礦用高壓防爆開關控制器的缺陷分析范文
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高壓防爆開關是煤礦常用的電氣設備，可以保護井下電氣設備的安全運行。控制器是高壓防爆開關的核心部件，隨著技術的發展，控制器向著多功能化發展。但由于產品更新換代速度更快，許多廠家將未經充分檢驗的產品投入市場使用，導致煤礦井下經常出現控制器故障或功能不全的問題。這不僅會對煤礦企業造成直接的經濟損失，還會對煤礦井下的電氣安全形成威脅。
1問題概況
某礦設計年生產能力為350萬t/年，屬于大型礦井。該井下采用的各種高壓防爆開關控制器總數量超過1500部，每年對高壓防爆開關控制器進行維修更換的直接費用超過了20萬元，以及由于高壓防爆開關控制器故障造成的工作面損失的有效工時超過50小時/年。并且由于所采用開關控制器的供應廠家不一，且同一批次采購的高壓防爆開關控制器內部元件也存在差異，導致大量的高壓防爆開關備用元件還未使用就被廢棄，浪費了大量的資源。
通過對多座煤礦高壓防爆開關控制器的使用情況進行調研，發現傳統控制器存在如下不足：（1）根據《煤礦安全規程》規定，煤礦井下的高壓控制設備應具有短路，過負荷，接地和欠壓保護功能。目前控制器采用的是瞬時性的速斷失壓脫扣器，經常出現誤操作。（2）控制器的電源無除諧波設計，無法對高壓系統中的諧波進行控制。在井下使用中，時常會由于諧波導致電源的電路，模擬信號處理電路和執行電路被擊穿出現損壞。（3）控制器配套的單片機無抗諧波設計。當電路中的諧波過強時，單片機會在諧波的作用下出現誤操作。其表現為控制器的顯示器出現亂碼，該故障時常是檢修人員以為顯示器出現故障，對顯示器進行更換，導致不必要的經濟損失。（4）根據《煤礦安全規程》規定，煤礦井下再出現短路或漏電等故障時，控制該電路的高壓開關控制器應能在0.01s內實現短路保護和最小延時漏電保護。控制器采用的單片機只能同時處理一路信號，而在實際使用中需要控制器處理多路信號。這大大延長了在出現電路故障時，控制器的故障處理反應時間遠超過0.01s。（5）不同廠家控制器采用的接口和通信協議各不相同，且相同型號控制器內部采用元件也存在差異。這導致工作人員在進行檢修時需要備有多種型號的控制器和內部元件，一方面增大檢修人員的工作量，另一方面延長了檢修時間，不利于工作面的開工。
3控制器的優化
針對上述問題，可以從如下方面對防爆開關控制進行優化改進：
（1）對欠電壓脫扣線圈進行改造。可以在失壓線圈的回路中設置一個儲能電容來延長欠壓脫扣時間，從而避免因電壓波動造成的誤操作。用直流欠電壓脫扣電磁鐵替換交流欠壓脫扣電磁鐵。并在原有電路中設置電阻ra、rb和一個儲能電容S，此時電路具有延時功能。通過控制電阻ra和rb的大小實現在電壓低于額定電壓的35%時穩定脫扣，當電壓超過額定電壓的80%時穩定吸合鐵芯。即使在失去電源的1.5～3s的時間內仍可吸附欠電壓脫扣線圈的鐵芯。如圖1所示，為優化后的欠電壓回路在電路電壓處于正常值時，電流依次經過整流器和電阻ra、rb，此時電容s處于充電狀態。欠電壓脫扣線圈的電壓與額定電壓相近，則鐵芯處于吸合狀態。一旦電路中的電壓下降幅度過大，儲能電阻s就會開始釋放電能，電流依次經過電阻ra和rb，欠電壓脫扣線圈就會放電。欠電壓脫扣線圈的放電時間與欠電壓線圈的電阻值rd和電容的容量S相關。由于欠電壓線圈的電阻rd是線圈材質決定的，因此可以通過對電容的容量S進行調節控制延時時間。
（2）改造控制器電源的電路。只有使控制器電源適應煤礦井下的供電系統電壓的波動才是減小電路中諧波對電路中各元件影響的措施，因此對控制器電源電路進行改造才是解決方案。在原電源電路中增加拉電阻、輸入/輸出緩沖、濾波器、整流橋和濾波電容，可以將輸入高壓變頻器的交流高壓轉換成直流高壓。
（3）轉化信號傳輸方式。由于電信號受諧波的影響明顯，而光信號不受諧波等因素的影響。因此通過在輸入端和輸出端均裝設光電發射器和接收器，從而實現輸入、輸出信號的隔離。為改進后信號傳輸原理圖。
（4）采用雙線程CPU。鑒于目前控制器采用的CPU實時處理數據的速度慢、同時處理信號單一的問題，采用T1公司生產的DSPTMS320VC5402來作為控制通信、顯示、數據輸入和電路保護的CPU。利用Xilinx公司研發的CPLDXC95144XL芯片完成邏輯控制。采用此設計可以對多路信號同時進行處理并且信號傳輸不會受外部的影響，避免由于信號堵塞造成電路保護動作出現延遲。
（5）統一控制器內部元件接口標準和通信協議。采用電氣防爆協會認定的控制器元件，具體認定的標準有：①各接口的硬件結構；②各種信號的接入、輸出位置；③配套電源、相關檢測信號、控制信號性質和數量。控制器內部所有元件均采用RS-485串行總線標準，與控制相連的信號輸出輸入設備也采用RS-485串行總線標準。建立完備的井下供電系統遠程通信網絡，使工作人員在地面的中央控制室就可以知道控制器控制設備的工作狀態以及控制，實現遠程監控。并且在出現故障之后可以立刻檢測到故障原因以及存在的位置，使工作人員攜帶最少的備件以最快的速度排除故障，即降低了井下工作人員的工作量，又提高了電路檢修效率。
4現場應用
對高壓防爆開關控制器進行優化改造之后，出廠前技術人員模擬煤礦井下條件對高壓防爆開關控制器進行了相關測試：①在失去電源的2s的時間內仍可吸附欠電壓脫扣線圈的鐵芯；②控制器對短路等故障的平均處理反應時間為0.005s，符合相關標準；③電壓諧波不會對控制信號造成影響。然后將井下所有防爆開關控制器進行更換。經過統計，自2017年5月采用改進后的防爆開關控制器起，至2017年11月。該礦井下共出現1起由于防爆開關控制器的故障導致的停電事故，經過檢修人員檢查，發現是由于在安裝防爆開關控制器未完全固定，導致在工作人員搬運時出現松動，導致開關控制器失效。因此對防爆開關控制器的改進可靠有效。
5結語
通過對防爆開關控制器欠電壓脫扣線圈進行改造、優化控制器電源的電路、轉換信號傳輸方式、采用高性能的DSPTMS320VC5402CPU和建立RS-485串行總線標準以解決防爆開關控制器的各種缺陷。經過專業測試和現場應用表明該改進有效解決了傳統防爆開關控制器可靠性不足等問題，為煤礦井下用電安全提供了保障，降低了井下工作人員的工作強度，并為煤礦企業節省了大量經濟投入。改進后的防爆開關控制器已在該集團公司的其它煤礦進行了推廣。
作者:高軍 單位:陽煤集團機電動力部
