煤矿高压开关柜保护系统设计

戴晶晶

（同煤机电装备有限公司，山西大同 037305）

0 引言

随着煤矿自动化程度的提高，对供电系统的安全性与可靠性的要求也越来越高［1］。矿用高压开关柜一般用于井下停车场和主通风机硐室，负责向机械通电设备分配电能［2］。煤矿高压开关柜作为供电系统中的一个重要设备，其工作的稳定性将直接关系到井下工作面生产的效率与工人的生命安全［3］。需要实时监测高压开关柜的运行参数，防止柜内热量无法散发，温度长时间升高，最终引发火灾等事故［4］。因此，本文为保障煤矿供电系统的稳定性与安全性，针对井下的高压开关柜设计了一种嵌入式保护系统。

1 高压开关柜故障分析与方案设计

高压开关柜一般由母线、绝缘子、载流导体、测量设备、控制设备与保护设备等组成，并安装于一个封闭或敞开的金属柜中。按照安装方式，高压开关柜可分为固定式和移动式两种，其中固定式开关柜的断路器相对固定，体积较大，检修时需要进入柜内，移动式开关柜的断路器可移动，尺寸较小，维修时可将断路移动到柜外。本文所设计的保护系统针对移动式高压开关柜［5-6］。

1.1 高压开关柜故障分析

高压开关柜发生故障的主要原因是由于开关柜中元件发生物理化学反应导致［7］。根据工程实际情况，高压开关柜的故障类型大致有4 种：载流故障、绝缘故障、机械故障与断开故障。其中载流故障是由于断路器与母线连接处接触不良，导致局部温度升高，触头烧坏；绝缘故障是由于绝缘子的材料老化，无法继续起到绝缘；断开故障是由于断路器在断开后，仍有一定的电气导通，破坏了灭弧装置；机械故障是指断路器与接触器等功能器件无法执行命令操作的故障。

煤矿高压开关柜的柜体封闭，在工作过程中会产生大量热量，加速设备老化，因此元件发热，柜内温度过高是造成高压开关柜故障的首要原因。电路短路会造成电流冲击现象，温度突增，对母线造成损坏，加速元件老化，形成不良的恶行循环，最终导致危险事故的发生。

1.2 保护系统方案设计

煤矿高压开关柜保护系统需要满足3 个要求：（1）信号传输稳定，煤矿井下环境复杂，高压开关柜的体积小且封闭，设计时应保证数据传输的可靠性高、抗干扰性强；（2）绝缘性能较好，高压开关柜的电压等级较高，为了使保护系统各模块稳定运行，其绝缘性需达到国家标准的设计要求；（3）

供电简单，高压开关柜的体积较小，高压开关柜输送的电源为高压交流电，保护系统需要的电源为低压直流电，所以系统的供电装置要简单可靠，安装方便。

本文设计的煤矿高压开关柜保护系统的工作原理如图1所示，系统包括信号采集模块、嵌入式处理器模块、信号传输模块和故障报警模块。信号采集模块主要由电压、电流与温度传感器组成，将信号转换后传输到处理器模块。处理器模块对监测到的数据分析与计算，判断设备运行状态，并将数据存储。信号传输模块将处理器中的数据传输到井上的上位机中，以供工作人员查看与巡视。在高压开关柜发生故障后，故障报警模块负责切断母线、停止开关柜工作，并启动蜂鸣器报警。

图1 保护系统工作原理图

2 保护系统硬件设计

2.1 系统硬件结构设计

保护系统选用基于ARM 的32 位STM32F103C 8T6微处理器，其程序存储器为64 kB，工作电压为2～3.6 V。STM32F103C8T6微处理器环境适应性强，具有大量的外部设备，包括7个计时器、2个SPI 接口与3 个USART 接口等，具有较好的人机交互功能［8］。保护系统的硬件结构如图2 所示，包括主处理器STM32F103C8T6，系统电源模块、时钟电路、存储电路、JTAG电路、报警电路与复位电路等。

图2 保护系统硬件结构设计

2.2 信号采集模块设计

本文采用数字式的电压、电流和温度传感器对高压开关柜的工作信号进行监测，提高系统的抗干扰性，避免井下环境影响数据采集的准确性。高压开关柜内的温度检测是判断是否故障的主要依据，柜内电压与电流信号的监测为了判断故障发生的位置与原因，方便维修。由于供电系统电压与电流过大，本文通过监测互感器两侧的电压与电流值来间接计算母线处的实际电压、电流值。

本文选用的温度传感器为DS18B20 数字式温度传感器，其工作原理是：温度变化会导致振荡器元件的频率发生变化，通过频率与温度之间的对应关系来计算出被测设备的温度。DS18B20温度传感器可测量-55 ～125 ℃的温度，测量温度的分辨率可精确到0.06 ℃，并且其扩展编码可达16 位数。DS18B20温度传感器的工作电源既可以单独供给，也可以利用处理器芯片直接供电。

本文选用的电流传感器为霍尔式传感器，利用半导体材料的磁敏物理特性，通过测量得到的磁感应强度，计算出电路中的电流值。电流传感器的具体型号为WCS2705，可测量-5 ～5 A的电流范围，供电电源的电压范围为3 ～12 V。本文选用的电压传感器为ZMPT101B 型号，可将被测交流电压依照一定的线性比例转换为直流电压，该传感器可测量的最大电压为250 V，电源供电电压为5 V。

2.3 保护电路设计

高压开关柜中温度升高的主要原因为电路短路造成的电流过大，本文针对系统的过流保护电路进行了设计，当处理器检测到被测电路中的电流超过设定阙值时，STM32F103C8T6处理器将切断母线的电源，避免高压开关柜中的元件烧毁，本文设计的电路图如图3 所示。过流保护电路利用4584型号的施密特触发器，当电流超过给定值时，比较放大器输出信号，关闭电源输入。

图3 系统过流保护电路设计

3 保护系统软件设计

高压开关柜保护系统的软件采用模块化编辑的方式，各子程序通过主程序连接起来，实现整体保护功能。系统的主程序流程图如图4 所示，系统启动后，首先初始化系统，开启各数据传输通道，进行信号采集。各信号经过数据处理传输到处理器中，经过计算分析，与设定阙值比较，判断系统是否故障。当开关柜发生故障后，系统蜂鸣器报警，保护电路切断开关柜母线电源，等待检修人员维修处理。

图4 系统软件主程序流程图

4 结束语

本文针对煤矿井下高压开关柜设计了一种嵌入式的保护系统，具有体积小，价格便宜，工作安全可靠的优点，保障高压开关柜的运行安全，可为煤矿机电设备稳定、高效的供电。