探究煤矿井下电气设备功能电路模块的设计

高林春

（榆林神华能源责任有限公司郭家湾煤矿分公司 陕西榆林 719408）

探究煤矿井下电气设备功能电路模块的设计

高林春

（榆林神华能源责任有限公司郭家湾煤矿分公司 陕西榆林 719408）

煤矿的开采环境非常潮湿，因此在这种潮湿的环境中，井下电气设备极易发生事故，从而危及煤矿井下的安全生产，甚至引发严重后果的安全事故。因此，应按要求设计煤矿井下电气设备的硬件电路功能模块，以实现其对电气系统的可靠控制和保护。在本案，笔者结合实践经验，浅析煤矿井下电气设备功能电路模块的设计。

煤矿井下；电气设备；电路功能模块

煤矿井下电气设备的电气保护一般分为接地保护、漏电保护和过流保护三类，而煤矿电气设备包括磁力起动器、馈电开关、移动变电站、高压防爆配电装置及一般型高压开关柜等，且其电气保护装置在类型和功能上都具有多样化的特征，其中一般型高压开关柜应用范围十分广泛，比如煤矿井下中央变电所、地面变电所、低瓦斯矿井（进风巷）、总进风巷、井底车场中及其主要采用电磁感应式继电保护装置等方面。由于这种保护方式有着结构简单，且有一定现场维护能力的特点，过去一直在沿用。但是在科技飞速发展的当下，继电保护装置将向数字式和微处理器式继电器的方向发展。因此，为了适应这一发展需要及实现煤矿行业的生产目标，应重视对煤矿井下电气设备功能电路模块的设计研究，具体表现如下：

1 如何设计漏电闭锁模块

漏电闭锁模块主要是对漏电闭锁保护，通过附加直流源原理进行信号采集，以24V直流电源经大地、三相绕阻的方式形成回路，当线路对地绝缘电阻出现变化，采样点电压就会随之变化，该法便可监测电机部分对地绝缘电阻，实现闭锁效果。漏电闭锁模块在煤矿井下电气设备中有着十分重要的作用，可对绝缘电阻进行检测，作用原理在于在真空接触器吸合前，或者断开后对电机绕阻处电缆的绝缘情况进行测定，当检测值＜动作值，漏电闭锁模块则处于保护状态（动作），此时禁止启动，同时发出警报信号，而液晶显示器上可将漏电故障与漏电处绝缘电阻值等显示出来，这样对于及时发现故障有着重要作用。当然，主回路的绝缘电阻值可以慢慢恢复，若达到动作值1.5倍，漏电闭锁保护可自动恢复，这个时候可进行真空接触器合闸处理；当主回路为刚刚断开状态，则漏电闭锁保护应延长至少10s后再投入。此外，还有一种比较特殊的情况是若启动前并未发现漏电故障，系统也可正常启动，在真空接触器吸合后这种闭锁保护便不会再起效果，该阶段漏电保护可由上机馈电开关实现。

2 如何设计联控模块

联控模块属于智能控制单元比较重要的部分，尤其是当前网络化时代，其作用越来越明显，为此在煤矿井下电器设备功能电路控制单元中可将这种模块设置进去。当控制单元系统设定为联控模式后，不管何种保护单元都能从菜单设置主机或者从机，而整个系统则只有主机一台，主机可对其他从机进行控制，经联网后以延时方式（按照一定先后顺序）启动，而延时时间根据具体情况设定，范围0～99s。如何设计联控模块，本文采取的方案如图1所示。从图1中可以看出，其联控模式以环型接线非处理，每个控制单元的联控接口均设置2个接口，即上机位与下机位。

图1 联控模块方案图（上位机5V/OUT6、下位机5V/OUT7）

本次研究以三机联控模式（见图2）进行具体分析，因为三机联控属于最为常用的联机方式，能对后机延时时间进行设置，能使从机按照一定的顺序启动。联控系统可经主机操作其启动及停止，而且每台均可单独启动及停止。这种模式下当联控出现故障后，系统会处于停机状态，故障机自身会显示及记录故障信息，联控系统仅仅将编号显示出来而不会记录。因此，若联控系统发生故障后，首先要排除故障，使得每台机复位后方可重新运作。在三机联控中通过频率（可见表1）来对应相关的联控命令，然后联控系统信息则通过频率脉冲进行传达，使得每个从机号与控制命令都有对应频率脉冲，比如当某台机器往下位机发送命令仅仅将相应频率脉冲发送即可，而下位机在受到脉冲后会及时解码，从而将上机命令识别并执行。此外，接收下位机或者上位机接收下位机合闸信号主要以光耦电路实现，其中ULN2003系列的OUT7、OUT6便是发送脉冲的。

图2 三机联控接线示意图

表1 三机联控通信的相关频率情况

3 如何设计通信模块

为了使得网内用户在任意时刻均可浏览电气设备运行状况，本设计中的通信模块以远距离传输数据RS-485为主，可将现场数据及时送回煤矿管理处的局域网。通信模块包括并行与串行通信两类，前者优势在于传输的速度极快，而缺陷则主要是需同时连接很多线，特别是通信距离较长则会使得传输线成本显著增加；后者优势在于少量传输线便可完成操作，对于远距离传输可明显降低成本，缺陷则主要在于传输的速度较慢。针对数据通信、工业分布式控制系统、计算机网络等情况，以串行通信为主，实现远程信息交换。本设计中采取的RS-485串行方式严格按照RS-485接口标准执行，包括四个方面：①电气特性。若两线间电压差为负数2～6V，则用逻辑“0”表示，反之若为正数2～6V，则用逻辑“1”表示。此时，接口的信号电平比相比RS-232显著降低，不会对接口电路芯片造成严重损坏，而且这种电平和TTL兼容，有利于TTL电路的连接。②数据。RS-485传输其速率最高可达到10Mbps左右。③接口。RS-485接口通过平衡驱动器、差分接收器后，有更强的抗共模感染能力，即有着不错的抗噪声干扰功能。④最大传输距离。从相关文献及实践中可以知晓RS-485最大传输距离可达到4000英尺，相当于3km，总线上也可允许连接收发器128个之多，有着多站能力，这种情况下用户可经单一RS-485接口建立设备网络，操作十分方便简单。

4 如何设计电源模块

煤矿井下电器设备多以智能保护单元模式，所用电源电路有两种形式：①电网供电；②电池供电，具体操作期间可经拨档开关切换。如果在电网上供电，控制单元空点为中继开关电源，若停止运行，则需整定系统参数，而且要按照相关安全操作规范实施，尤其是井下禁止在带电情况下打开隔爆外壳，而应当先将供电方式进行切换，将其切换成电池供电模式，此时控制单元供电为外置蓄电池。此外，为了避免蓄电池出现电机短路现象，应将蓄电池电极密封，且近极端串联200mA快速熔断丝，避免蓄电池电极短路。这里可以由图3所示来进一步分析，从图3中可以看出，12V蓄电池经7805后电压为稳定+5V，当切换为电池供电后，双路拨档开关S1可产生返回信号，此信号能使得系统识别当前的电池供电模式，以便将不必要服务程序关闭，确保参数准确整定。

图3 电池供电示意图

5 如何设计故障存储模块

煤矿井下电器设备中故障存储模块在本次设计中采取的是铁电存储器FM24C64芯片，这种芯片是一种非易失性记忆体，接口是工业标准接口，而逻辑结构为8192×8位。因为铁电存储器有着极强的持久保存数据功能与快速存储等优势，其在保存存储数据上年限可超过10年。此外，普通EEPROM存储速率以毫秒为单位，而铁电存储器则以微秒为单位，普通EEPROM还会受到噪声与电源波动等影响，而FRAM速度极快，不会受到噪声与电源波动影响。基于这些优势，可高效、快速及准确记录各种电压、漏电及电流等故障，经软件设计查询算法，用户便可便捷查询历史故障信息，从而为设备维护提供可靠信息。

6 结语

煤矿井下电气设备若出现故障后则会给煤矿生产带来巨大危害，并对员工生命安全造成威胁，为此需加强煤矿井下电气设备功能电路模块的设计研究。本文通过对漏电闭锁模块、联控模块、通信模块、电源模块、故障存储模块等方面的设计进行探讨，尽量保障相关设计达到实际操作的规范要求，从而更好地避免相关的故障发生，保障员工的安全，改善效益。

[1]呼守信.煤矿井下采掘设备隔爆兼本安型电气控制箱的本安设计[J].工矿自动化，2012，05：83～86.

[2]李培煊，强蕊.基于WiFi的煤矿井下应急救援无线通信系统的研究[J].中国安全生产科学技术，2011，04：139～143.

[3]孙继平，李晨鑫.基于TOA技术的煤矿井下人员定位精度评价方法[J].煤炭科学技术，2014，03：66～68+72.

[4]于同亚.煤矿井下机电设备的物联网监测系统开发[J].煤矿机械，2013，12：251～254.

[5]张平.基于煤矿井下综采工作面机电设备集中控制系统的设计[J].山东煤炭科技，2015，01：183～184.

[6]刘海生，张俊.煤矿井下设备水循环自动控制系统的设计[J].煤矿机械，2016，01：28～30.

TD684

A

1004-7344（2016）20-0158-02

2016-6-25

高林春（1985-），男，助理工程师，本科，主要从事煤矿井供电工作。