矿用低压馈电开关保护装置的设计分析

＊孙 雨

（潞安化工集团常村煤矿 山西 046000）

前言

由于增大和扩展煤矿采取的面积，每日剧增用电量的井下用电设备，特别是装机时功率持续增大的综采设备，是影响煤矿安全问题十分重要的部分，所以继电保护在井下低压供电系统中非常重要。《煤矿安全规程》中明确指出矿用馈电开关保护装置具有可靠性、选择性、功能性及快速性，固有的馈电保护装置已不能达到要求，所以本文提出了矿用低压馈电开关综合保护装置的设计，其是以ARM控制器为基础，具有反应快、全面的功能及能够抗电磁干扰的特点。

1.馈电开关保护装置系统的设计方案

图1即是低压馈电开关保护装置和外围设备的安装示意图。保护器1、2是低压馈电开关保护装置的2个组成部分，是其最主要的装置。若有故障发生，在需要保护的线路中时，经过零序电流互感、电流互感器及电压互感采集器的所有的电参量被收集到，并把保护器接收到A/D转换的信号，通过保护器的运算处理后，会有跳闸信息发出，使真空断路器的跳闸线圈得电，使断路器分闸，从而使线路得到保护。除此之外，系统的供电电源是保护器的两项电源，其保护器是能够被变压器保护取得的。井下各分机的集中运作中心是上位机，是控制、保护和管理整体的保护系统。

图1 低压馈电开关保护装置及外围设备的安装示意图

保护发生故障的被保护线路的功能是保护装置最重要的功能。高性能芯片ARM Cortex-M3被控制器所使用，并使用了通信RS-485，从而节省了快速的保护动作的时间。过流保护、漏电保护、过欠压保护三项保护装置是本装置的主要组成部分。其中选择性漏电保护与漏电闭锁组成了漏电保护；对称过流保护（超时过载保护与三相短路保护）与非对称过流保护（断相保护、两项短路保护与三相电流不平衡保护）组成了过流保护。

在以上保护功能得以完成时，井下的实际的线路可以使保护装置在配置不一样时参数的设置也不一样，使其功能可以被总馈电与分馈电开关所使用。由于馈电系统的线路比较多，具有复杂性，保护装置的数据互换可以由通信功能完成，从而其可靠性得到提升。除此之外，保护装置还是人机交互界面平台，正常运作的线路，其保护器运行参数的线路可以由液晶屏展示出来，若发生故障时LED灯就会发出报警信号，运行人员就使用按键把参数重新设置。

2.对保护装置设计硬件

抗干扰电路、微机控制系统及其外部电路、信号处理电路、通信电路与电源电路等组成了整套保护装置系统的硬件设计。

(1)外部电路与微机控制系统

现今，单片机被很多的矿用低压馈电开关保护装置所使用，其优点是控制的成本不高，缺点是集成度和计算能力都比较低，但在应用场景为高要求的实时性及处理任务的功能较多时，比较合适的是嵌入式处理器ARM。STM32F103是处理器，其具有32位，并且模拟转换器有2个，都是12位，其存在于片内。光电隔离电路、开关量输入电路、RS-485通信电路、电网参数采集和处理器组成了外部电路。

(2)保护装置的电源电路

保护装置工作的稳定性取决于供电电源是否稳定，所以，供电系统的设计，用电设备既要达到所有的电压等级的功率的条件，还应充分考虑电源之间的干扰，并为了使电压稳定就设计把滤波器在不同级别的电压转换使用的也不相同。在把线路连通井下电网，并给电时，由变压器会把电压降压为24V交流电，通过可控整流整成直流，然后12V直流电是被DC/DC转换而成，为继电器供电，然后再经过双级DC/DC，一个转换成24V直流电用于直流电源，另一个转换为5V直流电用于液晶，并且5V直流电转换为3.3V直流电是经过了一个三级DC/DC，为ARM处理器提供工作电源。

(3)通信电路的使用

通信技术RS-485的特点传输信号速度快、传输的距离比较远，在工控方面被使用的非常多，平衡驱动器与差分接收器这两部分构成了芯片内部，从而抑制共模信号得到了提升，使其拥有的功能是多站。MAX485通信芯片被本装置所使用，其具有灵敏的接收器功能，其灵敏度与传输效率分别为200mV和2.5Mb/s，共有32个驱动器与接收器。

(4)信号处理电路的工作原理

保护装置中零序电压电流信号和绝缘电阻信号构成了信号处理电路的输入参数。由于篇幅的限制，在本文中的图2的绝缘电阻输入信号图将简短的说明一下。图2使用的采样电阻为10kΩ，2W的功率，为了使输入信号达到几百毫安，应采用2MΩ的限流电阻。为了达到带负载能力得以提升的目的，就需要具有电压跟随器，并由LM324M运算放大器构成。

图2 绝缘电阻信号输入电路图

(5)电路的抗干扰

屏蔽、钳位保护及滤波等抑制措施被硬件设计所使用，印刷电路板的布线设计、通信电路抗干扰设计及电源抗干扰设计构成了抗干扰部分。雷击、电网波动及高频脉冲等干扰也许会在井下发生，因为电源由配电站经变压器输送给保护装置，并且敏感电磁干扰的控制器，造成芯片做出错误动作的原因是供电电源的低劣，所以对电路设计了抗干扰电路，包括扼流圈、压敏电阻和雪崩二级管等。高频电磁波被光电隔离芯片抑制是前文所涉及的，并被通信电路所使用。在对印刷电路板进行设计时，就要合理的布局走线，芯片与陶瓷电容滤波在电源接口处相连接，并且芯片的功率要比较大，使数字地与模拟地之间彼此影响，为使电压降低就需要把底线宽度加大以达到其目的。

3.对保护装置进行软件设计

数据处理算法、系统软件设计、A/D转换程序设计、主控制器程序设计、通讯软件设计及人机交互程序设计等软件设计被包含在保护装置中。

STM32 F103是嵌入式处理器，并于ARMv7架构为基础，所以嵌入式操作系统μC/OS-Ⅱ能够拷贝开源。μC/OS-Ⅱ的特点是较强的扩展性、较高的可靠性及较好的使实用性等，能够在明确的运行时间内完成较多任务的一项系统。基本应用程序、系统内核、任务、驱动程序、中断ISR等构成了系统软件。

在系统实现拷贝的操作后，所有要实施的任务需要设计，然后，对中断服务函数设计及具体程序函数进行设计。故障中断、时钟节拍中断及其他中断构成了中断函数。API即为基本应用程序，其主要有库函数、算法函数及基本功能函数组成。开关量输入输出驱动、LCD驱动、RS-485驱动、RTC驱动、FLASH驱动和A/D转换驱动组成了驱动程序。

4.结束语

以井下低压电网及煤矿在本文所涉及的实际情况及安全生产问题为基础，在依据固有的矿用低压馈电开关保护装置，新型低压馈电保护装置的处理器ARM被设计出来，其特点是齐全的保护功能、较快的反应速度及较强的抗干扰能力等，总馈电开关保护和分馈电开关保护都可以使用，具有灵活性，对井下能够安全用电的得到提升。