發(fā)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(tǒng)對饋電開關(guān)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(shè)計方案，對基于多路開關(guān)CD4051和模數(shù)轉(zhuǎn)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(fā)環(huán)境、主程序設(shè)計思路等。 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(shè)計方案，對基于多路開關(guān)CD4051和模數(shù)轉(zhuǎn)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(fā)環(huán)境、主程序設(shè)計思路等。
關(guān)鍵詞：DSP;低壓饋電開關(guān);保護器
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�！睹旱V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)保護裝置，在發(fā)生短路、過載、漏電、欠壓等故障后應能在相關(guān)保護器的控制下迅速動作跳閘，因此饋電開關(guān)保護裝置的性能關(guān)系到井下供電系統(tǒng)的安全性和可靠性;另一方面，隨著計算機技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，饋電開關(guān)保護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(tǒng)發(fā)生故障時，保護器能夠判斷故障范圍，對發(fā)生故障的饋線支路進行跳閘保護，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�？煽啃灾傅氖钱斁鹿╇娤到y(tǒng)發(fā)生的故障在本保護器保護范圍內(nèi)時，保護器能夠發(fā)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(fā)生故障時本保護器不發(fā)出跳閘指令。
(3)快速性�？焖傩灾傅氖钱斁鹿╇娤到y(tǒng)發(fā)生故障時，保護器在一定時間內(nèi)發(fā)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(guān)期刊推薦：《機械工程與自動化》(雙月刊)創(chuàng)刊于1972年，由山西省機電設(shè)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(shè)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(shù)及技術(shù)管理等機電工程方面各學科的最新科研成果、應用技術(shù)和發(fā)展動態(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保護器硬件設(shè)計
本文所研究的煤礦低壓饋開關(guān)保護器包括信號采集電路、液晶顯示電路、報警電路、開關(guān)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(wǎng)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(tǒng)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(jīng)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(jīng)電流變送器S3-AD轉(zhuǎn)換為0～1V的電壓信號，通過8路模擬開關(guān)CD4051選通某一路信號，然后經(jīng)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(zhuǎn)換均為模擬信號之間的轉(zhuǎn)換，需經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換器TLV2554轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號后才能被數(shù)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(fā)出跳閘指令，200ms之內(nèi)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(jù)反時限原則進行動作。圖1為信號采集電路結(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(fā)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(fā)生時，通過控制器的IO口電平變化，經(jīng)驅(qū)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(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方信號電路，包括瓦斯閉鎖狀態(tài)信號、合閘信號等，開關(guān)量輸出電路指的是控制執(zhí)行機構(gòu)的連鎖信號、報警信號等。開關(guān)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(qū)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(fā)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(xiàn)，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(huán)境復雜，因此抗干擾電路十分重要，否則保護器容易發(fā)生誤動作，導致不必要的停電。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布線時也要考慮信號干擾問題。
3保護器軟件設(shè)計
3.1開發(fā)環(huán)境
本設(shè)計采用的主控制芯片為TI公司生產(chǎn)的TMS320F28335，這是一款專為實時控制設(shè)計的數(shù)字信號處理器。本設(shè)計采用C語言在CCS4.12環(huán)境下進行軟件開發(fā)，配合XDS100v2仿真器進行軟件下載。軟件設(shè)計分為兩步：第一步是對板級支持包BSP和驅(qū)動程序的編寫，板級支持包可以采用TI提供的f2833x-v133，驅(qū)動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)閉合則進入主循環(huán)，在主循環(huán)內(nèi)依次進行數(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(tǒng)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(yōu)先級的不同掃描的周期也不同，漏電故障優(yōu)先級最高，掃描周期為25ms;過流故障的優(yōu)先級居中，掃描周期為50ms;電壓故障的優(yōu)先級最低，掃描周期為100ms。當進行故障判斷時，若判斷結(jié)果為故障發(fā)生，則發(fā)出跳閘指令，然后執(zhí)行聲光報警和故障數(shù)據(jù)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(xié)議，傳輸距離最遠可達10km，數(shù)據(jù)傳輸速率可達1Mb/s，被廣泛應用于各行各業(yè)。開發(fā)CAN通信程序時需要開發(fā)者自行定義應用層協(xié)議，使得CAN通信程序的開發(fā)更加便捷、可移植性更高。本保護器的CAN總線應用層協(xié)議是基于CAN2.0B而定義的，目的是進行總饋電開關(guān)和分饋電開關(guān)之間的通信。在一個低壓供電系統(tǒng)中，一個總饋電開關(guān)對應于多個分饋電開關(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)智能保護器，這款保護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發(fā)出跳閘信號，控制饋電開關(guān)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(guī)程》對井下低壓電網(wǎng)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(tǒng)的安全性。——論文作者：范鵬偉
