朱宏博

（晋能控股煤业集团，山西 大同037003）

引言

在煤矿开采过程中，低压配电系统经常出现负荷端的切入与切出，同时由于配电电线自身的绝缘性问题、维修人员操作不当都会引发低压配电网出现漏电、短路、过载以及欠电压等。如不能及时将故障排除，将出现线路被击穿故障，进而造成严重的电路故障。鉴于配电电网出现的问题，设计一套矿用低压馈电开关智能保护系统，以对低压配电电网中出现的短路、漏电以及过载等进行检测，当出现故障时可以进行跳闸保护，同时可以切出故障，以有效提高供电系统的安全性。

1 煤矿井下低压配电网常见故障分类

1）漏电故障：经过实地调查发现在工作位置出现坠落物砸坏电缆或者挤压损坏绝缘层从而导致故障，通常使用附加直流以及零序电流的方式进行检测。

2）短路故障：通常对于三相短路而言，其属于对称短路故障，一般选用相敏检测方式，而对于不对称检测而言，其包括两相短路、单相接地短路、两相接地短路，其往往可以产生负序电流分量，故可以采用负序检测方法。

3）断相故障：主要是指馈电开关接线端子掉线引起不良的通断现象，其也属于不对称现象，因此可以选用负序检测方法。

4）过载故障：当工作电流超过了正常值，假如煤矿井下低压电网出现严重的不对称、负载过多等现象，那么线路就会出现过载故障，对与此类型的故障可以选用反时限检测。

5）过电压：可以划分为内外部电压，其中内部过电压主要是指系统中存在的操作故障，而外部则是由雷电引起的。

6）欠电压：主要是来源于短路故障，当线路出现故障时，电压将会出现短暂的下降，可以选用鉴幅式检测。

2 低压馈电开关智能保护系统总体设计方案

图1表示煤矿低压馈电开关智能保护系统，该系统主要包括如下几个单元：上位机、多个低压馈电开关、多个智能保护器。其中，核心单元为智能保护器，包括如下几个子单元：微控制器、开关量、有功功率检测单元、故障保护采集、液晶显示单元以及相应的电源管理等[1-2]。

图1 低压馈电开关智能保护系统总体方案

3 硬件电路设计与选型

3.1 控制器PLC选择

依据该系统的功能需要，本设计的主控制器选用西门子57-300系列PLC，该系统具有性能稳定、便于操作、响应快以及坑干扰性强等优点。与此同时，中央处理器单元反应速度快，能够满足系统的需要，而处理器的型号为CPU315-2DP。在该系统中，保护系统的模拟量比较多，分别有模拟输入与输出，对应型号为SM331、SM332。与此同时，系统供电电源选用PS307。

3.2 不对称故障保护设计

当电路处于故障状态时，由于两相短路属于不对称故障，因此可以选用负序电流进行检测，从而可以通过负序电流的数值来判断两相短路故障。为了能够有效检测到不对称故障负序电流分量，设计负序电流提取电路，图2表示负序电流提取的硬件电路图。通过分析图2可以发现，为了能够得到三相电流的负序电流分量，这时保护电路可以将A相电压UIA超前120°，B相电压UIB保持不变，C相则滞后120°。接着，可以将得到的电压值进行相加，对莫逆电流值进行整流，最后输送给模拟单元。UIA、UIB、UIC表示三相电流输送给电流互感器转换之后小电压信号。

图2 负序电流提取的硬件框图

3.3 过压、欠压保护电路设计

由于过电压与欠电压的漏电形式选择鉴幅式检测原理，也就是将采集到的电网电压与设定的电压值进行对比，假如测定的电压低于设定值，那么表明是欠电压，假如测定的电压高于设定值，那么表明是过电压。在PLC接收到采样电压之后，与额定电压进行比较，判定为欠电压，与此同时设定能够保护系通过的额定电压。电信号传输给PLC之前必须对其进行整流滤波，以及转化成为模拟信号，图3表示相应的线电压整流滤波采集电路，Uab表示相应的低压电网线电压通过电压互感器转换后的电压，Uout表示相应的输出电压[3-4]。

图3 线电压整流滤波采集电路

4 下位机程序设计

在设计时选用西门子公司的STEP7 V5.4软件，程序选用梯形图。同时程序选用模块化的思想，主程序控制下位机，以及完成对各个子程序的调用，实现电网参数的检测、运算以及显示，从而实现判断故障以及跳闸保护功能。图4为该系统主程序监控流程图[5]。

图4 智能保护系统的主程序监控流程

5 结论

低压馈电开关智能保护系统以PLC为控制系统核心，同时对各个模块进行调用，因此可以实现对低压配电网的全实时动态检测以及相应的保护，防止电路出现大规模的故障，从而可以有效地提高供电系统的稳定性。