煤矿井下低压电网漏电保护技术研究与应用

2021-08-27文金忠张立中刘建洪张文宏魏振富

能源与环保 2021年8期

文金忠，张立中，刘建洪，张文宏，魏振富

(1.贵州省煤矿设计研究院有限公司，贵州贵阳 550025；2.河南省地质矿产勘查开发局第四地质勘查院，河南郑州 450001)

我国煤炭资源是能源领域不可或缺的一部分，煤矿机械化程度的日益增加，致使煤矿用电量的逐渐增长，煤矿对井下供电安全性能也越来越高。在井下供电网络中，低压供电网络占总供电的60%，一般处于掘进和采煤工作面等相对恶劣的环境，由于管理、维护不当，电气、电缆设备自身绝缘老化、施工人员安装不当等原因，电气设备绝缘水平下降或供电电缆绝缘水平被破坏，导致煤矿井下电缆事故的发生。设计的漏电保护技术主要体现在：①能够具有选择性保护系统，缩小了停止供电范围，便于查找漏电故障位置；②能够有效防止短路电流过大，造成电弧击穿设备外壳或使设备外壳升高到危险值；③漏电保护系统能够降低引爆电雷管、煤尘爆炸、瓦斯降低、漏电电流等事故的发生；④可以实时了解电缆工作状态，起到了有效预防作用；⑤能够在线实时监测低压电网电缆的绝缘状态，当电缆的绝缘降低时，可及时采取有效措施，避免漏电事故的发生。国内学者对煤矿井下低压电网漏电保护技术进行了诸多研究，如文献[1-2]根据零序电抗器并联电阻接地系统，发生单相接地故障时零序电流与零序电压相位差在非故障支路与故障支路中的差异性实现故障选线，装置不受电网中零序电抗器补偿的影响，当发生单相接地故障时，能够快速、可靠动作；文献[3-4]研究了煤矿井下低压供电系统远方人工漏试关键技术，引入外接控制按钮，利用时间继电器的3种漏电试验技术的工作原理进行了理论分析及研究，形成了科学的馈电设备远方人工漏试跳闸的可行性技术方案，指出了馈电设备的远方人工漏试的跳闸试验技术在现代化矿井生产安全供电的重要性。鉴于此，本文研究了煤矿井下低压电网漏电保护技术，研究该技术的硬件部分和软件部分，并分析了抗干扰措施。研究有效提高了煤矿井下低压电网漏电检修效率，缩短了故障处理时间。

1 煤矿井下电网基本结构

煤矿井下电网主要由防爆移动变电站、采区变电所、分区变电所、中央变电所等组成，其低压电网结构如图1所示，主要包括磁力启动器、馈电开关、降压变压器、高压配电装置等[5-7]。

图1 煤矿井下低压电网结构Fig.1 Low-voltage power grid structure in coal mine

2 漏电保护装置性能指标

煤矿井下低压电网对漏电保护装置的要求是避免人身触电事故的发生，保障煤矿安全供电，其漏电保护装置性能指标为可靠性、选择性、速度性[8-9]。

(1)可靠性。在任意系统中，当发生故障时，漏电保护装置不能拒动和误动。通过改善漏电保护装置的质量、设计及设备的运行维护和管理，可有效提高设备的可靠性。

(2)选择性。当煤矿井下发生漏电故障时系统仅切除故障路线的特点，可有效缩小故障影响范围，使漏电产生的影响最小化。不同供电系统的选择性漏电保护形式为：①当供电类型为混合式供电系统时，其择性漏电保护形式为根据情况设定保护，切除相应的支路；②当供电类型为干线式供电系统时，其择性漏电保护形式为保护切断干线电源和相应支路；③当供电类型为放射式供电系统时，其择性漏电保护形式为保护正常线路，切除故障支路。

(3)速度性。当煤矿井下供电发生漏电故障时，能够及时切除故障相，确保用电安全。根据国家相关标准，当漏电电阻为1 kΩ的单相漏电故障动作时间见表1。

表1 漏电电阻为1 kΩ的单相漏电故障动作时间Tab.1 Single-phase leakage fault action time with leakage resistance of 1 kΩ

3 煤矿井下低压电网漏电保护技术

3.1 硬件设计

3.1.1 硬件主体设计

硬件的性能是整个安全工作的基础，根据漏电保护装置性能指标及实现功能，对系统的硬件进行整体设计，硬件主体设计如图2所示。

图2 硬件主体设计Fig.2 Hardware design

装置的硬件系统主要由电源单元、信号发生源、人机接口单元、外围扩展单元、CPU、低频电流电压数据采集模块构成。

3.1.2 CPU选择

根据处理器功能、价格、处理速度等因素，本文选用32位STM 32F104微控制器，该处理器具有方便调试、内存空间大、低功耗、低成本、高性能等特点。将采集到的电流、电压数据，使用滤波放大器，经过单片机和A/D转换进行分析处理。把获取的数据和给定值进行对比分析，如果小于继电器动作值时，系统发生指令跳开开关，并显示在液晶屏上。

3.1.3 硬件电路单元

(1)电源单元。为了满足电源单元体积小、低功耗等要求，本文选择单片机的供电电源为+3.3 V，芯片为LM1117-3.3型，液压显示屏模块的供电电源为+5 V，芯片为LM7805型，电源单元电路设计如图3所示。

图3 电源单元电路设计Fig.3 Power unit circuit design

(2)数据采集。采集的数据主要是低频信号，利用A/D转换、滤波、信号缩小等操作，将信号调至适合的数模转换的信号，本文选择精度为1.0级的CE-IJ03-T5E5-1.0型霍尔电流传感器，其参数：响应时间<130 ms，直流供电电压为±12 V，输入电压范围为0～5 V，输入电流为0～10 mA。信号采集流程如图4所示。

图4 信号采集流程Fig.4 Signal acquisition process

(3)信号源设计。由于装置所处的环境电压等级较高，需要合适的功率和幅值，才能确定装置的灵敏度，本文选择隔离变压器，低频电源设计流程如图5所示。

图5 低频电源设计流程Fig.5 Low frequency power supply design process

3.2 软件设计

(1)软件主体设计。本文采用Silicon IDE集成环境中实现的，该集成环境具有全功能窗口的编辑器、拥有项目界面、独立、完整等特点。主程序设计如图6所示。

图6 主程序设计Fig.6 Main program design

(2)正弦波产生模块。本文采用STM 32F104单片机来产生正弦波，其产生流程如图7所示。

图7 正弦波产生流程Fig.7 Sine wave generation process

3.3 抗干扰措施

由于煤矿井下装置所处环境恶劣，并且存在较强的高频信号、工频信号的干扰，采用多种抗干扰措施来改善装置的应用效果，主要抗干扰措施如下。

(1)硬件抗干扰措施。①使用霍尔电流互感器、隔离变压器，将微机系统的“地”与电网的“地”相隔离，分开数字电路和模拟的地线，消除杂散电流信号产生的干扰；②系统电源采用开关电源，输出电压稳定，输入电压幅值高，具有抗干扰能力强；③在调理电路中，配合使用低通滤波电路和陷波电路，从而减少电网信号对采集的电流的干扰；④在装置中增加厚金属屏蔽盒，减弱电磁干扰产生的影响。

(2)软件抗干扰措施。①采用软件数字滤波，尽可能抑制随机干扰，提高采样信号的准确度；②设置软件消抖，在出现键抖状况时，采用按键处理程序进行程序延时判断，确保部分功能稳定运行；③使用单片机人工复位，在程序失控状态时，单片机可以回到初始状态；④使用定时器定时刷屏，确保液晶显示屏在受到干扰后能够及时恢复正常。