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摘 要： 摘要：首先分析了煤礦井下低壓供電系統(tǒng)對饋電開關(guān)保護(hù)器的選擇性、可靠性、快速性和靈敏性要求，其次研究了保護(hù)器硬件設(shè)計(jì)方案，對基于多路開關(guān)CD4051和模數(shù)轉(zhuǎn)換器TLV2554的信號(hào)采集電路進(jìn)行了詳細(xì)分析，介紹了保護(hù)器軟件開發(fā)環(huán)境、主程序設(shè)計(jì)思路等。 關(guān)鍵
摘要：首先分析了煤礦井下低壓供電系統(tǒng)對饋電開關(guān)保護(hù)器的選擇性、可靠性、快速性和靈敏性要求，其次研究了保護(hù)器硬件設(shè)計(jì)方案，對基于多路開關(guān)CD4051和模數(shù)轉(zhuǎn)換器TLV2554的信號(hào)采集電路進(jìn)行了詳細(xì)分析，介紹了保護(hù)器軟件開發(fā)環(huán)境、主程序設(shè)計(jì)思路等。
關(guān)鍵詞：DSP;低壓饋電開關(guān);保護(hù)器
0引言
隔爆饋電開關(guān)是煤礦井下低壓供電系統(tǒng)中的重要電氣設(shè)備，起到控制低壓供電系統(tǒng)通斷的作用。《煤礦安全規(guī)程》規(guī)定井下低壓供電系統(tǒng)必須安裝低壓饋電開關(guān)保護(hù)裝置，在發(fā)生短路、過載、漏電、欠壓等故障后應(yīng)能在相關(guān)保護(hù)器的控制下迅速動(dòng)作跳閘，因此饋電開關(guān)保護(hù)裝置的性能關(guān)系到井下供電系統(tǒng)的安全性和可靠性;另一方面，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，饋電開關(guān)保護(hù)裝置也朝著智能化和信息化方向發(fā)展，因此研究高性能、高可靠性、高智能化的保護(hù)器具有重要意義。
1保護(hù)器基本要求
(1)選擇性。選擇性指的是當(dāng)井下供電系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，保護(hù)器能夠判斷故障范圍，對發(fā)生故障的饋線支路進(jìn)行跳閘保護(hù)，而非故障范圍內(nèi)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。可靠性指的是當(dāng)井下供電系統(tǒng)發(fā)生的故障在本保護(hù)器保護(hù)范圍內(nèi)時(shí)，保護(hù)器能夠發(fā)出跳閘指令，斷開所在饋線的短路器，而當(dāng)本保護(hù)器保護(hù)范圍之外發(fā)生故障時(shí)本保護(hù)器不發(fā)出跳閘指令。
(3)快速性。快速性指的是當(dāng)井下供電系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，保護(hù)器在一定時(shí)間內(nèi)發(fā)出跳閘指令，保護(hù)器快速性不滿足要求將會(huì)導(dǎo)致事故范圍擴(kuò)大。
(4)靈敏性。靈敏性指的是無論故障點(diǎn)在保護(hù)范圍的始端還是末端，甚至是作為后備保護(hù)，均應(yīng)該準(zhǔn)確動(dòng)作。
相關(guān)期刊推薦：《機(jī)械工程與自動(dòng)化》(雙月刊)創(chuàng)刊于1972年，由山西省機(jī)電設(shè)計(jì)研究院和山西省機(jī)械工程學(xué)會(huì)共同主辦，為山西省機(jī)械工程學(xué)會(huì)會(huì)刊，主要報(bào)道計(jì)算機(jī)應(yīng)用、機(jī)械設(shè)計(jì)及加工、機(jī)械傳動(dòng)、機(jī)電一體化、材料與工藝、儀器儀表、自動(dòng)化技術(shù)及技術(shù)管理等機(jī)電工程方面各學(xué)科的最新科研成果、應(yīng)用技術(shù)和發(fā)展動(dòng)態(tài)。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(yè)的科技人員。
2保護(hù)器硬件設(shè)計(jì)
本文所研究的煤礦低壓饋開關(guān)保護(hù)器包括信號(hào)采集電路、液晶顯示電路、報(bào)警電路、開關(guān)量電路、跳閘電路和抗干擾電路。
2.1信號(hào)采集電路
保護(hù)器需要采集電網(wǎng)的三相電壓信號(hào)、三相電流信號(hào)和零序電流信號(hào)等。三相電壓信號(hào)由電壓互感器采集，由于井下低壓供電系統(tǒng)采用的是中性點(diǎn)絕緣運(yùn)行方式，因此三相電流信號(hào)可只采集A、C兩相，零序電流信號(hào)由零序電流互感器單獨(dú)采集。經(jīng)過電壓互感器和電流互感器處理，電壓信號(hào)和電流信號(hào)均為0～1A的電流信號(hào)，然后經(jīng)電流變送器S3-AD轉(zhuǎn)換為0～1V的電壓信號(hào)，通過8路模擬開關(guān)CD4051選通某一路信號(hào)，然后經(jīng)儀用放大器AD620放大為0～5V電壓信號(hào)，以上電流或電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換均為模擬信號(hào)之間的轉(zhuǎn)換，需經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換器TLV2554轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)后才能被數(shù)字信號(hào)處理器接收，進(jìn)行進(jìn)一步濾波和計(jì)算等處理。當(dāng)電流大于8倍額定電流時(shí)，判斷故障為短路，立即發(fā)出跳閘指令，200ms之內(nèi)完成短路器跳閘;當(dāng)電流大于1.2倍額定電流時(shí)，判斷故障為過流，并根據(jù)反時(shí)限原則進(jìn)行動(dòng)作。圖1為信號(hào)采集電路結(jié)構(gòu)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(chǎn)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(diào)的顯示屏，開發(fā)者可通過編程對顯示文字的特性進(jìn)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(jìn)行連接，使用時(shí)將BUSY接口連接到控制器信號(hào)接收端，DATA接口連接到信號(hào)發(fā)送端即可。
2.3報(bào)警電路
報(bào)警電路有聲音報(bào)警電路和燈光報(bào)警電路，其電路原理相似。當(dāng)保護(hù)器判斷有故障發(fā)生時(shí)，通過控制器的IO口電平變化，經(jīng)驅(qū)動(dòng)電路進(jìn)行功率放大，對蜂鳴器和警示燈進(jìn)行控制，提醒工作人員進(jìn)行事故處理。
2.4開關(guān)量電路
開關(guān)量電路分為開關(guān)量輸入電路和開關(guān)量輸出電路，開關(guān)量輸入電路指的是按鍵接口電路和遠(yuǎn)方信號(hào)電路，包括瓦斯閉鎖狀態(tài)信號(hào)、合閘信號(hào)等，開關(guān)量輸出電路指的是控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)的連鎖信號(hào)、報(bào)警信號(hào)等。開關(guān)量輸入、輸出電路均采用光耦TLP521進(jìn)行電氣隔離，采用ULN2033達(dá)林頓管進(jìn)行繼電器驅(qū)動(dòng)，這款達(dá)林頓管最大電流可達(dá)0.5A。
2.5跳閘電路
跳閘電路動(dòng)作的條件有兩個(gè)：一是由控制器判斷發(fā)生了漏電、短路、欠壓等需要跳閘的故障;二是達(dá)到了對應(yīng)故障的跳閘動(dòng)作時(shí)限。跳閘電路與報(bào)警電路類似，也是通過控制器IO口電平變化實(shí)現(xiàn)，由于跳閘電路動(dòng)作會(huì)直接導(dǎo)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(hào)進(jìn)入跳閘回路，避免誤動(dòng)作。
2.6抗干擾電路
井下電磁環(huán)境復(fù)雜，因此抗干擾電路十分重要，否則保護(hù)器容易發(fā)生誤動(dòng)作，導(dǎo)致不必要的停電。可采取的抗干擾措施有芯片電源接口并聯(lián)濾波電容、鍵盤輸入端口并聯(lián)除抖電容、AD轉(zhuǎn)換電路設(shè)置鉗位二極管、光耦隔離，除此以外PCB布線時(shí)也要考慮信號(hào)干擾問題。
3保護(hù)器軟件設(shè)計(jì)
3.1開發(fā)環(huán)境
本設(shè)計(jì)采用的主控制芯片為TI公司生產(chǎn)的TMS320F28335，這是一款專為實(shí)時(shí)控制設(shè)計(jì)的數(shù)字信號(hào)處理器。本設(shè)計(jì)采用C語言在CCS4.12環(huán)境下進(jìn)行軟件開發(fā)，配合XDS100v2仿真器進(jìn)行軟件下載。軟件設(shè)計(jì)分為兩步：第一步是對板級(jí)支持包BSP和驅(qū)動(dòng)程序的編寫，板級(jí)支持包可以采用TI提供的f2833x-v133，驅(qū)動(dòng)程序主要是完成主控制器與外圍電路的數(shù)據(jù)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(jìn)行初始化，然后判斷饋電開關(guān)是否閉合，如果饋電開關(guān)閉合則進(jìn)入主循環(huán)，在主循環(huán)內(nèi)依次進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)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(jié)束后返回主循環(huán)。
3.3模數(shù)轉(zhuǎn)換程序
本文采用TI公司生產(chǎn)的TLV2544進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，這是一款12位低功耗高性能CMOSAD轉(zhuǎn)換器，其最快轉(zhuǎn)換速度可達(dá)到3.6μs。TLV2544上電時(shí)將CFR配置寄存器寫入初始化命令A(yù)000h，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(hù)功能程序
故障保護(hù)功能程序是軟件系統(tǒng)的核心程序，主要包括漏電故障保護(hù)程序、過流故障保護(hù)程序和電壓故障保護(hù)程序等。上述各故障保護(hù)程序按照優(yōu)先級(jí)的不同掃描的周期也不同，漏電故障優(yōu)先級(jí)最高，掃描周期為25ms;過流故障的優(yōu)先級(jí)居中，掃描周期為50ms;電壓故障的優(yōu)先級(jí)最低，掃描周期為100ms。當(dāng)進(jìn)行故障判斷時(shí)，若判斷結(jié)果為故障發(fā)生，則發(fā)出跳閘指令，然后執(zhí)行聲光報(bào)警和故障數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等程序。
3.5CAN通信程序
CAN是一種高性能、高可靠性的國際標(biāo)準(zhǔn)化串行通信協(xié)議，傳輸距離最遠(yuǎn)可達(dá)10km，數(shù)據(jù)傳輸速率可達(dá)1Mb/s，被廣泛應(yīng)用于各行各業(yè)。開發(fā)CAN通信程序時(shí)需要開發(fā)者自行定義應(yīng)用層協(xié)議，使得CAN通信程序的開發(fā)更加便捷、可移植性更高。本保護(hù)器的CAN總線應(yīng)用層協(xié)議是基于CAN2.0B而定義的，目的是進(jìn)行總饋電開關(guān)和分饋電開關(guān)之間的通信。在一個(gè)低壓供電系統(tǒng)中，一個(gè)總饋電開關(guān)對應(yīng)于多個(gè)分饋電開關(guān)，因此定義協(xié)議為主從結(jié)構(gòu)。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(guān)的通信，以完成漏電保護(hù)功能。
4、結(jié)束語
研究了一種基于DSP控制器的礦用低壓隔爆饋電開關(guān)智能保護(hù)器，這款保護(hù)器能夠在井下低壓供電系統(tǒng)發(fā)生短路、過流、漏電和欠壓等故障時(shí)發(fā)出跳閘信號(hào)，控制饋電開關(guān)動(dòng)作跳開。實(shí)際應(yīng)用表明，所研究的智能保護(hù)器符合《煤礦安全規(guī)程》對井下低壓電網(wǎng)保護(hù)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(tǒng)的安全性。——論文作者：范鵬偉