煤电钻综合保护装置的智能化研究

李世豪

（平顶山工业职业技术学院，河南 平顶山 467001）

0 引 言

众所周知，煤电钻是煤矿井下采掘工作面的“常规武器”。在炮采工作面，使用煤电钻打眼后，才能放炮落煤；在机采工作面，需要煤电钻开掘“机窝”，放置采煤机；在掘进工作头，需要用煤电钻打眼开掘巷道。因此，煤电钻是井下采掘工作面的主要生产工具。《煤矿安全规程》第457条规定：“煤电钻必须使用设有检漏、漏电闭锁、短路、过负荷、断相、远距离启动和停止煤电钻功能的综合保护装置。”从20世纪80年代初第一台煤电钻综合保护装置的研制开始，到目前已有多种型号的煤电钻综合保护装置在煤矿井下使用。

传统煤电钻综合保护装置在井下已经使用较长时间，在保证煤矿生产中的人员和设备安全方面发挥了巨大作用。但是，受当时技术、电子元器件等多种因素的限制，传统煤电钻综合保护装置在性能上存在很大局限性。传统煤电钻综合保护装置的短路保护设置了熔断器和载频检测两个环节，以熔断器作为后备保护，具有自锁和闭锁功能；过负荷采用热继电器保护，同时兼作断相保护；检漏装置设有漏电检测、漏电跳闸、漏电自锁、漏电闭锁、漏电显示以及漏电试验等环节。传统的煤电钻综合保护装置能够通过装在煤电钻上的手动开关的接通与关断，控制远方综合装置中接触器的吸合与释放，从而实现远距离启动和停止。

但是，现有的煤电钻综合保护装置中电路均采用模拟器件和分立元件设计，因此抗干扰能力差，精度不高，参数调整比较困难，在现场使用中经常出现煤电钻综合保护误动作等问题，给煤矿安全生产造成了隐患。

1 设计方案选择

1.1 设计方案分析

1.1.1 方案一

针对目前生产的需求，将煤电钻综合保护装置的变压器容量增大，相应地交流接触器容量也增大，以适应大功率轻便钻机的要求。同时，对煤电钻综合保护装置的插件部分只做一些局部改进，并对易损坏电路在技术上进行调整与改进。

1.1.2 方案二

对大功率轻便煤电钻综合保护装置进行新的整体设计。在适当增大变压器容量的前提下，采用节能变压器设计方案，减少变压器体积与损耗；而对轻便钻机综合保护电路采用单片机全数字化技术进行设计，解决原煤电钻综合保护装置插件技术落后、性能不稳定和维修量大等缺点。

1.2 设计方案对比

1.2.1 方案一

优点：技术成熟，操作简单，容易生产；

缺点：技术含量低，功能单一，故障率高，维修量大。

1.2.2 方案二

优点：技术含量高，功能齐全，性能稳定，操作灵活，市场竞争力强，功耗低，维修量小；

缺点：生产条件要求高，相应配置高，生产工艺要求严格，生产成本有所增加。

为煤矿企业提供高技术含量、性能稳定、功能齐全、易操作的大功率轻便煤电钻综合保护装置，有利于提高煤矿企业的技术装备水平，有利于煤矿企业向现代化迈进。因此，将方案二确定为本文的研制方案。

2 智能型煤电钻综合保护装置的设计

本文对全数字化智能型煤电钻综合保护装置进行整体设计。要求的容量是6 kVA，3.0 kW以下各种功率的轻便钻机都能使用[1]，控制范围广。综合保护装置能够对煤电钻的漏电、短路、过载、断相等问题进行保护控制，并具有故障记忆查询功能。智能型煤电钻综合保护装置的整体结构如图1所示。

图1 智能型煤电钻综合保护装置的整体结构

3 智能型煤电钻综合保护装置的主要功能及技术指标

3.1 综合保护装置的主要功能

本设计实现的智能型煤电钻综合保护装置要求完成的保护功能齐全，具体功能如下。

（1）采用单片机作为核心控制部件[2]，电路简单、整机可靠性高、维修量小，控制保护距离可达0～300 m。

（2）额定电压：660（380）/127 V（空载：133 V）。

（3）具有漏电保护和漏电闭锁功能。当煤电钻送电前，三相电缆中若有任何一相对地绝缘电阻下降至4 kΩ（±20%）时，煤电钻综合保护装置实现漏电闭锁，煤电钻不能送电；煤电钻送电运行后，当三相电缆中若有任何一相对地绝缘电阻下降至2 kΩ（±10%）时，漏电保护可靠动作，切断电源实现保护。

（4）具有短路保护和短路闭锁功能。在煤电钻送电前，若煤电钻负荷侧发生两相短路，综合保护装置能实现闭锁，禁止煤电钻送电运行；当煤电钻送电运行后，若负荷侧发生两相短路，短路保护系统能在小于0.06 s内切断电源。

（5）具有过载保护功能。在煤电钻电钻送电后，若煤电钻工作实际电流超过额定值时，能够在对设备造成损坏前切断电源，并有指示灯指示故障。

（6）具有5次故障记忆查询功能。

（7）要求智能型煤电钻综合装置中的综合保护器采用插件形式，便于更换。

3.2 综合保护装置的主要技术指标

设计完成的煤电钻综合保护装置要求具有过载保护、断相保护、漏电闭锁、漏电保护、短路保护等功能[3]，而主要的技术指标如表1所示。

表1 综合保护装置技术指标表

4 结 论

为解决煤矿企业生产中出现的问题，经过大量的调查研究，本文设计研制容量6 kVA全数字化轻便钻机综合保护装置，解决瓦斯抽放打孔的需求，并提升轻便钻机综合保护装置的技术水平。

新装置与原保护装置相比，在性能上具有如下优点：

（1）新装置能控制3.0 kW以下各种功率的轻便钻机，控制范围广，而原来的装置只能控制1台1.5 kW或2台1.2 kW的煤电钻；

（2）新装置的核心器件——智能保护器采用单片机控制技术，保护齐全，性能稳定；而原来装置的保护插件则采用模拟电路，性能稳定性差；

（3）新装置中智能保护器取代了原有装置中的热继电器保护；

（4）新装置中增加了故障记忆查询功能；

（5）新装置不再使用铁芯电流互感器作为先导回路中的维持功能，而是采用铁氧体磁芯电流互感器轻便钻机工作时给出的维持信号，该互感器在电流达到某一值时饱和，输出电压不再上升，从而排除了由电流互感器及相关电路引起的故障；

（6）新装置中漏电闭锁与保护采用附加直流电源检测的方法，与原有装置中从三相电网取电压信号方式相比，避免了由电压波动时漏电保护与闭锁功能的影响。

参考文献：

[1] 刘俊卿.矿用电动机智能综合保护装置的设计[D].太原：中北大学，2006.

[2] 赵德奇.煤电钻电动机综合保护装置的研制[J].山东煤炭科技，2005，（1）：53-54.

[3] 陆士民.煤电钻综合保护装置的改进[J].煤炭技术，2008，27（5）：41-42.