基于单片机的矿用馈电开关智能控制器的研制

西安科技大学硕士学位论文矿用馈电开关智能控制器的研制姓名：赵大帅申请学位级别：硕士专业：机械电子工程指导教师：郝迎吉@论文题目：矿用馈电开关智能控制器的研制专业：机械电子工程硕士生：赵大帅(签名)指导教师：郝迎吉(签名)摘要针对我国中性点不接地分支式矿井供电系统的特点，研制了矿用智能馈电开关智能控制器，它采用将交流采集、故障检测与控制相分离的设计方案，较好地解决了现有矿用馈电装置故障动作速度慢的缺点；采用附加直流和零序电压与零序电流相位相结合的方法，较好的解决了现有馈电开关选择性漏电检测可靠性、稳定性差的问题，另外还增加了自适应、自调节功能。课题内容主要包括理论分析、硬件设计、软件设计和抗干扰设计四大部分：首先是理论分析，包括：建立矿井低压电网的故障模型，通过仿真和优化，得出选择性漏电检测的理论依据，并阐述了其他故障检测的方法。其次是硬件电路设计，包括：电源模块设计、交流采集模块设计、人机接口模块设计、附加直流模块设计、选择性漏电模块设计、控制模块设计和通信模块设计。再次是软件设计，包括：主程序设计、电网参数采集与显示程序设计、故障检测程序设计、自适应自调节程序设计和通信程序设计；昀后是抗干扰设计，包括：硬件抗干扰设计和软件抗干扰设计。此外，保护装置还采用中文液晶菜单操作，使馈电开关操作更具人性化；设计的RS485和CAN工业通信总线，方便在地面组成矿井低压电网监控系统。为了解决选择性漏电的问题，保护装置创造性的选择附加直流和零序电压与零序电流相位相结合的方法，同时采取硬件和软件双重滤波和选择性算法，较好的解决选择性问题。为了验证设计的装置的可靠性、稳定性以及电网故障模型的正确性，课题对样机进行了相关实验分析。通过实验数据验证本课题理论的可行性，设计合理性；通过生产厂家实验，基本符合做进一步工业性实验的要求，为尽早研制出一种新型矿用馈电开关奠定了基础。关键词：馈电开关；智能控制器；选择性漏电；自适应；自调节研究类型：应用研究Subject：DevelopmentoftheIntelligentControlleroftheFeedSwitchinMineSpecialty：MechatronicEngineeringName：ZhaoDashuai(Signature)Instructor：HaoYingji(Signature)ABSTRACTForneutralungroundedsolidlyandbranchpowersupplysystem，theintelligentcontrollerofthemineintelligentfeederswitchisdevelopedinthepaper.ThedesignaspectsofseparateingACacquisitionandfaultdetectionandcontrolisadopted,thedefectofslowspeedofactionisresolvedpreferably;themethodofcombinatingtheadditionalDCandthephasepositionofthezerosequencevoltageandzerosequencecurrentisadopted,thedefectofpoorreliabilityandstabilityofselectiveleakageprotectionisresolvedpreferably,inaddition,thefunctionofself-adaptionandself-regulationisaggrandized.Theresearchtopicsincludetheoreticalanalysis、softwaredesign、hardwaredesignandEMIdesign.Firstly,theoreticalanalysisconsistsoftheoreticalanalysisandcalculation,establishmentoflow-voltageelectricbreakdownmodelofmine,selectivetheoreticalbasisofleakagedetectionfromsimulationandmajorizationandexpoundingtheotherfaultdetectionmethods.Secondly,hardwaredesignconsistsofpowersupplymoduledesign,ACacquisitionmoduledesign,HMImoduledesign,additionalDCmodeldesign,leakageprotectionmoduledesign,controlmoduledesignandcommunicationmoduledesign.Again,softwaredesignconsistsofmainprogramdesign,electricalnetworkparameteracquisitionanddisplayprogramdesign,faultdetectprogramdesign,self-adaptionandself-regulationisprogramdesignandcommunicationprogramdesign.Finally,EMIdesignconsistsofhardwareEMIdesignandsoftwareEMIdesign.inaddition,theprotectorequitmentadoptsLCDmenuoperation,whichmakestheequitmentmorehumane;theRS485andCANIndustrialcommunicationbusesmakeitconveniencetocomposethelow-voltageelectricmonitoringsystemofmine.Soastoresolvetheproblemofleakageprotection,themethodofcombinatingtheadditionalDCandthephasepositionofthezerosequencevoltageandzerosequencecurrentisadoptedcreatively,atthesametime,hardwarefilter、softwarefilterandselectivityalgorithmareadopted,whichresolvetheproblemofleakageprotection.Inordertotestandverifythereliabilityandthestabilityoftheequipmentandtheaccuracyofthepowernetworkmodel,manyexperimentalprogramsaredesigned.Thedetaileddataexplainstheaccuracyofthetheory,therationalityofthedesign;throughthemanufacturerexperiment,itbasicallyconformtoperformanexperimentfurthermore,andlaythefoundationofdevelopinganewtypefeedswitchinmine.Keyword：FeedswitchIntelligentcontrollerSelectiveleakageprotectionSelf-adaptionSelf-regulationThesis：AppliedResearch1绪论11绪论1.1矿井供电及供电设备1.1.1井下供电系统概述矿井供电系统是将发电厂或附近区域变电站的电源，通过输送、变压和配送，到矿井下用电设备的一个整体供电网络，为用户提供电能。煤矿井下低压电网可能造成的危害主要表现在以下几个方面：1.采区低压电缆的漏电，使电气设备进一步损坏，形成短路，还可能导致人身触电和瓦斯煤尘的爆炸。2.电气设备发生一相碰壳事故时，易发生触电事故。3.电气设备的相间短路及电缆的绝缘老化均会引起两相或三相短路，如不及时排除，将导致电气设备的严重损坏，甚至引起矿井火灾或造成瓦斯、煤尘爆炸的重大事故。4.电气设备的长期过负荷运行，会使电气设备因过热而烧坏，以及使电缆老化，形成漏电或短路，同样也会造成瓦斯、煤尘的爆炸。据有关资料统计，在煤矿瓦斯、煤尘爆炸事故中，因火花引起的事故约占50%；在煤矿发生的触电事故中，井下触电死亡人数约占64%；在井下电气着火事故中，低压橡套电缆着火所占比例昀大。因此，矿井供电必须采取有效措施，达到安全、可靠、经济和技术结合的要求，满足矿井安全生产的需要，在煤矿井下供电系统中主要采取适用三大保护装置的措施，即过流保护、漏电保护和保护接地。而作为煤矿供电设备的重要组成部分的馈电开关的引入正是为了实现上述三大保护【17】【19】。1.1.2国内外馈电开关的发展现状1.国内馈电开关的发展现状国内的低压馈电开关，从保护的硬件来看，主要经历了机电式、半导体式和微型计算机式等发展阶段。上世纪50年代以前，我国矿用低压馈电开关主要是从苏联引进，后来虽然对其进行了改进，但直到目前为止，我国在册使用的馈电开关大部分还处于50年代水平的仿苏系列(DW80系列)，技术性能差，分断能力低，寿命短，故障多，保护不完善，且分断容量小，配套能力很差。70年代末我国引进一大批国外产品，有德国、英国、波兰、美国和日本的产品，但由于有些国家井下供电方式与我国不同，致使进口设备没能发挥其应有的作用。另外西安科技大学硕士学位论文2其价格昂贵，配件周期长，严重制约我国煤矿煤炭工业的发展。在上世纪90年代初，我国在进行外来技术的基础上自行开发了BKD1-400Z/600(380)Z(F)矿用隔爆型真空馈电开关，该产品是国家“七·五”攻关项目。这种开关的保护系统属于半导体式，尽管在保护性能和动作指标上都明显优于机电式保护装置，但由于所用元件的分散性，在可靠性和保护性能方面仍不能满足生产实际需要。随着单片机技术的发展，昀近几年国内自主研发的基于单片机技术的馈电开关不断涌现，不仅具有很好的人机交互功能，并且其故障检测与控制的可靠性和稳定性也有了很大提高【16】。2.国外馈电开关发展现状早在上世纪二三十年代，德国、英国等采煤技术发达的国家先后开展了矿井电气安全的研究工作。经过几十年的发展，国外在这个领域的研究取得了很大进步，智能隔爆型电气设备在煤矿井下得到了广泛的应用。昀近几年，微型计算机在煤矿井下的应用发展较快，从北京国际煤炭博览会上看，1995年国外防爆开关实现微机测控的仅有英国Allenwest公司等少数几个厂家，到1997年国，大部分国外厂家的馈电开关与磁力启动器均已采用微机测控。例如，英国Brush变压器公司生产的移动变电站和Baldwin&Francis公司生产的磁力控制站，均采用微型计算机作为中央控制单元，实现了漏电、短路、过载、欠压等多项保护功能；德国西门子公司生产的Siprotec4系列多功能保护继电器，不仅具有完善的保护功能，而且能够提供友好的人机界面【16】。1.1.3馈电开关工作原理以及缺陷矿用隔爆开关适用于含有瓦斯或煤尘等爆炸危险环境的矿井中，作为配电开关使用，是煤矿井下低压供电系统的重要组成部分，其关键作用是当馈电回路发生短路、过载、漏电、断相、欠压等情况下，可以自动切断故障电路，避免火灾或爆炸事故，不仅如此，煤矿井下的运输、提升设备、声光信号装置、电控保护系统等，均需要隔爆开关(行程开关、限位开关、拉线开关、打点器、井门开关等)控制和操作，在煤矿井下使用量大，并且分布面广，另外，煤矿井下采掘工作面及回风巷粉尘大、温度及湿度高、环境恶劣，开关在此安装使用维护难度大，稍有疏