1前言

我国煤矿井下高压供电网，因受经济、技术等因素的限制，在多数采用多段短电缆（100～1000m/段）组成逐级控制干线式纵向网络。过电流是煤矿井下电网常见的故障之一，并直接影响着煤矿井下供电的安全性、可靠性。

传统的过流保护方法，不能构成有效的纵向选择性过流保护系统，短路故障时常导致越级跳闸是不可避免的，有的矿井甚至越过多级引起地面6～10kV下井电缆开关跳闸，造成井下大面积停电，严重威胁矿井安全。

单片机和串行通信技术的飞速发展，为新型过流保护系统的设计提供了新思路，本文由此设计出煤矿井下电网选择性速断过流保护系统的硬件电路和软件框图。

2典型煤矿井下6～10kV供电系统分析

典型的井下高压供电系统是一个单侧电源三级线路供电系统，如图1所示

图1 井下高压供电系统简化图

各处开关分类及作用

（1）分段开关，如QF₁₅、QF₂₅、QF₃₅等，将单母线分为两段，不设保护。

（2）进线开关，如QF₁、QF₂、QF₃等，作为该段母线的电源开关，不设保护。

（3）线路开关，又称出线开关，如QF₁₁～QF₁₄、QF₂₁、QF₂₃、QF₃₁、QF₃₃等，用来保护一条线路，或线路变压器组，应设保护。

（4）直配负荷开关，如QF₂₂、QF₂₄、QF₃₂、QF₃₄等，只经过很短的电缆（约几十米）就接到高压端负荷——固定式变压器或高压电动机，此类开关也应设置保护。

3 选择性速断过流保护系统整定方法

该速断过流保护系统的整定方法较简单，按系统最大运行方式时，躲过线路长时最大工作电流整定：

I _dz＝K_k?K_zq?I_js

式中 I _dz——过流保护一次动作电流，kA；

　　　　K_k——可靠性系数，取1.25；

　　　　K_zq——电动机自起动系数，取1.5～3；

I_js——线路计算电流，是用需用系数法求得的半小时最大平均负荷电流，kA 。

4 系统硬件电路设计

该保护系统由若干台分机和一台主机组成，分机根据其开关位置共分三级，每级由若干台（n）组成。如图2所示。第一级分机对应开关是地面变电所各出线开关。第二级分机对应开关是井下变电所各出线开关。第三级分机对应开关是采区变电所各出线开关。三级分机通过串行通信和主机联接。

图2系统电路框图

4.1 系统分机硬件组成及工作原理

选择性速断过流保护系统分机由AT89S51单片机、数据采集系统、开关量输入、开关量输出、显示器、键盘、RS-485串行通信接口电路等组成，如图3所示。

图3 分机系统电路框图

分机单片机采用51系列中实用的ATMEL公司生产的AT89S51单片机。AT89S51单片机片内4K程序存储器是FLASH工艺，存储器可用电的方式瞬间擦除、改写。缩短设计、开发时间。

数据采集系统将现场电流、电压模拟信号经电压形成、采样保持、低通滤波器（ALF）、A/D转换器变成数字信号。系统正常工作时各分机不断地进行数据采集，数字信号通过接口电路传送给AT89S51单片机P0口。

AT89S51单片机将采集数据与程序存储器中的整定值进行比较，如果采集数据大于整定值，确认为过流后，分机立即报告主机，并报告分机编码，等待主机进一步确认，如果主机确认该分机对应出线过渡过流故障，分机立即动作；如果主机确认该人机无过流故障，分机不动作。

开关量输入、输出接口部分是微机保护系统与外部联系的部分。为提高系统抗干扰能力，开关量输入、输出电路经光电隔离芯片与AT89S51单片机P1口连接。如果分机需动作，分机通过开关量输出电路驱动相应继电器，如跳闸出口继电器、信号继电器。

串行通信接口将分机与主机联接成一个有机整体。为提高分机、主机可靠性以及抗干扰能力，串行通信接口分别通过光电隔离芯片与分机、主机连接。分机通过串行通信可将本线路过流信息及分机编码传送给主机，使主机能够逻辑判断过流故障。由于AT89S51单片机串行口输出电平是TTL电平，不能进行远距离通信，须进行电平转换。现典型三级供电网是由100～1000m电缆组成，因此通信距离至少满足1000m。目前RS-485最远通信距离为1200m，标准节点数32个，符合设计要求，因而可外扩展RS-485电平转换电路。AT89S51单片机输出的TTL电平通过光电隔离芯片后，由MAX485芯片转换为RS-485电平后与主机通信。

4.2 系统主机硬件组成及工作原理

选择性速断过流保护系统主机由PC机、RS-485/ RS-232转换器组成。系统主机电路框图如图4所示。

图4 主机系统电路框图

分机通过串行通信传送的RS-485电平由RS-232/ RS-485转换器转换为RS-232电平，最后输入PC机的RS-232接口。反之PC机通过串行通信将故障反馈信息送给对应分机。为保证主机与各级通信距离不超过1200m，系统设计将主机安装在井上中央变电所。

5 系统软件设计

系统软件包括分机软件与主机软件两部分，其中分机软件由分机主程序、采样中断服务程序、故障处理程序三部分组成。主程序主要包括初始化和自检循环两部分内容。分机主程序流程图如图5。

图5 分机主程序流程图

主机软件主要包括主程序、故障处理程序两部分构成。主机主程序与分机主程序类似，自检时增加了故障检查程序，当主机收到分机过流报告后，主机故障程序起动，该程序主要运用了逻辑判断，对各分机分析并分类。首先跳第三级分机，然后逐级分析跳闸。使保护系统具有选择性。从而避免电网越级跳闸。故障处理结束后，程序返回主程序。

6 结论

该保护系统与10kV户内真空断路器配合使用时，10kV真空断路器固有分闸时间为0.1s，保护系统动作时间（分机数据采集时间、主机程序故障判断时间、分机执行时间）设计为0.1s，因此电网发生短路时保护系统能在0.2s内实现有选择性的快速断电。