董建忠
开滦股份范各庄矿业分公司，河北 唐山 063100
摘要：矿用隔爆型真空馈电开关适用于含有瓦斯或煤尘等爆炸危险环境的矿井中,作为配电开关使用,是煤矿井下配电系统的关键设备,其性能好坏直接影响着煤矿井下的生产安全和生产效率。目前我国大部分矿井真空馈电开关仍然是早期非智能化产品,随着我国对煤炭需求量的增大,矿井供电安全可靠性与提高煤炭生产效率的矛盾越来越突出,因此研发高水平、高性能的智能开关已是势在必行。基于此，本文主要对煤矿井下真空馈电开关智能控制系统进行分析探讨。
关键词：煤矿；井下；真空馈电开关；智能控制系统
引言
我国矿井供电系统从最初的DW10系列框架断路器和DW15装置式断路器，到如今的DW80系列和KBZ系列真空馈电开关，经历了半个多世纪的发展历程，前两者由于技术落后保护性能单一已经淘汰，DW80系列对于现今的发展状况来说，技术标准仍相对较低，目前也已很少使用。KBZ系列开关采用真空断路器，保护功能齐全，是目前主要使用的馈电开关。设计的保护器在KBZ系列低压真空馈电开关的基础上来进行改进的，经过反复测试，该保护器能够可靠的保护井下供电系统。
1 总体方案
供电回路的三相电压和电流信号由互感器进入信号调理部分，经过dsPIC30F6014A的A/D采集计算之后获得电压和电流的有效值、有功功率、无功功率、频率、夹角、相位等信息，与整定值进行比较来判断发生何种故障，并通过I/O口的输出来控制继电器动作，除了能够实现电网的过流保护、过压保护、欠压保护、过载保护、缺相保护、短路保护、漏电闭锁和选择性漏电保护等基本保护外，还具有粘连保护、功率保护、通讯选择功能(RS－485或CAN通信)。
2 功能模块的实现
2.1 控制芯片的选用
设计采用美国MicroChip公司的dsPIC6014A，该控制器同时具备单片机的控制功能和DSP的计算功能，它采用精简指令集(RISC)，包括:MCU类指令和DSP类指令，多种寻址方式使C编译器的效率达到最优，含有12位A/D转换器(200kS/s)，CPU拥有24位指令字，抗干扰能力强，能够满足设计需求。
2.2 信号的采集与调理
大多数的信号采集主要是经过抬升以及滤波电路将交流信号输入控制芯片，然后采用傅里叶算法或其他算法来计算信号的基波幅值以及相位角来进行判断处理，但由于煤矿井下供电环境的特殊，存在雷击、高压开关和断路器操作时产生的高压脉冲群、感性负载的切换所造成的电快速瞬变脉冲群(EFT)等各种干扰，会影响傅里叶算法所计算信号的有效值和夹角，从而造成装置误动作。设计将交流信号整流为直流信号，进入10路A/D采集通道，经过固定采样进入中断处理，通过设置不同的电压等级以及整定参数，经过零点比较，对单片机的实际采样点进行计算，得出实际的工程量来进行判断处理，并通过设置放大系数来进行校准。
经过电流互感器采集过来的电流信号经过限流电阻R2和瞬态电压抑制二极(TVS)进入信号调理部分。先经过1个Sallen－Key低通滤波器滤除电网中3次以上的谐波信号。然后再进行二极管精密全波整流，再经过一个二阶低通滤波器，滤除多余的交流分量，输出为0～5V的直流信号，输送到单片机的I/O口进行处理和判断。在获取三相电压信号时实际上是在电流信号前附加一个跟随器和反相放大器来代替电压互感器。
2.3 绝缘电阻的测量与漏电闭锁
漏电故障时，电网对地绝缘性能降低，若在电网与大地之间附加一独立的直流电源，就会有直流电流通过电网的三相对地绝缘电阻，该电流能够反映出电网绝缘电阻的变化情况。在合闸前对绝缘电阻进行检测，主回路对地绝缘电阻下降到动作值以下时，漏电闭锁保护动作，禁止起动。当主回路对地绝缘电阻恢复到动作值1．5倍及以上时自动解锁，允许继电器合闸。
2.4 选择性漏电保护
故障支路零序电流为所有非故障支路零序电流之和，而非故障支路的零序电流为该支路的电容电流，这是零序电流幅值比较法，这种保护方式单一的比较零序电流的幅值，当系统总的电容电流接近漏电支路电容电流的2倍时，漏电支路零序电流在漏电前后基本不变，保护失效，设计时主要和其他保护保护方式相结合来实现。选择零序电流幅值最大的3个支路进行判断，若其中1个支路电流与另外2个电流之间实部之积的和与虚部之积的和均大于0则该支路发生漏电;若任意2个电流之间实部与虚部之积的和均大于0则总开关处发生漏电故障，这是零序电流群体比福比相法的保护原理，虽然能够准确判断故障，但至少需要投入3台或以上的支路，存在缺陷。故障发生时零序电压超前零序电流90°，非故障支路零序电压滞后零序电流90°这是零序电流方向性保护原理，这种保护方式认为整个电网是纯容性的，但实际上电网中也存在着感性补偿回路或者阻感性，这就为故障的判断带来一定的误差。经过分析，发生故障时故障支路的零序电压和零序电流之间的夹角总是大于90°，而非故障支路的零序电压和零序电流之间的夹角总是小于90°，设计就是根据这一相位差别，以及对零序电流的幅值比较双重保护来实现漏电保护的选择性。零序电压经过三相电抗器的中性点接入电路，可以弥补直接接入时零序电压较小的不容易检测的缺点，零序电流互感器直接经过三相电网接入电路，将采集过来的零序电压和零序电流经过滤波和过零比较输出为方波信号，并比较两者之间相位的差别，如果大于所设定的阈值时即发生选择性漏电保护，其中U0－LD和I0－LD为经过滤波和过零比较之后的方波信号。
2.5 粘连保护
在继电器或者跳闸线圈断电动作的瞬间，由于存在电磁感应，线圈中将产生一瞬间的高电势，它和电源电压叠加在保护电路电气元件触点两端，产生打弧粘连等现象。而一旦发生粘连现象继续通电就可能造成触点烧蚀，损坏继电器。所以设计电路时，在继电器线圈两端逆电源极性并联1个续流二极管，并在继电器的供电回路并联电容以吸收线圈所释放的电磁能量;在软件设计中，一旦检测到粘连故障，就会发出故障报警，并断开合闸回路，使继电器不能合闸。
2.6 通信选择模块
设计采用CAN通信或者RS－485通信，可以根据实际需求来实时切换通信方式。CAN属于现场总线的范畴，是一种串行通信的网络，可以通过dsPIC的CAN模块来实现，它的最大传输距离为10km，传输速率在5kbps～1Mbps，可以点对点、一对多及广播集中方式传送和接受数据，以多主方式工作，1条通道节点数实际可达110个，而且每帧数据都有CRC校验及其他检错措施，保证了数据传输的高可靠性，并且能够进行实时通信。RS－485总线最大传输距离为1．2km，传输速率为300～9．6kbps，总线网络构成主从式集散控制系统，1条通道最大可达255个节点，收发器采用平衡发送和差分接收，具有抑制共模干扰的能力。根据以上两者通信方式的比较，可以在不同行情况下实时切换通信方式，以达到更好的传输效率。
3 结语
设计的保护装置交流信号采用精密整流，并采用2级低通滤波电路，对幅值和相位采用不同的电路和算法，克服了由于煤矿井下工作环境的特殊所存在的干扰问题，使信号采集精度更高，运算速度更快;着重分析了采用不同漏电保护方式的优缺点，并根据分析结果来确定采用何种保护方式能够更好的保护电路，减少误动和拒动等现象
参考文献：
[1]王彦文，刘文军，高彦，等．基于零序电流群体比幅比相的选择性漏电保护新方案［J］．煤炭学报，2010(3):515－519．
[2]赵嘉，曾文波，谢苗苗．基于LPC2294的低压馈电开关智能保护器的设计［J］．煤矿安全，2010(2):55－57．