精品KBGYZ矿用隔爆型移动变电站用高压真空配电开关的设计.docx

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精品KBGYZ矿用隔爆型移动变电站用高压真空配电开关的设计

KBG-YZ矿用隔爆型移动变电站用高压真空配电开关的设计

太原理工大学阳泉学院

毕业设计说明书

毕业生姓名

：

专业

：

学号

：

指导教师

：

所属系（部）

：

二〇〇九年五月

太原理工大学阳泉学院

毕业设计评阅书

题目：

KBG-200/6YZ矿用隔爆型移动变电站用高压真空配电开关的设计

系　专业姓名　

设计时间：

2009年3月9日~2009年6月7日

评阅意见：

成绩：

指导教师：

　　　　　（签字）

职　　务：

200年　月　日

太原理工大学阳泉学院

毕业设计答辩记录卡

系　　专业姓名　　

答辩内容

问题摘要

评议情况

　　　　　　　　　记录员：

（签名）

成绩评定

指导教师评定成绩

答辩组评定成绩

综合成绩

注：

评定成绩为100分制，指导教师为30%，答辩组为70%。

专业答辩组组长：

　　　　　（签名）

　　　　　　　　　200年　　月　　日

摘要

“KBG-200/6YZ矿用隔爆型移动变电站用高压真空配电开关”适用于具有爆炸性危险气体（甲烷、煤尘混合物）的煤矿井下，主要用于额定电压6KV，额定频率50Hz，额定电流至200A，三相交流中性点不直接接地的供电系统中的矿用隔爆型移动变电站高压侧，其核心部分采用了工业控制领域中先进的凌阳16位单片机控制系统，使整套装置具有较高的运行稳定性和可靠性，可替代传统同类型模拟控制保护器。

该装置具有绝缘监视、高压漏电、过载、断相、欠压、短路、失压以及过压吸收等保护功能，特别适合中央或采区变电所作配电开关的使用，也可以作为直接控制高压电动机之用。

本文着重介绍了“KBG-200/6YZ矿用隔爆型移动变电站用高压真空配电开关”的设计原理与各项功能。

关键词：

凌阳16位单片机三相交流中性点模拟控制保护器

Abstract

"KBG-200/6YZmineexplosion-proofmobilesubstationhighvoltagevacuumdistributionswitch"fortheriskofexplosivegases（methaneandcoaldustmixtures）ofthecoalmine,mainlyforratedvoltage6KV,ratedfrequency50Hz,ratedcurrentto200A,three-phaseneutralpointisnotdirectlygroundedpowersupplysysteminthemineexplosion-proofhigh-pressuresideofthemobilesubstation,partofitscoreareasofindustrialcontrolusingadvancedSunplus16-bitsingle-chipcontrolsystemsothatthewholeoperationofdeviceswithhighstabilityandreliability,thesametypetoreplacetraditionalanalogcontrolprotectors.Theinsulationmonitoringdevices,high-pressureleakage,overload,open-phase,undervoltage,shortcircuit,lossofpressure,aswellasabsorption,suchasover-voltageprotection,especiallysuitableforminingareacentralordistributionsubstationfortheuseofswitches,butalsocanbeusedashigh-voltagedirectcontrolelectricmotorsonly.

Thisarticlefocusesonthe"KBG-200/6YZmineexplosion-proofmobilesubstationhighvoltagevacuumdistributionswitch"designprinciplesandvariousfunctions.

Keywords:

Sunplus16-bitsingle-chipthree-phaseneutralpointanalogcontrolprotector

第一篇基础知识篇

第一章绪论

矿用隔爆型高压真空配电开关（以下简称配电开关），适用于煤矿井下和其它周围介质中含有爆炸性气体的环境中，在中性点不接地的三相电网中，作为配电总开关或分支开关之用。

本文设计的开关采用了凌阳16位单片机作为控制核心，性能可靠，动作准确，具有欠压、过载、短路、漏电闭锁、选择性漏电保护功能，并可外接远方分励脱扣按钮。

第一节课题背景

随着近年来我国国民经济的高速发展，对煤炭的需求急剧增加，因此各煤矿都在加速增加产量。

由于煤矿井下原有的生产设备较为落后，特别是在漏电闭锁功能保护方面，除进口设备具有此功能外，国内的矿用隔爆高压真空配电装置均不具备此功能，因此不能进行现代化管理，为此矿难不断发生，特别是高瓦斯矿井中的事故频频发生，对国家造成了严重的经济损失。

现在的采煤环境已经严重威胁到矿工的人身安全，连续不断的发生瓦斯爆炸，跟现在井下防爆开关设备质量低，功能不全面有很大关系。

以瓦斯检查为例，现在的采煤区多属于瓦斯浓度高的煤区，瓦斯浓度需现场检测，安全系数低，对瓦检员也存在生命威胁，因此强力推进煤矿设备改造和技术进步，为安全生产提供坚实可靠的物质保证势在必行。

我们为此开发研制的“KBG矿用隔爆型高压真空配电装置”除具有漏电、监视、过载、失压、过压、过流等功能外，它的最大特点是具备了本质安全型功能：

即具有超瓦斯报警及超瓦斯断电功能，可对高压真空配电装置进行遥测、遥控、遥调，可实现煤矿高压供电的现代化管理。

从而会大幅度提高煤矿安全系数，也会为国家带来很高的经济效益和社会效益。

第二节国内对矿用隔爆高压配电开关的研究

目前国内配电开关保护系统一般是由分立元器件或51单片机组成的控制核心，结构复杂，安装调试困难；抗干扰能力差，故障率高，元件的分散性对保护的可靠性和稳定性影响很大；显示采用普通数码管或指示灯，不直观。

国外同类产品普遍采用plc系统组成，虽然工艺水平较国内高但是一旦出现故障，维修跟不上，影响生产。

另外，国外产品价格极高，是国内同类产品的十倍以上。

针对这种情况，项目针对国产配电开关开发了一种新型智能矿用隔爆型高压真空电子馈电开关。

该装置核心采用技术先进的凌阳16位单片机系统，构成的智能型综合保护控制器，使配电装置既可靠又安全。

凌阳16位单片机是此设计的核心所在。

随着我国科技的进步，自动控制术也与日俱进。

而单片机的应用也日益普遍化，现在单片机的应用日益广泛深入，诸如在仪器仪表、家用电器和专用装备的智能化以及过程控制等方面，单片机扮演着重要的角色。

此外我们应该认识到，单片机应用的意义绝不仅限于它的广阔范围以及所带来的经济效益上。

更重要的意义还在于，单片机的应用正从根本上改变着传统的控制系统设计思想和设计方法。

从前必须由模拟电路或数字电路实现的大部分功能，现在已能使用单片机通过软件方法实现了。

这种以软件取代硬件并提高系统性能的控制技术，称之为微控制技术。

微控制技术标志着一种全心概念的出现是对传统控制技术的一次革命。

随着单片机应用的推广普及，微控制技术必将不断发展，日益完善，更加充实。

普遍来讲可以将单片机分为通用型和专用型两种类型。

通用型单片机是一种基本芯片，它的内部资源比较丰富，性能全面而且适用性强，能覆盖多种应用需求。

用户可以根据需要设计成各种不同应用的控制系统，即通用单片机有一个再设计的过程，通过用户的进一步设计才能组成一个通用单片机芯片为核心再配以其他外围电路的应用控制系统。

今后随着单片机应用的广泛和深入，各种专用单片机芯片将会越来越多，并且必将成为今后单片机发展的重要方向。

但是应当说明，无论专用单片机在应用上多么专，其原理和结构是建立在通用单片机的基础之上。

可以说单片机在控制领域是功不可没的，我们要把它应用到工业，国防业等国民经济行业，提高我们自动化水平，提高我们的科技竞争力，显然这将是一件具有巨大意义的事。

第三节凌阳16位单片机的简介

随着单片机功能集成化的发展，其应用领域也逐渐地由传统的控制，扩展为控制处理数据处理以及数字信号处理，DSP（DigitalSignalProcessing）等领域。

凌阳的16位单片机就是为适应这种发展而设计的。

它的CPU内核采用凌阳最新推出的MicrocontrollerandSignalProcessor16位微机处理器芯片，以下简称µ’nSP。

围绕µ’nSP所形成的16位µ’nSP系列单片机，以下简称µ’nSP家族。

采用的是模块式集成结构，它以µ’nSP内核为中心集成不同规模的ROMPAM和功能丰富的各种外设部件。

µ’nSP内核是一个通用的和结构。

除此之外的其它功能模块均为可选结构。

以及这种结构可大可小可有可无，借助这种通用结构附加可选结构的积木式的构成，便可成为各种系列的派生产品，以适合不同场合，这样做无疑会使每种派生产品具有更强的功能和更低的成本。

µ’nSP家族有有以下特点：

体积小，集成度高，可靠性好易于扩展。

µ’nSP家族把各功能把各功能部件模块化地集成在一个芯片里。

内部采用总线结构，因为减少了各功能部件之间的连接，提高了其可靠性和抗干扰能力，另外，模块化的结构易于系列的扩展，以适应不同用户的需求。

具有较强的中断处理能力。

μ’nSPTM家族的中断系统支持10个中断向量及10余个中断源，适合实时应用领域。

高性能价格比：

μ’nSPTM家族片内带有高寻址能力的ROM，静态RAM和多功能的I/O口，另外μ’nSPTM的指令系统提供出具有较高运算速度的16位，16位的乘法运算指令和内积运算指令，为其应用添加了DSP功能，使得μ’nSPTM家族运用在复杂的数字信号处理方面既很便利又比专用的DSP芯片廉价。

功能强、效率高的指令系统：

μ’nSPTM的指令系统的指令格式紧凑，执行迅速，并且其指令结构提供了对高级语言的支持，这可以大大缩短产品的开发时间。

低功耗、低电压：

μ’nSPTM家族采用CMOS制造工艺，同时增加了软件激发的弱振方式，空闲方式和掉电方式，极大地降低了其功耗，另外，μ’nSPTM家族的工作电压范围大，能在低电压供电时正常工作，且能用电池供电，这对于其在野外作业等领域中的应用具有特殊的意义。

第四节矿用隔爆配电装置的简述

一、使用范围

KBG-200/6YZ矿用隔爆型移动变电站用高压真空配电开关适用于具有爆炸性危险性气体的煤矿井下，主要用于额定电压6KV，额定频率50HZ，额定电流至200A三相交流中性点不直接接地的供电系统中的矿用隔爆型移动变电站高压侧，与BXB型高压真空配电开关配套运行，其核心部分采用凌阳16位单片机，使整套装置具有较高的运行稳定性和可靠性。

二、环境条件

①环境温度-20℃—+40℃

②具有甲烷、煤尘等混合气体的井下

③无强烈颠簸和冲击振动的地主方

④能防止滴水的地方

⑤该开关为矿用隔爆型Exdl

三、技术特征

1.型号说明

2.技术参数

①额定电压6KV

②额定电流200A

③额定频率50HZ

④额定短路开断电流6.3KA（有效值）

⑤额定短路关合电流16KA（峰值）

3.继电保护

继电保护（高压综保）额定电源电压为交流交流110V，所耗功率不大于30VA，并在65%—125%额定电压范围内可靠的工作，当线路电压≥125%时，发出过压信号，当线路电压≤65%。

发出欠压信号。

信号发出后，断路器延时动作。

4.过载保护

a）过载保护动作值按电流互感器二次额定电流值的0.2、0.3、0.4、0.5、0.6、0.8、0.9、1.0倍分级整定，整定误差不超过±10%，负载电流超限时屏幕报警显示，并开始实施反时限延时。

b）过载延时整定分档：

1，2、3、4挡，档位越小，延时时间越短，过载电流与延时时间符合表1.1。

表1.1过载延时表

延时时间

过载时间

整定位置

1

2

3

4

1.05le

∞

∞

∞

∞

1.20le

40"--60"

60"--2"

2'--3'

3'--6'

1.50le

20"--40"

40"--60"

1'--1'30"

1'30"--2'30"

2.00le

11"--20"

14"--20"

20"--40"

40"--60"

6.00le

>8"

>8"

>8"

>8"

五、短路保护

a）短路保护的动作电流按电流互感器二次额定电流值的8、9、10倍分级整定，整定值误差不超过±10%在1.2倍整定值时，短路保护时间应小于0.1S。

b）短路保护的复式电源应满足下述要求：

当配电系统发生断路器，电源电压为零，电流互感器一次通过四倍额定电流时，其二次电流源绕组应输出25VA（负载电阻25Ω），使断路器可靠分闸。

六、绝缘监视保护

表1.2绝缘监视保护动作特性

保护工作状态

可靠动作

允许动作

不允许动作

监视线与地线之间回路电阻RKKΩ

>1.5

0.8~1.5

<0.8

监视线与保护线之间绝缘电阻RKKΩ

<3.0

3.0~5.5

>5.5

动作时间S

—

0.1

—

七、漏电保护

本装置漏电保护为零序功率方向型保护特性如下:

a）整定值

零序电压整定值分为5.0、10.0、15.0、20.0、25.0（V）五档，精度为±8%。

零序电流整定值分为0.5、1.0、2.0、4.0、6.0、8.0（A）六挡，精度为±8%。

b）动作时间

保护动作时间为0.1、0.5、1.0、2.0、2.5、3.0、3.5（S）11挡，精度为±8%。

c）自检回路

继电保护装置自检回路进行实验时，保护装置应可靠动作，能正常显示并自保持。

过载、短路、漏电、监视、过压、欠压电路的故障均为微机自动处理。

第二章系统的电气特点概述

第一节系统的工作原理

系统原理框图如“图2.1”。

该配电开关的线路保护功能需在高压互感器上采集三相电流、零序电流、三相电压、相敏共8路信号。

这8路信号经过整流和滤波变成直流信号，电流信号进入I/U转换电路，电压信号进入电压衰减电路，然后经过信号调理，最后这8路信号进入凌阳16位单片机以控制断路器的分闸输出。

单片机对进入的电压信号进行计算，电压计算结果大于1．25倍额定电压，显示过压，过压保护10S内动作；电压计算结果小于0．65倍额定电压，显示欠压，欠压保护10s内动作；三相不平衡度计算结果大于0．7，显示断相，10～20S内保护动作。

电流计算结果中任何一相在8～10倍额定电流范围内，显示短路，短路保护0．1s内动作；电流计算结果中任何一相在0．2—1.0倍额定电流范围内时，显示过载，过载保护按反时限特性动作，动作时间如表1。

若线路发生漏电故障，根据相敏及电压信号漏电保护动作，切断线路。

图2.1系统整体框架图

表2.1动作时间

第二节主回路工作原理

高压真空配电装置电气原理示意图（截选）如下：

图2.2高压真空配电装置原理图

工作原理如下：

6KV三相电源从配电装置的电源接线盒引入，经上隔离插销、真空短路器和下隔离插销，再往后腔、下室的弯形电缆口输出到负载。

门锁紧后S1门行程开关触电闭合，M电动机合闸待命，拧出闭锁螺杆。

当隔离插销插入到位后，且外部隔离闭锁杆落入推进机构套孔内，6KV电源经高压熔断器FU-G，由三相五柱电压互感器TV变出三相交流100V，经低压熔断器FU-D由三相整流桥Q1输出直流100V,直流电压正端经S1门形成开关闭合触点、短路器辅助常闭节点ZD-4，自动控制继电器Y3控制开关合闸（大概10S后复位）。

直流电机M、合闸按钮Y3（回到负端），断路器储能并完成合闸动作。

ZD-4自动切断合闸电源，合闸电机失电停止旋转。

同时通过断路器辅助节点ZD-1、ZD-2实现合闸HL1和分闸HL2显示转换，把信号交给单片机并送到显示器显示。

然后断路器辅助节点ZD-3，分励线圈Y1待命。

第三节主回路分类

该装置按其在系统中的作用，主回路接线方案可分为四种：

（1）有两个电源进线端，负荷侧一个接线端，该种即可单台使用，也可联台使用。

一次电气原理如图2所示。

（2）有一个电源进线端，另一端封端盒，负荷侧一个接线端，即电源侧为单回路馈入，负荷侧为单回路馈出，这种即可单台使用，也可联台使用。

一次电气原理如图3所示。

（3）无进线端，三相电源从相邻开关的硬母线通过联接线接到本开关的硬母线，负荷侧有一个接线段，当峒室有多台配电装置联台使用时，该种只作分路开关，不能单台使用，只限于联台使用。

一次电气原理如图4所示。

（4）无进线端，三相电源从相邻开关的硬母线通过联接线接到该开关右（或左）端的硬母线，通过上隔离插销，断路器和下隔离插销的控制，再联接左（或右）端的硬母线，当峒室有多台配电装置联时，该种当作母线联络开关。

一次电气原理如图5所示。

第二篇系统硬件及软件设计篇

第三章系统的硬件电路结构设计

第一节SPCE061A芯片简介

随着单片机功能集成化的发展，其应用领域也逐渐地由传统的控制，扩展为控制处理、数据处理以及数字信号处理（DSP，DigitalSignalProcessing）等领域。

凌阳的16位单片机就是为适应这种发展而设计的。

它的CPU内核采用凌阳最新推出的μ’nSP™（MicrocontrollerandSignalProcessor）16位微处理器芯片。

围绕μ’nSP™所形成的16位μ’nSP™系列单片机采用的是模块式集成结构，它以μ’nSP™内核为中心集成不同规模的ROM、RAM和功能丰富的各种外设接口部件。

μ’nSP™内核是一个通用的核结构。

其模块结构如图3.1所示。

除此之外的其它功能模块均为可选结构，亦即这种结构可大可小或可有可无。

借助这种通用结构附加可选结构的积木式的构成，便可形成各种不同系列派生产品，以适合不同的应用场合。

这样做无疑会使每一种派生产品具有更强的功能和更低的成本。

图3.1μ’nSP™模块式结构

μ’nSP™家族有以下特点:

（1）体积小、集成度高、可靠性好且易于扩展

μ’nSP™家族把各功能部件模块化地集成在一个芯片里，内部采用总线结构，因而减少了各功能部件之间的连线，提高了其可靠性和抗干扰能力。

另外，模块化的结构易于系统扩展，以适应不同用户的需求。

（2）具有较强的中断处理能力

μ’nSP™家族的中断系统支持10个中断向量及10余个中断源，适合实时应用领域。

（3）高性能价格比

μ’nSP™家族片内带有高寻址能力的ROM、静态RAM和多功能的I/O口。

另外，μ’nSP™的指令系统提供具有较高运算速度的16位×16位的乘法运算指令和内积运算指令，为其应用增添了DSP功能，使得μ’nSP™家族运用在复杂的数字信号处理方面既很便利，又比专用的DSP芯片廉价。

（4）功能强、效率高的指令系统

μ’nSP™指令系统的指令格式紧凑，执行迅速,并且其指令结构提供了对高级语言的支持,这可以大大缩短产品的开发时间。

（5）低功耗、低电压

μ’nSP™家族采用CMOS制造工艺，同时增加了软件激发的弱振方式、空闲方式和掉电方式，极大地降低了其功耗。

另外，μ’nSP™家族的工作电压范围大，能在低电压供电时正常工作，且能用电池供电。

这对于其在野外作业等领域中的应用具有特殊的意义。

SPCE061A是继μ’nSP™系列产品SPCE500A等之后凌阳科技推出的又一款16位结构的微控制器。

与SPCE500A不同的是，在存储器资源方面考虑到用户的较少资源的需求以及便于程序调试等功能，SPCE061A里只内嵌32K字的闪存（FLASH）。

较高的处理速度使μ’nSP™能够非常容易地、快速地处理复杂的数字信号。

因此，与SPCE500A相比，以μ’nSP™为核心的SPCE061A微控制器是适用于数字语音识别应用领域产品的一种最经济的选择。

SPCE061A内部结构如图3.2所示。

图3.2SPCE061A的结构

一、SPCE061A芯片的性能

（1）16位μ’nSP™微处理器；工作电压（CPU）VDD为2.4-3.6V（I/O）VDDH为2.4-5.5V

（2）CPU时钟：

0.32MHz-49.152MHz；

（3）内置2K字SRAM；内置32KFLASH；

（4）可编程音频处理；

（5）晶体振荡器;系统处于备用状态下（时钟处于停止状态），耗电仅为2μA@3.6V；

（6）2个16位可编程定时器/计数器（可自动预置初始计数值）；

（7）2个10位DAC（数-模转换）输出通道；

（8）32位通用可编程输入/输出端口；

（9）14个中断源可来自定时器A/B时基，2个外部时钟源输入，键唤醒；具备触键唤醒的功能；

（10）使用凌阳音频编码SACM_S240方式（2.4K位/秒），能容纳210秒的语音数据；

（11）锁相环PLL振荡器提供系统时钟信号；32768Hz实时时钟；

（12）7通道10位电压模-数转换器（ADC）和单通道声音模-数转换器；

（13）声音模-数转换器输入通道内置麦克风放大器和自动增益控制（AGC）功能；

（14）具备串行设备接口；

（15）具有低电压复位（LVR）功能和低电压监测（LVD）功能；

（16）内置在线仿真电路ICE（In-CircuitEmulator）接口；

（17）具有保密能力；

（18）具有WatchDog功能。

二、SPCE061A芯片的引脚排列和说明

SPCE061A有两种封装片，一种为84个引脚，PLCC84封装形式；它的排列如图3.3所示；另一种为80个引脚，LQFP80封装。

图3.3SPCE061APLCC84封装排列图

图3.4SPCE061APLCC84实物图

在PLCC84封装中，有15个空余脚，其余管脚功能如表3.1所示。

在LQFP80封装中有9个空余脚，使用时这9个空余脚接地。

表3.1管脚功能描述

管脚名称

管脚编号

功能描述

IOA15～0

41～48，53

54～60

I/O口A，共16个

IOB15～0

5～1，81～

76