發布時間：2021-05-12所屬分類：電工職稱論文瀏覽：1次
摘 要： 摘要：首先分析了煤礦井下低壓供電系統對饋電開關保護器的選擇性、可靠性、快速性和靈敏性要求，其次研究了保護器硬件設計方案，對基于多路開關CD4051和模數轉換器TLV2554的信號采集電路進行了詳細分析，介紹了保護器軟件開發環境、主程序設計思路等。 關鍵
摘要：首先分析了煤礦井下低壓供電系統對饋電開關保護器的選擇性、可靠性、快速性和靈敏性要求，其次研究了保護器硬件設計方案，對基于多路開關CD4051和模數轉換器TLV2554的信號采集電路進行了詳細分析，介紹了保護器軟件開發環境、主程序設計思路等。
關鍵詞：DSP;低壓饋電開關;保護器
0引言
隔爆饋電開關是煤礦井下低壓供電系統中的重要電氣設備，起到控制低壓供電系統通斷的作用�！睹旱V安全規程》規定井下低壓供電系統必須安裝低壓饋電開關保護裝置，在發生短路、過載、漏電、欠壓等故障后應能在相關保護器的控制下迅速動作跳閘，因此饋電開關保護裝置的性能關系到井下供電系統的安全性和可靠性;另一方面，隨著計算機技術和網絡技術的發展，饋電開關保護裝置也朝著智能化和信息化方向發展，因此研究高性能、高可靠性、高智能化的保護器具有重要意義。
1保護器基本要求
(1)選擇性。選擇性指的是當井下供電系統發生故障時，保護器能夠判斷故障范圍，對發生故障的饋線支路進行跳閘保護，而非故障范圍內的饋線支路正常供電，盡量減小故障所帶來的停電影響。
(2)可靠性�？煽啃灾傅氖钱斁鹿╇娤到y發生的故障在本保護器保護范圍內時，保護器能夠發出跳閘指令，斷開所在饋線的短路器，而當本保護器保護范圍之外發生故障時本保護器不發出跳閘指令。
(3)快速性。快速性指的是當井下供電系統發生故障時，保護器在一定時間內發出跳閘指令，保護器快速性不滿足要求將會導致事故范圍擴大。
(4)靈敏性。靈敏性指的是無論故障點在保護范圍的始端還是末端，甚至是作為后備保護，均應該準確動作。
相關期刊推薦：《機械工程與自動化》(雙月刊)創刊于1972年，由山西省機電設計研究院和山西省機械工程學會共同主辦，為山西省機械工程學會會刊，主要報道計算機應用、機械設計及加工、機械傳動、機電一體化、材料與工藝、儀器儀表、自動化技術及技術管理等機電工程方面各學科的最新科研成果、應用技術和發展動態。主要讀者為大專院校的師生、科研院所的研究人員和廣大工廠企業的科技人員。
2保護器硬件設計
本文所研究的煤礦低壓饋開關保護器包括信號采集電路、液晶顯示電路、報警電路、開關量電路、跳閘電路和抗干擾電路。
2.1信號采集電路
保護器需要采集電網的三相電壓信號、三相電流信號和零序電流信號等。三相電壓信號由電壓互感器采集，由于井下低壓供電系統采用的是中性點絕緣運行方式，因此三相電流信號可只采集A、C兩相，零序電流信號由零序電流互感器單獨采集。經過電壓互感器和電流互感器處理，電壓信號和電流信號均為0～1A的電流信號，然后經電流變送器S3-AD轉換為0～1V的電壓信號，通過8路模擬開關CD4051選通某一路信號，然后經儀用放大器AD620放大為0～5V電壓信號，以上電流或電壓信號轉換均為模擬信號之間的轉換，需經過模數轉換器TLV2554轉換為數字信號后才能被數字信號處理器接收，進行進一步濾波和計算等處理。當電流大于8倍額定電流時，判斷故障為短路，立即發出跳閘指令，200ms之內完成短路器跳閘;當電流大于1.2倍額定電流時，判斷故障為過流，并根據反時限原則進行動作。圖1為信號采集電路結構框圖。
2.2液晶顯示電路
液晶顯示屏的作用是顯示故障信息，包括故障類型和線路名稱。本文選擇某公司生產的KY-D29X型液晶顯示器，這是一款單色帶背光、對比度和亮度可調的顯示屏，開發者可通過編程對顯示文字的特性進行修改，例如字符方向和大小等。KY-D29X與控制器可通過串行接口進行連接，使用時將BUSY接口連接到控制器信號接收端，DATA接口連接到信號發送端即可。
2.3報警電路
報警電路有聲音報警電路和燈光報警電路，其電路原理相似。當保護器判斷有故障發生時，通過控制器的IO口電平變化，經驅動電路進行功率放大，對蜂鳴器和警示燈進行控制，提醒工作人員進行事故處理。
2.4開關量電路
開關量電路分為開關量輸入電路和開關量輸出電路，開關量輸入電路指的是按鍵接口電路和遠方信號電路，包括瓦斯閉鎖狀態信號、合閘信號等，開關量輸出電路指的是控制執行機構的連鎖信號、報警信號等。開關量輸入、輸出電路均采用光耦TLP521進行電氣隔離，采用ULN2033達林頓管進行繼電器驅動，這款達林頓管最大電流可達0.5A。
2.5跳閘電路
跳閘電路動作的條件有兩個：一是由控制器判斷發生了漏電、短路、欠壓等需要跳閘的故障;二是達到了對應故障的跳閘動作時限。跳閘電路與報警電路類似，也是通過控制器IO口電平變化實現，由于跳閘電路動作會直接導致高壓回路斷路器跳閘停電，因此跳閘電路的抗干擾措施更完善，光耦隔離電路能夠防止干擾信號進入跳閘回路，避免誤動作。
2.6抗干擾電路
井下電磁環境復雜，因此抗干擾電路十分重要，否則保護器容易發生誤動作，導致不必要的停電�？刹扇〉目垢蓴_措施有芯片電源接口并聯濾波電容、鍵盤輸入端口并聯除抖電容、AD轉換電路設置鉗位二極管、光耦隔離，除此以外PCB布線時也要考慮信號干擾問題。
3保護器軟件設計
3.1開發環境
本設計采用的主控制芯片為TI公司生產的TMS320F28335，這是一款專為實時控制設計的數字信號處理器。本設計采用C語言在CCS4.12環境下進行軟件開發，配合XDS100v2仿真器進行軟件下載。軟件設計分為兩步：第一步是對板級支持包BSP和驅動程序的編寫，板級支持包可以采用TI提供的f2833x-v133，驅動程序主要是完成主控制器與外圍電路的數據交換;第二步是功能程序編寫，功能程序又包括主程序、子程序和中斷程序。
3.2主程序
主程序開始后進行初始化，然后判斷饋電開關是否閉合，如果饋電開關閉合則進入主循環，在主循環內依次進行數據采集、數據處理分析、漏電故障判斷、過流故障判斷、過壓故障判斷等，所有故障判斷結束后返回主循環。
3.3模數轉換程序
本文采用TI公司生產的TLV2544進行模數轉換，這是一款12位低功耗高性能CMOSAD轉換器，其最快轉換速度可達到3.6μs。TLV2544上電時將CFR配置寄存器寫入初始化命令A000h，然后在高4位寫入控制指令，TLV2544的部分命令集如表1所示。
3.4故障保護功能程序
故障保護功能程序是軟件系統的核心程序，主要包括漏電故障保護程序、過流故障保護程序和電壓故障保護程序等。上述各故障保護程序按照優先級的不同掃描的周期也不同，漏電故障優先級最高，掃描周期為25ms;過流故障的優先級居中，掃描周期為50ms;電壓故障的優先級最低，掃描周期為100ms。當進行故障判斷時，若判斷結果為故障發生，則發出跳閘指令，然后執行聲光報警和故障數據存儲等程序。
3.5CAN通信程序
CAN是一種高性能、高可靠性的國際標準化串行通信協議，傳輸距離最遠可達10km，數據傳輸速率可達1Mb/s，被廣泛應用于各行各業。開發CAN通信程序時需要開發者自行定義應用層協議，使得CAN通信程序的開發更加便捷、可移植性更高。本保護器的CAN總線應用層協議是基于CAN2.0B而定義的，目的是進行總饋電開關和分饋電開關之間的通信。在一個低壓供電系統中，一個總饋電開關對應于多個分饋電開關，因此定義協議為主從結構。CAN通信程序可分為兩部分：①對總線功能寄存器的初始化程序;②總分饋電開關的通信，以完成漏電保護功能。
4、結束語
研究了一種基于DSP控制器的礦用低壓隔爆饋電開關智能保護器，這款保護器能夠在井下低壓供電系統發生短路、過流、漏電和欠壓等故障時發出跳閘信號，控制饋電開關動作跳開。實際應用表明，所研究的智能保護器符合《煤礦安全規程》對井下低壓電網保護裝置的選擇性、可靠性、快速性和靈敏性要求，提高了井下低壓供電系統的安全性。——論文作者：范鵬偉
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