、声光报警子程序等。与此同时，主机与主机之间采用电流保护，每个保护三级设备。以控制各个保护装置的动作时间来实现各个保护装置之间的联动保护，因此保障断路器选择性跳闸。下页表1显示：如果高爆炸开关K5发生故障，则能够在210ms内快速激活保护设备的限时速断保护功能。爆裂开关K4的备用保护功能足以及时作出正确的应对[1-3]。

5结论

通过金邦煤业的现场测试结果证明，此防超限保护装置改造成本低，可靠运行，能够满足煤矿现场使用的需求，而且能够实现全站仪的数据功能。实现矿山信息化、智能化建设和矿山安全高效生产。该次改造实践能够拓展到煤矿返井的改造中，超越其他矿山供电系统的保护范围。

参考文献

[1]路晓玲.矿井供电系统越级跳闸事故分析及防治措施[J].自动化应用，2019（6）：10-12.

[2]桑宏琪.基于CAN总线的煤矿供电系统线路保护装置设计[J].煤矿机电，2019（2）：33-35.

[3]王海玲.井下供电系统继电保护装置的优化改进[J].矿业装备，2018（6）：66-68.

作者：仇少雄 单位：潞安集团司马煤业有限公司