呼守信，程玉军

（中煤科工集团 太原研究院，山西 太原 030006）

0 引言

煤矿井下供电系统的发展与采掘技术的进步息息相关，随着我国煤矿井下采掘方式由机采发展到综采机械化采煤，煤矿井下使用的电气设备越来越多，而电动机是煤矿井下生产机械的驱动装置之一，它是采区供电系统的重要组成部分，它的动作可靠性直接影响煤矿的生产效率，因此开发研制高性能的电动机保护和控制系统对提高矿井供电系统的可靠性、安全性、连续性具有非常重要的现实意义。

1 系统总体设计

本测控系统适用于井下1140V/660V 供电系统中额定电流在20～320A 的异步电动机的控制和保护。采用技术先进、价格低廉、可靠性高的MSP430，配以相应的外围接口及信号处理电路，在模块化软件的支持下实现电动机的就地/远方、程序控制功能，完成对所控制电动机的短路、断相、过载、过热、过压、欠压以及漏电闭锁保护等多种保护功能，具有选择运行方式和相应参数的功能，并采用液晶显示其工作状态及参数，便于生产管理自动化，适合于现代化矿井的需求。整个系统的结构框图如图1所示。

图1 系统结构框图Fig.1 System structure diagram

1.1 系统特点

（1）系统采用TI 系列的MSP430 单片机作为中央控制单元，这是因为在16 位单片机中，MSP430 技术成熟，功能较强，价格低廉，性能价格比高，而且采用CHMOS工艺，具有低功耗、电源范围宽、抗干扰能力强的优点。

（2）信号的检测、比较、处理由软件完成，简化了硬件电路、减少了中间环节的故障，从而提高了整个系统的可靠性。

（3）先导控制电路设计为本质安全型，正常工作及短路时产生的电流和电压均不会引起火花点燃，从而提高了系统工作的安全性。

（4）采用KY 系列智能液晶显示终端，给工作人员提供了一个良好的人机界面。

1.2 系统的主要任务

（1）确定控制方式及相应参数，并以此来完成相应的控制功能。

（2）从数据采集单元中读取数据，按照一定的算法进行计算，与给定值比较，完成各种保护功能。

（3）控制液晶显示系统，正常时显示系统的工作状态和工作参数，故障时显示故障类型及参数。

2 测控系统的硬件组成及各部分的功能原理

2.1 主要功能模块工作原理

硬件组成框图如图1所示。该测控系统主要由电源模块、本安先导控制模块、信号采集处理和执行模块、拔码盘输入与液晶显示模块等四部分组成。

（1）电源模块。控制电源变压器的一次侧绕组带中心抽头，可接于660V 电压等级，它的二次侧有多种单独绕组，分别向合闸电路、中间继电器、稳压电源+5V、+15V、+24V（即信号接收、采集、处理与结果输出电路部分所需要的直流电源）供电。

（2）本安先导控制模块。该模块由本安电源、中间继电器、远控、近控和程序控制转换开关等组成。完成起动器在被保护范围内一切完好的情况下（无漏电且整定正确）各种控制方式的一级启动。本安先导电路图2所示。

图中本安先导电路由两部分组成，其中上半部分为本安先导信号产生电路，下半部分为先导信号处理电路。当远控按钮SA 闭合时，信号电压小于比较电压，运算放大器输出为低电平，继电器K 吸合，本安先导接通，主电路允许合闸。

当远控电缆在b点接地时，由图2 可知它将直流12V 经R3 接地，在此情况下信号电压大于比较电压，K1 释放，主电路断开，不允许合闸。在远控电缆K2-a段和K3-b 段短接时，电路产生的电流完全是交流电流，此时K1 释放，主电路断开，起到控制线路短路保护的作用。当远控电缆上某一处断路，则R1、R2 上无直流电压信号，信号电压大于比较电压，运算放大器输出为高电平，K1 释放，主电路断开，起到控制线路断路保护的作用。

由上述分析可知，电路正常工作中，无论远控电缆发生短接、断路等故障时，主电路均会自动跳闸，保证故障停机；在停止状态时，电路不会因为本安电路或控制线发生故障产生自起动现象。彻底克服了保护装置“拒动”、“误动” 的缺陷。

2.2 信号采集处理和执行模块

该模块指的是获取信号、转换信号、单片机采集处理以及结果输出。模拟信号经V/F 转换、光电隔离、多路转换器供单片机处理。数字量信号经光电隔离后由单片机处理。所完成的保护功能是在送电之前，进行漏电检测和判断整定值（包括整定电流、短路倍数及程控延时）是否正确；送电后，线路和设备一旦出现故障，能实施短路、断相、过载、过压、欠压、过热、瓦斯超限及点动超限等多种保护。以下分别阐述这些功能实现的电路。

（1）漏电闭锁检测。采用附加直流电源，用-40V 电源作为直流检测电源，其动作电阻值在660V 和1140V分别是22kΩ 和40kΩ。电路原理如图3所示。

（2）MSP430 单片机模块。该模块由MSP430、地址锁存器74LS373、输入输出接口电路、多路转换开关、看门狗电路、复位电路等组成。它是整个系统的核心，在程序的指挥下完成各种信号的检测、分析处理和输出结果。

（3）负序信号检测。当电动机发生断相和不对称运行故障时，会有负序电流产生，这部分电路由电流互感器、I—U 转换、移相叠加后向信号检测系统提供电压信号。负序信号的检测原理框图如图4所示。

图4 负序检测原理图Fig.4 Negative sequence detection principle diagram

（4）相敏检测保护。电网的对称短路采用相敏检测保护原理，硬件电路由三相交流电压相序的逻辑判别及其转换、相位检测电路和幅值检测电路三部分组成。鼠笼式异步电动机起动电流往往较大，一般在5～8 倍的电机额定电流，可是起动时功率因数却较高，接近于1。由此可见，同样出现峰值电流，但功率因数却明显不同，这样通过检测电流信号幅值的大小和系统电压、电流的相位差即功率因数，就可以有效地将电机起动电流与短路电流分开来，短路保护，短路保护可靠性得到提高，这就是相敏保护的原理。

（5）过载保护。过载保护是反应被保护设备线路电流大小的，利用电流互感器，通过检测电流幅值的大小，根据设定过载倍数来确定动作时限，进行过载保护。

（6）过压及欠压保护。欠压和稳态过电压采用鉴幅式保护原理来实现。暂态过电压保护采用RC 阻容吸收装置，RC 装置内的电容可以缓减过电压上升陡度，又可降低负载电路的整体波阻抗，因而降低了过电压幅值，电阻的作用是消耗能量，衰减高频电流，形不成高频电流零点，使得高频电弧向工频电弧转化，有效地防止了多次重燃引起的电压升级。

（7）执行电路。跳合闸控制电路的任务是控制真空接触器的断开与闭合。本系统采用220V 作为真空接触器的电压，由于开关电压较高，采用中间继电器作为过渡。

2.3 整定值输入和液晶显示模块

（1）整定值输入。输入的整定值包括整定电流和短路倍数。是由四位BCD 拔码盘读入的。

（2）液晶显示。本系统在显示方面采用液晶显示，实现显示汉字化，给井下工作人员创造了一个简单而全新的人机界面。系统采用了KY 系列的智能液晶显示终端，它与单片机接口很简单，通过单片机的两根I/O 线即可。在系统正常工作时循环显示系统工作电压及工作电流，在系统故障时显示故障状态和故障参数，方便工作人员维护。

3 测控系统的软件设计

3.1 主控模块

主控模块即主程序，它是整个系统软件的 “总指挥”，通过对各功能模块的合理调用完成参数的检测、分析、判断，从而实现各种控制功能。

3.2 初始化模块

初始化模块的作用是对系统资源进行初始化，需要初始化的对象有内部RAM、I/O 口、工作寄存器、堆栈指针、定时器、中断系统及外部I/O 口和外部RAM 等。

3.3 额定参数检测模块

在接触器合闸前对系统的整定电流和电压等级进行检测，依此来确定负载的反时限过载动作特性，计算短路、断相、过压、欠压及漏电闭锁动作值，并存入相应的RAM 单元。

3.4 故障检测模块

故障检测模块主要是检测系统运行中的异常状况，并及时做出处理。合闸前的故障检测内容有：电网对地的绝缘水平、电流整定、系统设置、试验等；合闸后的检测内容有：断相、短路、过载、三相电流平衡情况等。

3.5 数据处理模块

数据处理模块包括模拟信号和数字信号的处理。

3.6 漏电闭锁检测模块

主控模块在对系统进行初始化并执行完额定参数检测程序之后，便对主电路中的漏电信号进行检测，依此来确定系统是否漏电。

3.7 中断响应模块

中断响应模块由外部中断1 完成。它用作故障延时结束中断。

3.8 显示模块

该模块由定时器0 中断服务程序调用，在电机正常运行时，循环显示电机的工作电流与电压，在电机有故障时，显示故障状态及参数，便于工作人员维修。

4 测控系统的抗干扰技术

由于煤矿井下工作环境恶劣，存在强大的干扰源，干扰信号可以沿各种线路侵入单片机系统，也可以场的形式从空间幅射到单片机系统。针对不同的干扰源，设计了不同的抗干扰措施。

4.1 硬件抗干扰

对于串模干扰，系统设计了光电隔离、抗干扰稳压电源、交流滤波、选用高质量的稳压电源、数字信号采用负逻辑传输、将模拟信号转换为频率信号。对于共模干扰，采用了良好的接地系统，并将主电路板屏蔽起来。对于CPU 抗干扰采用 “看门狗” 电路。

4.2 软件抗干扰

软件抗干扰采用的措施主要有连续采样相同信号，数字滤波等方法。

5 结束语

利用单片机构成矿用隔爆型低压开关的各种故障检测系统，完全改变了传统的模拟式保护系统，其灵活性、可靠性和先进性显而易见。用相敏保护来实现井下线路发生三相短路的主保护，解决了长距离大容量鼠笼式异步电动机起动电流与线路末端电流难以区分的问题。特别是系统的本质安全型先导电路，在合闸前可有效防止控制线接地所造成的自起动现象发生；运行中不论控制线路发生短路、接地或断线故障，系统均能可靠跳闸。此外，系统的多功能液晶显示装置为工作人员提供了良好的人机界面，便于工作人员操作和维修，提高了工作效率。该系统通过了实验室模拟实验，效果良好。

[1]宋建成.单片机在千伏级隔爆磁力起动控制系统的应用[J].煤矿自动化，1995，2.

[2]赖昌干，张金程，邹有明.矿山电工学[M].煤炭工业出版社，1991.

[3]何立民.单片机应用系统设计[M].北京航空航天大学出版社，1990.