1、本科毕业论文（20 届）单片机控制的煤矿井下 6kv 防爆开关综合保护系统的设计所在学院 专业班级 矿山机电 学生姓名 学号 指导教师 职称 完成日期 年 月 I摘要随着采煤自动化技术的发展和井下高压供电距离的增加，对矿井供电的可靠性和安全性提出了越来越高的要求。我国煤矿井下高压电网以 6kV 供电为主，6kV 高压防爆开关综合保护系统对矿井供电系统至关重要。 本文根据煤矿井下高压电网的实际情况，从理论上分析了井下高压电网常见的故障电气特征，并设计出针对性地保护方案。主要采用了：煤矿井下高压电网微机选择性速断短路保护方案；“ 启动于零序电压及其突变量，选择性动作于零序电流五次谐波比幅比相”的选
2、择性漏电保护方案；欠电压保护增加了延时的功能。本文以高性能单片机 Intel 80296SA 为中央控制单元，以模数转换芯片 Max125 为采样电路，采用大规模集成电路实现了保护系统硬件电路的设计。使用汇编语言完成了软件系统的设计，介绍了设计过程中采取的硬件、软件抗干扰措施。关键词：煤矿井下；单片机控制 ；6kv；防爆开关；综合保护系统IIAbstractWith the increase of mining automation technology and distance underground high-voltage power supply, mine supply reliab
3、ility and security of the increasingly high demand. Chinas coal mine underground high voltage power grid to the main power supply 6kV, 6kV high-voltage proof switch protection system is essential for Mine Power Supply System.Based on the actual situation of coal mine high voltage power grid, theoret
4、ically analyzed common fault High voltage electrical characteristics, and design targeted protection programs. Mainly: the coal mine high voltage power grid computer Selectivity breaking short-circuit protection programs; “Starting in the amount of zero-sequence voltage and mutation, selective actio
5、n than the zero phase sequence current ratio of the fifth harmonic amplitude“ of selective leakage protection programs; undervoltage protection increases the time delay function. In this paper, a high-performance single-chip Intel 80296SA central control unit for analog to digital converter chip Max
6、125 sampling circuits, large scale integrated circuit design to achieve the protection system hardware circuit. Use assembly language to complete the design of software systems, it introduces the design process to take the hardware, software, anti-jamming measures.Keywords:coal mine; SCM control; 6k
7、v; explosion-proof switch; integrated protection system目录1 绪 论 .11.1 设计的背景和意义 .11.2 井下高压防爆开关综合保护系统的发展现状和趋势 .11.3 井下高压防爆开关微机综合保护系统的必要性和基本要求 .21.3.1 采用微机保护的必要性 .21.3.2 采用微机保护的基本要求 .21.4 本设计的主要内容 .32 井下高压电网故障分析 .42.1 概述 .42.2 井下高压电网短路故障分析 .42.3 井下高压电网漏电故障分析 .52.3.1 漏电故障暂态特征 .52.3.2 漏电故障稳态特征 .52.4 过载故障分
8、析 .82.5 欠电压故障分析 .82.6 绝缘监视故障分析 .83 井下高压防爆开关综合保护系统的保护方案设计 .103.1 短路保护 .103.1.1 短路保护原理 .103.1.2 选择性短路保护系统方案 .113.1.3 短路保护的方案设置 .143.2 漏电保护 .143.2.1 谐波方向型选择性漏电保护原理 .143.2.2 矿井高压电网漏电保护启动零序电压的选择 .153.2.3 谐波方向型矿井高压电网选择性漏电保护方案 .173.3 过负荷（过载）保护 .173.4 欠电压保护 .183.4.1 欠电压保护增加延时的作用 .183.4.2 欠电压保护延时与瞬时的选择 .183.
9、4.3 动作时间 .183.4.4 欠电压保护方案 .193.5 绝缘监视保护 .194 综合保护系统的总体规划与硬件电路设计 .214.1 CPU 主系统 .224.1.1 80296SA 单片机介绍 .224.1.2 外围扩展电路 .234.2 模拟量交流采样单元 .254.2.1 电压形成回路 .264.2.2 数据采样电路 .264.3 选择性漏电保护单元 .284.3.1 保护方案工作原理 .294.3.2 硬件系统涉及的主要电路介绍 .304.4 开关量输入、输出单元 .344.4.1 开关量输入单元 .344.4.2 开关量输出单元（跳闸电路） .354.5 通信接口电路 .36
10、5 综合保护系统的软件设计 .385.1 软件设计 .385.1.1 系统的主程序 .385.1.2 采样中断程序设计 .395.1.3 过流故障处理程序设计 .415.1.4 漏电保护程序流程图 .435.1.5 欠电压保护 .456 系统抗干扰设计 .476.1 干扰的来源和分析 .476.2 硬件方面的抗干扰措施 .476.2.1 滤波、退耦与旁路 .486.2.2 屏蔽与隔离 .486.2.3 对供电电源的要求 .486.3 软件抗干扰措施 .486.3.1 输入输出量的抗干扰 .496.3.2 软件拦截设计 .49结论 .50致谢 .51参考文献 .52附录 A.53附录 B.57辽
11、宁工程技术大学毕业设计（论文）11 绪 论1.1 设计的背景和意义 随着采煤自动化技术的发展和井下高压供电距离的增加，对矿井供电的可靠性和安全性提出了越来越高的要求。据相关资料统计，井下供电网络的故障引起了大部分的煤矿事故。我国煤矿井下高压电网以 6kV 供电为主，井下 6kV 供电关系到煤矿生产和安全，要求高压防爆开关综合保护系统必须具备高可靠性和高性能性。井下由采区变电所、移动变电站或配电点引出的馈电线上，应装设短路、过负荷和漏电装置。由于煤矿井下工作环境恶劣，负荷波动大，工况很不稳定，瓦斯煤尘积聚，滴水冒顶事故等会使电气设备绝缘强度逐渐降低，同时由于操作人员维护不当或操作错误、电缆线路的
12、破损等原因，经常会出现短路与单相接地故障。接地故障若不及时排除，电网各相线会运行在线电压下，长期运行将导致绝缘击穿，甚至引发三相或两相短路事故。传统的短路保护方法，不能构成有效的纵向选择性速断短路保护系统，发生短路故障常导致越级跳闸，有的甚至越多级引起地面 610kV 下井电缆开关跳闸，造成井下大面积长时间停电。这是井下供电存在的重大安全隐患与技术难题。为了避免事故的发生，保障人身安全，有效减小事故范围，设计高性能的煤矿井下高压防爆开关微机综合保护系统具有重要的现实意义和较高的经济价值。 本文设计的煤矿井下单片机控制的 6kV 防爆开关综合保护系统对于井下高压电网的短路、过载、漏电、欠电压等故
13、障都能起到较好的保护作用，对提高整个煤矿井下高压电网的可靠性和安全性有重要意义。1.2 井下高压防爆开关综合保护系统的发展现状和趋势 在高压开关综合保护装置领域，外资产品有很强的竞争力，以 ABB、西门子为代表的外资企业，其产品保护可靠性和选择性方面的确呈现出许多优势。如德国 Siemens 公司生产的综合继电保护装置 SIPROTEC 系列是一种集保护、控制、监视、测量、故障录波和通信于一体的智能前端设备。它提供了大屏幕显示，全中文操作界面，其保护功能以多段过流保护和方向过流保护为主，同时提供电压、频率等保护功能。保持系统通过现场总线通信实时监控和保护，完成各种操作、控制、修改定值等命令，主
14、要用辐射状配电系统线路、电机保护、变压器和发电机差动与电机保护。不但能用于地面的供电系统，而且能运用于矿井供电系统进行综合保护系统监控。 据调查，国内各地有很多企业辽宁工程技术大学毕业设计（论文）2生产高压隔爆开关装置和综合保护系统，温州、济源、南京等地企业较集中，个别区域已成产业基地，但目前我国生产的产品整体可靠性不高，有些保护电器根本起不到预期的保护，有些综合保护系统出现传输延时、死机等问题，均存在不同程度的误动作情况，导致生产事故频发，不但影响生产而且给一线矿工带来很大的安全隐患。随着国家调整及企业之间的竞争，国内也有一些企业的产品质量有了快速的提升，并逐渐替代进口产品应用于现场。但在矿
15、井高压开关综合保护系统方面，目前还没有针对性的方案和产品，尤其井下需要根据特殊环境设计更加可靠的产品。随着煤矿信息化水平的不断提高，高压开关综合保护系统与矿井自动化系统联网的要求势在必行，高压开关综合保护系统正在进行数字化技术的提升。1.3 井下高压防爆开关微机综合保护系统的必要性和基本要求 1.3.1 采用微机保护的必要性 现投入使用的高、中压等级继电保护设备几乎均为微机保护产品，继电保护领域的研究部门和制造厂家完全转向微机保护的研究和制造，微机继电保护成为了继电保护发展的趋势，这是由于微机保护显示出优于传统继电保护的特点。 微机保护装置优点体现在以下几个方面： 1) 维护调试方便2) 可靠
16、性容易提高 3)可以方便的扩充其他辅助功能 4) 灵活性大 5) 改善和提高保护的动作特性和性能 6) 可以进行远方监控。1.3.2 采用微机保护的基本要求 同传统的保护系统一样，高压配电装置微机保护的基本要求是应具有选择性、快速性、灵敏性和可靠性。 1) 选择性 故障时只切除故障部分的保护特性称为保护动作的选择性。当系统出现故障时，首先由故障设备或线路本身的保护切除故障，当该保护或断路器拒动时，才允许由相邻设备、线路的保护切除故障。 2) 速动性 辽宁工程技术大学毕业设计（论文）3保护的速动性是指保护装置应能尽快的切除短路故障，其目的是提高系统的稳定性，减轻故障设备和线路的损坏程度，缩小故障
17、波及范围，提高自动重合闸和备用电源或备用设备自动投入的效果等。 3) 灵敏性 保护的灵敏性是指在设备或线路的保护范围内发生故障时，保护装置具有的正确动作能力的裕度，即灵敏度。微机保护易于实现一些较为先进的保护原理和方法，可以有效的提高保护系统在最不利条件下的不拒动程度。 4) 可靠性 保护的可靠性是指在给定条件下的给定时间间隔内，保护能完成所需功能的概率。保护所需功能是当需要动作时便动作、当不需要动作时便不动作。对于保护系统的可靠性要求在于既能在被保护对象突然发生故障时一定动作（不拒动），又能在其它状态下不误动。 1.4 本设计的主要内容1) 分析井下高压电网短路故障的特有特征，分析两种中性点
18、接地方式的矿井高压电网漏电故障暂态与稳态特征，以及对漏电保护方案有重要意义的零序电压的变化规律。 2) 针对各种故障特征，设计出针对性地保护方案，包括：煤矿井下高压电网微机选择性速断短路保护方案；“启动于零序电压及其突变量，选择性动作于零序电流五次谐波比幅比相”选择性漏电保护的方案；反时限的过载保护方案，基于附加直流检测的矿井高压电网电缆绝缘在线检测保护方案，欠电压保护增加了延时的功能等。完成井下 6kV 防爆开关综合保护系统的保护方案的设计。 3) 根据综合保护系统的功能要求，选定单片机的型号，设计综合保护系统总体结构，完成保护系统的硬件与软件设计。 4)保护装置的工作现场存在着强电磁干扰，因此，要完成提高系统运行的可靠性和抗干扰性能的设计。
