矿用高压开关保护系统的改进设计

刘 震

(山西天地王坡煤业有限公司，山西 晋城 048021)

随着煤矿生产规模的扩大，井下电网布局也越来越复杂，加上井下环境恶劣、设备超负荷作业、电气及线缆的磨损、老化等因素，导致井下电网经常发生短路、漏电甚至着火等故障现象，严重影响着井下作业人员及设备的安全。虽然也应用了各类保护系统，但仍无法较好地保障井下用电安全。因此，有必要对井下电网保护系统进行升级改造。本文结合目前国内井下电网系统的性能特点，通过对高压开关保护系统的功能要求分析，设计了一套功能全面、响应速度快、性能稳定的井下高压开关保护系统。

1 国内井下电网系统的特点分析

随着科学技术水平的不断提升，井下电网系统在安全保护性能方面得到了快速发展，基本能满足井下电网的安全保护需求，其主要性能特点如下：

1) 井下保护系统的电缆均是根据不同环境的使用需求，进行不同类型的选择使用。目前，井下电缆主要包括塑料电缆、铠装电缆、橡套软电缆等，其中，前两种电缆主要用于井下的设备通电及主干线上，而橡套软电缆则主要用于移动设备的供电，整体均具有较高的安全保护性能。但由于井下环境的恶劣性，且电缆用量较大，在长期使用中，也出现了较多的故障问题。因此，正确选择电缆型号及类型，对提高电网的安全性具有重要意义。

2) 在电网中，主要采用了非直接接地方式进行接地，当人发生了触点事故时，若采用了非直接接地方式，可以使流过人体的电流大大减小，降低了人员的人身伤害概率；同时，降低了系统中短路现象，使变压器、供电设备的故障率也大大降低。根据《煤矿安全规程》的相关规定，采用直接接地的变压器、电机等设备不允许对井下进行供电作业。

3) 目前，大部分井下电网中的保护系统功能均相对齐全，能对电网的短路、过压、漏电等故障现象发生相应的报警提示，并及时采取有效措施，发出切断电源、切换开关等命令操作，保证了井下电网的正常运行和井下作业安全。但由于井下环境的恶劣性，加上井下设备经常处于超负荷状态作业，导致各设备、电缆、控制开关等经常出现各类故障问题，整套电网的稳定性相对较差。

因此，加强井下电网中保护系统的综合保护性能，有效减小或避免相关故障事故的发生，对提高井下电网的安全运行能力及井下作业安全至关重要。

2 高压开关保护系统的主要功能要求

参考《煤矿安全规程》的相关规定，井下作业过程中的高压开关保护系统需满足一定的功能要求，方可进行现场应用，其主要的功能要求如下：

1) 该保护系统能对井下电网运行中的相关参数进行数据的实时采集及检测，并将其转换为相应的电信号。

2) 所配备控制开关及监测范围能根据电网不同的运行状态和需要进行自动化远程切换和控制，减小人员的劳动强度。

3) 需具有对电网进行电流保护、接地保护及漏电保护等多种保护功能为一体的功能，同时，针对电网中出现的各类故障问题，能及时做出故障信号指示，并准确显示故障发生位置。

4) 能将电网运行中的各类信号参数进行实时的人机界面显示，并及时进行数据的记忆保存，形成相应的数据记录文件，以方便后期对数据的查找。

5) 可对井下的其他相关干扰信号进行有效屏蔽，保证保护系统的数据不受外界干扰，以此提高保护系统的控制准确性。

3 高压开关保护系统方案设计

3.1 总体方案设计

鉴于现有的井下电网在使用中存在的一些不足，设计了一套性能更加稳定的高压开关保系统。该系统主要包括模拟输入模块、CPU模块、电流电压变送器、故障存储模块、人机交互接口单元等部分，其中，CPU主控单元采用了高速处理性能、集成A/D信号转换等功能的DSP芯片TMS320F2812，可实现32位、150MIPS的高速指令处理速度，克服了传统的运算、响应慢、精度低等缺点；而故障存储模块则主要用来处理电网中的短路、漏电等故障信号，并对这些数据进行实时存储，该保护系统的总体框架如图1所示。整套保护系统的工作原理为：首先通过相关检测设备对电网中的相关信号进行检测，经过电流、电压变送器的信号转换后，再将其发送至CPU中，而CPU中通过自带电流A/D信号转换器，可将电信号转换为对应的数字信号，并通过相关计算和判断方法进行信号处理，最终将其传输至人机显示界面中进行实时显示，同时，通过相关控制程序采用切断电源、切换开关等操作，以此实现对电网的安全保护。该系统与传统系统相比，具有更高的响应速度、保护功能更加全面，控制精度和速动性能也更高，能更好地满足井下电网的使用需求。

图1 高压开关保护系统总体框架

3.2 模拟量输入模块的设计

由于该保护系统需要对井下电网中电流、电压、零序电压信号等信号进行采集，通过相关的控制算法来进行信号运算和转换，由此来控制相关控制程序对执行机构发出控制指令。而模拟输入量作为保护系统信号采集输入的前端模块，对整个保护系统非常重要，其结构主要由PT/CT、变换器、低通过滤器等组成，其工作原理如图2所示。同时，由于该模块所采集的电压、电压值均为高压、大电流值。在保护系统中无法直接进行应用，因此，需通过相关耐高性能的电流、电压互感器转换为低电流、低电压信号后，方可传输至DSP芯片中进行信号转换和运算判断。

图2 模拟量输入模块原理框架

4 保护系统测试分析

为进一步验证所设计的高压开关保护系统的综合性能，在某矿对该系统进行了现场试验测试。

4.1 短路保护测试分析

在保护系统短路测试过程中，主要采用了对软件设置短路故障的方式进行测试，具体方法为：首先在软件中设置一个短路故障，再将其发送至CPU进行短路信号的判断和分析，而在测试过程中，当CPU接收到短路信号后，对开关发出了跳闸的指令，同时，电路短路器迅速做出切断电源命令，其动作响应时间仅为80 ms，由此，验证了该系统在电流短路方面具有较好的综合性能。

4.2 漏电保护测试分析

在保护系统漏电测试中，主要通多次改变电网与大地之间的电阻值来模拟漏电状态，当CPU检测到该电阻值超过设定的阈值时，则会向电阻继电器发出响应的切断电源的控制动作，以此实现对保护系统中漏电故障的保护。经测试，该保护系统能准确及时地对漏电故障进行快速、实时响应，具有较高的控制精度，能满足当下井下电网的使用需求。

5 结 语

结合目前国内井下电网系统的性能特点，通过对高压开关保护系统的功能要求分析，设计了一套功能全面、响应速度快、性能稳定的井下高压开关保护系统，通过测试表明，该系统在短路保护、漏电保护等方面均具有较高的性能特点，整套系统动作可靠，性能稳定，对提高井下电网和井下作业的安全性具有重要意义。