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机 电 工 程 技 术 第４９卷 第０７期ＭＥＣＨＡＮＩＣＡＬ ＆ ＥＬＥＣＴＲＩＣＡＬ ＥＮＧＩＮＥＥＲＩＮＧ ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹＶｏｌ ４９ Ｎｏ ０７ 收 稿 日 期 ２０２０－０１－０２ ＤＯＩ１０ ３９６９／ ｊ ｉｓｓｎ １００９－９４９２ ２０２０ ０７ ０６８ 戴 晶 晶煤 矿 高 压 开 关 柜 保 护 系 统 设 计 ［Ｊ］．机 电 工 程 技 术 ，２０２０，４９（０７）１９６－１９７ 煤矿高压开关柜保护系统设计 戴 晶 晶 （同 煤 机 电 装 备 有 限 公 司 ，山 西 大 同 ０３７３０５） 摘 要 为 保 障 煤 矿 供 电 系 统 的 稳 定 性 与 安 全 性 ，针 对 井 下 的 高 压 开 关 柜 设 计 了 一 种 嵌 入 式 保 护 系 统 。对 煤 矿 高 压 开 关 柜 的 工 作 原 理 及 故 障 进 行 分 析 ，提 出 了 故 障 的３种 类 型 ，设 计 了 保 护 系 统 基 本 方 案 ，对 系 统 的 工 作 原 理 进 行 了 阐 述 。对 系 统 的 硬 件 结 构 进 行 了 设 计 ，根 据 开 关 柜 的 特 点 选 型 了 系 统 的 控 制 器 、温 度 传 感 器 、电 压 与 电 流 传 感 器 ，设 计 了 系 统 的 过 流 保 护 电 路 ，并 设 计 了 系 统 的 主 程 序 框 图 。保 护 系 统 体 积 较 小 ，安 全 可 靠 ，可 满 足 煤 矿 供 电 要 求 。 关 键 词 嵌 入 式 ；高 压 开 关 柜 ；保 护 系 统 中 图 分 类 号 ＴＤ６１１ 文 献 标 志 码 Ａ 文 章 编 号 １００９－９４９２（２０２０）０７－０１９６－０２ Ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ Ｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ Ｓｙｓｔｅｍ ｆｏｒ Ｈｉｇｈ Ｖｏｌｔａｇｅ Ｓｗｉｔｃｈｇｅａｒ ｉｎ Ｃｏａｌ Ｍｉｎｅ ＤＡＩ Ｊｉｎｇｊｉｎｇ （Ｔｏｎｇｍｅｉ Ｅｌｅｃｔｒｏｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ Ｃｏ，Ｌｔｄ，Ｄａｔｏｎｇ，Ｓｈａｎｘｉ ０３７３０５，Ｃｈｉｎａ） ＡｂｓｔｒａｃｔＴｏ ｅｎｓｕｒｅ ｔｈｅ ｓｔａｂｉｌｉｔｙ ａｎｄ ｓａｆｅｔｙ ｏｆ ｔｈｅ ｐｏｗｅｒ ｓｕｐｐｌｙ ｓｙｓｔｅｍ ｉｎ ｃｏａｌ ｍｉｎｅｓ，ａｎ ｅｍｂｅｄｄｅｄ ｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍ ｗａｓ ｄｅｓｉｇｎｅｄ ｆｏｒ ｈｉｇｈ－ｖｏｌｔａｇｅ ｓｗｉｔｃｈ ｃａｂｉｎｅｔｓ ｉｎ ｕｎｄｅｒｇｒｏｕｎｄ ｍｉｎｅｓ． Ｔｈｅ ｗｏｒｋｉｎｇ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ ａｎｄ ｆａｕｌｔｓ ｏｆ ｔｈｅ ｈｉｇｈ－ｖｏｌｔａｇｅ ｓｗｉｔｃｈｇｅａｒ ｉｎ ｃｏａｌ ｍｉｎｅｓ ｗｅｒｅ ａｎａｌｙｚｅｄ，ｔｈｒｅｅ ｔｙｐｅｓ ｏｆ ｆａｕｌｔｓ ｗｅｒｅ ｐｒｏｐｏｓｅｄ，ｔｈｅ ｂａｓｉｃ ｓｃｈｅｍｅ ｏｆ ｔｈｅ ｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍ ｗａｓ ｄｅｓｉｇｎｅｄ，ａｎｄ ｔｈｅ ｗｏｒｋｉｎｇ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ ｏｆ ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ ｗａｓ ｅｘｐｌａｉｎｅｄ． Ｔｈｅ ｈａｒｄｗａｒｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｏｆ ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ ｗａｓ ｄｅｓｉｇｎｅｄ，ｔｈｅ ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ，ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｓｅｎｓｏｒ，ｖｏｌｔａｇｅ ａｎｄ ｃｕｒｒｅｎｔ ｓｅｎｓｏｒ ｏｆ ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ ｗｅｒｅ ｓｅｌｅｃｔｅｄ ａｃｃｏｒｄｉｎｇ ｔｏ ｔｈｅ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｏｆ ｔｈｅ ｓｗｉｔｃｈ ｃａｂｉｎｅｔ，ｔｈｅ ｏｖｅｒｃｕｒｒｅｎｔ ｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ ｃｉｒｃｕｉｔ ｏｆ ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ ｗａｓ ｄｅｓｉｇｎｅｄ，ａｎｄ ｔｈｅ ｍａｉｎ ｐｒｏｇｒａｍ ｏｆ ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ ｗａｓ ｄｅｓｉｇｎｅｄ． Ｔｈｅ ｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍ ｉｓ ｓｍａｌｌ ｉｎ ｓｉｚｅ，ｓａｆｅ ａｎｄ ｒｅｌｉａｂｌｅ，ａｎｄ ｃａｎ ｍｅｅｔ ｔｈｅ ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓ ｏｆ ｃｏａｌ ｍｉｎｅ ｐｏｗｅｒ ｓｕｐｐｌｙ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓｅｍｂｅｄｄｅｄ；ｈｉｇｈ－ｖｏｌｔａｇｅ ｓｗｉｔｃｈｇｅａｒ；ｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍ ０引 言 随 着 煤 矿 自 动 化 程 度 的 提 高 ，对 供 电 系 统 的 安 全 性 与 可 靠 性 的 要 求 也 越 来 越 高 ［１］。矿 用 高 压 开 关 柜 一 般 用 于 井 下 停 车 场 和 主 通 风 机 硐 室 ，负 责 向 机 械 通 电 设 备 分 配 电 能 ［２］。煤 矿 高 压 开 关 柜 作 为 供 电 系 统 中 的 一 个 重 要 设 备 ，其 工 作 的 稳 定 性 将 直 接 关 系 到 井 下 工 作 面 生 产 的 效 率 与 工 人 的 生 命 安 全 ［３］。需 要 实 时 监 测 高 压 开 关 柜 的 运 行 参 数 ，防 止 柜 内 热 量 无 法 散 发 ，温 度 长 时 间 升 高 ，最 终 引 发 火 灾 等 事 故 ［４］。因 此 ，本 文 为 保 障 煤 矿 供 电 系 统 的 稳 定 性 与 安 全 性 ，针 对 井 下 的 高 压 开 关 柜 设 计 了 一 种 嵌 入 式 保 护 系 统 。 １高 压 开 关 柜 故 障 分 析 与 方 案 设 计 高 压 开 关 柜 一 般 由 母 线 、绝 缘 子 、载 流 导 体 、测 量 设 备 、 控 制 设 备 与 保 护 设 备 等 组 成 ，并 安 装 于 一 个 封 闭 或 敞 开 的 金 属 柜 中 。按 照 安 装 方 式 ，高 压 开 关 柜 可 分 为 固 定 式 和 移 动 式 两 种 ，其 中 固 定 式 开 关 柜 的 断 路 器 相 对 固 定 ，体 积 较 大 ，检 修 时 需 要 进 入 柜 内 ，移 动 式 开 关 柜 的 断 路 器 可 移 动 ，尺 寸 较 小 ，维 修 时 可 将 断 路 移 动 到 柜 外 。本 文 所 设 计 的 保 护 系 统 针 对 移 动 式 高 压 开 关 柜 ［５ －６］。 １ １高 压 开 关 柜 故 障 分 析 高 压 开 关 柜 发 生 故 障 的 主 要 原 因 是 由 于 开 关 柜 中 元 件 发 生 物 理 化 学 反 应 导 致 ［７］。根 据 工 程 实 际 情 况 ，高 压 开 关 柜 的 故 障 类 型 大 致 有４种 载 流 故 障 、绝 缘 故 障 、机 械 故 障 与 断 开 故 障 。其 中 载 流 故 障 是 由 于 断 路 器 与 母 线 连 接 处 接 触 不 良 ， 导 致 局 部 温 度 升 高 ，触 头 烧 坏 ；绝 缘 故 障 是 由 于 绝 缘 子 的 材 料 老 化 ，无 法 继 续 起 到 绝 缘 ；断 开 故 障 是 由 于 断 路 器 在 断 开 后 ，仍 有 一 定 的 电 气 导 通 ，破 坏 了 灭 弧 装 置 ；机 械 故 障 是 指 断 路 器 与 接 触 器 等 功 能 器 件 无 法 执 行 命 令 操 作 的 故 障 。 煤 矿 高 压 开 关 柜 的 柜 体 封 闭 ，在 工 作 过 程 中 会 产 生 大 量 热 量 ，加 速 设 备 老 化 ，因 此 元 件 发 热 ，柜 内 温 度 过 高 是 造 成 高 压 开 关 柜 故 障 的 首 要 原 因 。电 路 短 路 会 造 成 电 流 冲 击 现 象 ， 温 度 突 增 ，对 母 线 造 成 损 坏 ，加 速 元 件 老 化 ，形 成 不 良 的 恶 行 循 环 ，最 终 导 致 危 险 事 故 的 发 生 。 １ ２保 护 系 统 方 案 设 计 煤 矿 高 压 开 关 柜 保 护 系 统 需 要 满 足３个 要 求 （１）信 号 传 输 稳 定 ，煤 矿 井 下 环 境 复 杂 ，高 压 开 关 柜 的 体 积 小 且 封 闭 ， 设 计 时 应 保 证 数 据 传 输 的 可 靠 性 高 、抗 干 扰 性 强 ；（２）绝 缘 性 能 较 好 ，高 压 开 关 柜 的 电 压 等 级 较 高 ，为 了 使 保 护 系 统 各 模 块 稳 定 运 行 ，其 绝 缘 性 需 达 到 国 家 标 准 的 设 计 要 求 ；（３） 供 电 简 单 ，高 压 开 关 柜 的 体 积 较 小 ，高 压 开 关 柜 输 送 的 电 源 为 高 压 交 流 电 ，保 护 系 统 需 要 的 电 源 为 低 压 直 流 电 ，所 以 系 统 的 供 电 装 置 要 简 单 可 靠 ，安 装 方 便 。 本 文 设 计 的 煤 矿 高 压 开 关 柜 保 护 系 统 的 工 作 原 理 如 图１ 所 示 ，系 统 包 括 信 号 采 集 模 块 、嵌 入 式 处 理 器 模 块 、信 号 传 输 模 块 和 故 障 报 警 模 块 。信 号 采 集 模 块 主 要 由 电 压 、电 流 与 温 度 传 感 器 组 成 ，将 信 号 转 换 后 传 输 到 处 理 器 模 块 。处 理 器 模 块 对 监 测 到 的 数 据 分 析 与 计 算 ，判 断 设 备 运 行 状 态 ，并 将 ６９１ 数 据 存 储 。信 号 传 输 模 块 将 处 理 器 中 的 数 据 传 输 到 井 上 的 上 位 机 中 ，以 供 工 作 人 员 查 看 与 巡 视 。在 高 压 开 关 柜 发 生 故 障 后 ，故 障 报 警 模 块 负 责 切 断 母 线 、停 止 开 关 柜 工 作 ，并 启 动 蜂 鸣 器 报 警 。 图１ 保 护 系 统 工 作 原 理 图 ２保 护 系 统 硬 件 设 计 图２ 保 护 系 统 硬 件 结 构 设 计 ２ １系 统 硬 件 结 构 设 计 保 护 系 统 选 用 基 于 ＡＲＭ的３２位ＳＴＭ３２Ｆ１０３Ｃ ８Ｔ６微 处 理 器 ，其 程 序 存 储 器 为６４ ｋＢ，工 作 电 压 为２ ～３６ Ｖ。ＳＴＭ３２Ｆ１０３Ｃ８Ｔ６微 处 理 器 环 境 适 应 性 强 ，具 有 大 量 的 外 部 设 备 ，包 括 ７个 计 时 器 、２个ＳＰＩ接 口 与３个ＵＳＡＲＴ接 口 等 ，具 有 较 好 的 人 机 交 互 功 能 ［８］。保 护 系 统 的 硬 件 结 构 如 图 ２所 示 ，包 括 主 处 理 器ＳＴＭ３２Ｆ１０３Ｃ８Ｔ６，系 统 电 源 模 块 、时 钟 电 路 、存 储 电 路 、ＪＴＡＧ电 路 、报 警 电 路 与 复 位 电 路 等 。 ２ ２信 号 采 集 模 块 设 计 本 文 采 用 数 字 式 的 电 压 、电 流 和 温 度 传 感 器 对 高 压 开 关 柜 的 工 作 信 号 进 行 监 测 ，提 高 系 统 的 抗 干 扰 性 ，避 免 井 下 环 境 影 响 数 据 采 集 的 准 确 性 。高 压 开 关 柜 内 的 温 度 检 测 是 判 断 是 否 故 障 的 主 要 依 据 ，柜 内 电 压 与 电 流 信 号 的 监 测 为 了 判 断 故 障 发 生 的 位 置 与 原 因 ，方 便 维 修 。由 于 供 电 系 统 电 压 与 电 流 过 大 ，本 文 通 过 监 测 互 感 器 两 侧 的 电 压 与 电 流 值 来 间 接 计 算 母 线 处 的 实 际 电 压 、电 流 值 。 本 文 选 用 的 温 度 传 感 器 为ＤＳ１８Ｂ２０数 字 式 温 度 传 感 器 ， 其 工 作 原 理 是 温 度 变 化 会 导 致 振 荡 器 元 件 的 频 率 发 生 变 化 ， 通 过 频 率 与 温 度 之 间 的 对 应 关 系 来 计 算 出 被 测 设 备 的 温 度 。 ＤＳ１８Ｂ２０温 度 传 感 器 可 测 量－５５ ～１２５ ℃的 温 度 ，测 量 温 度 的 分 辨 率 可 精 确 到０ ０６ ℃，并 且 其 扩 展 编 码 可 达１６位 数 。 ＤＳ１８Ｂ２０温 度 传 感 器 的 工 作 电 源 既 可 以 单 独 供 给 ，也 可 以 利 用 处 理 器 芯 片 直 接 供 电 。 本 文 选 用 的 电 流 传 感 器 为 霍 尔 式 传 感 器 ，利 用 半 导 体 材 料 的 磁 敏 物 理 特 性 ，通 过 测 量 得 到 的 磁 感 应 强 度 ，计 算 出 电 路 中 的 电 流 值 。电 流 传 感 器 的 具 体 型 号 为ＷＣＳ２７０５，可 测 量 －５ ～５ Ａ的 电 流 范 围 ，供 电 电 源 的 电 压 范 围 为３ ～１２ Ｖ。本 文 选 用 的 电 压 传 感 器 为ＺＭＰＴ１０１Ｂ型 号 ，可 将 被 测 交 流 电 压 依 照 一 定 的 线 性 比 例 转 换 为 直 流 电 压 ，该 传 感 器 可 测 量 的 最 大 电 压 为２５０ Ｖ，电 源 供 电 电 压 为５ Ｖ。 ２ ３保 护 电 路 设 计 高 压 开 关 柜 中 温 度 升 高 的 主 要 原 因 为 电 路 短 路 造 成 的 电 流 过 大 ，本 文 针 对 系 统 的 过 流 保 护 电 路 进 行 了 设 计 ，当 处 理 器 检 测 到 被 测 电 路 中 的 电 流 超 过 设 定 阙 值 时 ， ＳＴＭ３２Ｆ１０３Ｃ８Ｔ６处 理 器 将 切 断 母 线 的 电 源 ，避 免 高 压 开 关 柜 中 的 元 件 烧 毁 ，本 文 设 计 的 电 路 图 如 图３所 示 。过 流 保 护 电 路 利 用４５８４型 号 的 施 密 特 触 发 器 ，当 电 流 超 过 给 定 值 时 ，比 较 放 大 器 输 出 信 号 ，关 闭 电 源 输 入 。 图３ 系 统 过 流 保 护 电 路 设 计 图４ 系 统 软 件 主 程 序 流 程 图 ３保 护 系 统 软 件 设 计 高 压 开 关 柜 保 护 系 统 的 软 件 采 用 模 块 化 编 辑 的 方 式 ，各 子 程 序 通 过 主 程 序 连 接 起 来 ， 实 现 整 体 保 护 功 能 。系 统 的 主 程 序 流 程 图 如 图４所 示 ，系 统 启 动 后 ，首 先 初 始 化 系 统 ，开 启 各 数 据 传 输 通 道 ，进 行 信 号 采 集 。各 信 号 经 过 数 据 处 理 传 输 到 处 理 器 中 ，经 过 计 算 分 析 ，与 设 定 阙 值 比 较 ，判 断 系 统 是 否 故 障 。当 开 关 柜 发 生 故 障 后 ，系 统 蜂 鸣 器 报 警 ，保 护 电 路 切 断 开 关 柜 母 线 电 源 ，等 待 检 修 人 员 维 修 处 理 。 ４结 束 语 本 文 针 对 煤 矿 井 下 高 压 开 关 柜 设 计 了 一 种 嵌 入 式 的 保 护 系 统 ，具 有 体 积 小 ，价 格 便 宜 ，工 作 安 全 可 靠 的 优 点 ，保 障 高 压 开 关 柜 的 运 行 安 全 ，可 为 煤 矿 机 电 设 备 稳 定 、高 效 的 供 电 。 参 考 文 献 ［１］钱 祥 忠．高 压 开 关 柜 内 接 头 温 度 在 线 监 测 系 统 的 设 计［Ｊ］． 仪 表 技 术 与 传 感 器，２００７（２） ７３－７５． ［２］巩 宪 锋，衣 红 钢，王 长 松，等．高 压 开 关 柜 隔 离 触 头 温 度 监 测 研 究［Ｊ］．中 国 电 机 工 程 学 报，２００６（１） １５５－１５８． ［３］刘 云 鹏，王 会 斌，王 娟，等．高 压 开 关 柜 局 部 放 电ＵＨＦ在 线 监 测 系 统 的 研 究［Ｊ］．高 压 电 器，２００９，４５（１） １５－１７． ［４］黄 新 波，赵 阳，廖 志 军，等．基 于 物 联 网 的 高 压 开 关 柜 综 合 在 线 监 测 装 置 设 计［Ｊ］．高 压 电 器，２０１５（５） １－７． ［５］关 永 刚，钱 家 骊．射 频 法 在 高 压 开 关 柜 局 放 监 测 中 的 应 用 研 究［Ｊ］．高 压 电 器，２００１（５） １－３． ［６］王 光 生，付 建 伟，代 伟．南 屯 煤 矿 高 压 开 关 柜 五 防 功 能 的 实 现［Ｊ］．矿 山 机 械，２００９，３７（１８） ８５－８７． ［７］史 丽 萍，梁 经 宛，刘 志 远．煤 矿 电 网 继 电 保 护 整 定 计 算 软 件 的 设 计［Ｊ］．工 矿 自 动 化，２００９，３５（１０） ８４－８７． ［８］唐 翔，孙 鹏．基 于 嵌 入 式 系 统 的 煤 矿 井 下 高 压 开 关 柜 综 合 保 护 系 统 的 开 发［Ｊ］．工 矿 自 动 化，２００７（６） ４４－４６． 作 者 简 介 戴 晶 晶 （１９８６－） ，女 ，山 西 大 同 人 ，大 学 本 科 ， 助 理 工 程 师 ，研 究 领 域 为 安 全 管 理 。（编 辑 王 智 圣 ） ７９１ 戴 晶 晶 煤 矿 高 压 开 关 柜 保 护 系 统 设 计