李 凯

（山西西山煤电股份有限公司西曲矿，山西古交 030200）

0 引言

随着煤矿自动化技术的发展，井下用电设备不断地增多，井下电压等级不断提升，供电系统对于煤矿生产越来越重要。而井下工作环境恶劣，用电设备的负载变化较大，由于操作人员的误操作或者电路的老化、短线，经常会引起漏电及短路故障，如果不能及时排除，则会产生电弧，在瓦斯浓度或者煤粉浓度较高时，引起爆炸。

在我国，早期的继电保护装置都是由电磁型、感应型或电动型继电器组成的[1]，这些继电器在矿井生产中得到广泛的应用，但是，这种保护装置体积大、动作反应速度慢，不能在故障出现后的第一时间排除故障。本文作者根据矿井低压电网供电要求，分析常见的故障类型，提出保护原理和动作指标，重点研究选择性漏电保护和短路保护，选择MSP40单片机作为主控芯片，设计系统的硬件电路，并根据现场的干扰源，提出相应的抗干扰措施，增加系统的可靠性。

1 矿井低压电网常见故障分析

1.1 漏电故障

煤矿井下的低压电网中，大多采用电源中性点绝缘的方式供电，在这种供电情况下，电网对地的电容忽略不计，电网的等效电路如图1所示。电网中的设备正常运行时，电网上的各相电压和电阻是相等的。即：Ua=Ub=Uc=UΦ，ra=rb=rc=r其中，Ua、Ub、Uc分别表示电网中a、b、c三相的电压，UΦ为电源的相电压；ra、rb、rc表示三相分别对地的绝缘电阻，可以看做是一个星型负载[2]。三相对地电压与电源处的相电压相等，变压器中性点对地的电压U0=0。

图1 矿井电网等效图

当发生人员接触短路故障时，假设人体的电阻为Rr，此时，人体电阻与C相的对地电阻并联，C相对地电阻变为此时，A、B、C三相对地电阻不再对称，此时，变压器的中性点与地之间出现电位差，中性点对地电压为U0，根据三相电压之间的矢量关系和基尔霍夫电流定律，可计算出流过人体的电流

当发生单相接地故障时，接地相的对地电压为0，其余两相对地电压为原来的 3倍，此时，这两相上的用电设备将承受较高的电压，可能会破坏电气设备上的绝缘层。进而引发安全事故。

1.2 短路故障

短路故障是矿井低压电网中最容易发生的故障之一，当系统中发生短路故障时，系统从安全运行的正常状态，经过一个暂态过程，转变为短路故障的稳定状态，电流由正常值突然增大[3]，本文选取三相短路故障中的一相进行分析，供电系统单线示意图如图2所示，A端向B端供电，A处母线电压为：u=Umsin（ωt+θ），d处出现短路时，电路中的电流增大，短路电流计算：假设该相中的电阻为R，电抗为L，电源容量无限大。可计算出短路电流的大小：

式中：Idzm为短路电流周期分量幅；Im为短路前负载电流的幅值；φ为短路前回路的阻抗角；θ为短路时电压的初相角；φd为短路回路阻抗角；Ta为短路回路的时间常数。

图2 供电系统单线示意图

2 硬件电路设计

2.1 选择性漏电保护方案设计

根据零序电流的方向，设计针对矿井低压电网的漏电保护方案。电路硬件连接如图3所示。漏电保护装置监测本线路中的零序电流方向时，以移相前的U˙0为基准，I˙0和 U˙0相位不同时，该支路正常运行； I˙0和 U˙0相位相同时，断路器跳闸，切断本条线路的供电。中断信号发出12 ms以后，如果绝缘电阻的阻值仍然没有恢复到正常值，则判定为总开关和分开关之间，或者断路器发生了拒动故障。发出跳闸信号，实现选择性漏电保护[4]。

图3 选择性漏电保护示意图

2.2 短路保护设计

该三相短路保护采取相敏保护原理。在矿井中，供电系统的运行方式为中性点绝缘运行，当电网中发生三相短路故障时，A、B、C三相中的电压和电流大小相等、而相位不同。相敏保护中的相位检测电路硬件结构如图4所示，电压互感器将输入的线电压U˙BC转变转变成为低电压信号，经过移相、波形转换，先后得到B相的相电压U˙B和周期为2П的正脉冲序列。B相的电流I˙B，经过电流互感器和电流电压的转换后，再进行波形变换，得到周期为2П的正脉冲序列。得到的B相电压和电流之后，将两者进行比相计算，可以得到周期为П，脉宽为相位差的脉冲序列。

图4 相位检测硬件原理图

针对矿井低压电网中的不对称故障，可以提取出电网中的负序电流。通过对负序电流幅值大小的判断，就可以诊断电网中的不对称故障。当系统中出现不对称短路时，电路中的负序电流的大小是正常电流的 3倍。因此，当采集到的负序电流的幅值大小事正常值的 3倍时，可以判定发生了不对称故障，进而通过继电器执行动作，切断电网中相关设备的电源。

2.3 通讯电路

为方便对矿井下的设备进行管理，实时掌握矿井中的设备运行情况。在系统中设计串口通信模块，通过MAX3232芯片，将控制器上的TTL电平转换为RS-232电平，利用RS-232协议进行数据的传输。该芯片的供电电压为3.3 V，工作时的功耗低，不需要外加驱动电路，具有较高的可靠性[5-6]。

3 电源抗干扰设计

煤矿井下的设备工作环境复杂，存在着各种干扰信号，主要包括：浪涌电压入侵；高频电磁场干扰；线路的绝缘不良等。这些干扰信号可能会导致模拟信号的失真，控制信号发生混乱，严重时，可导致系统瘫痪。本文作者主要针对电源系统中存在的干扰，指定相关抗干扰措施，提高系统的工作可靠性。

为了防止电源系统引入干扰因素，电源抗感套供电配置如图5所示，通过电压互感器将初级电路和次级电路之间的信号进行隔离，提高共模抗干扰能力[8]。LPF的作用是吸收电路中的高次谐波，DCR是整流桥，使电路中的交流电压变成直流电压，供电给主控制器使用。

图5 电源抗干扰供电配置

4 总结

以高性能单片机MSP430为中央控制单元，设计一种新型智能综合保护系统，具有故障检测、串口通讯、弱电信号输出的功能。对矿井低压电网的常见故障进行分析，得出漏电故障和短路故障发生时电路的电气特性。设计选择性漏电保护的硬件实现方案，利用相位检测，判断三相短路故障，提高矿井供电的可靠性。通过对电路中干扰源的特征分析，指定相应的抗干扰措施，增强系统工作的稳定性。