高压防爆开关控制器的缺陷分析及改进措施

丁忠彦

(河南平煤神马电气股份有限公司，河南 平顶山 467000)

0 引言

高压防爆开关在煤矿行业中属于常用的电气设备，能够有效地保护井下电气设备的安全。而在高压防爆开关中控制器是核心，随着科技的不断进步，控制器的功能越来越多。由于控制器更新比较快，使得厂家在质检过程中没有对其进行充分检测，导致一些控制器不合格，因此煤矿电气故障中控制器事故率比较高，表现为控制故障或者功能不全等，给煤矿开采带来极大的安全隐患。

1 问题概况

调研某矿，其设计年生产量350万t/年，属于大型煤矿的范畴。其中井下使用的高压防爆开关总数量达到1 500部，通过统计发现，高压防爆开关控制器维修费用可以达到20万元，同时由于控制问题导致损失的工作时间为50 h/年。此外，由于公司采购的控制器并不是同一家供应商，即使同一批的高压防爆开关控制器内元件也存在一定的差异性，因此大量的高压防爆开关未被使用就已经废弃，给公司带来极大的资源浪费。

2 传统控制器存在的缺陷

在对不同煤矿选用的高压防爆开关控制器进行调查时发现，传统的控制器存在如下几个缺点。

1)依据《煤矿安全规程》发现，煤矿井下设置的高压防爆控制开关必须能够应对短路以及过载的现象。而现行的控制器选用瞬时性的速断失压脱扣器，往往出现错误的动作。

2)在控制器的电源中未设置相应的谐波设计，从而不能对高压系统中出现的滤波进行相应的控制。在井下使用的过程中，往往出现滤波的原因导致电源电路以及模拟信号处理电路被击穿的现象。

3)在控制器设置的单片机中，未进行谐波设计。假如电路中出现过大的滤波时，那么单片机将会因为滤波发出错误的指令。其主要表现为在显示器中出现乱码，这样将误导维修人，以为显示器出现了问题，进而更换显示器，从而导致不必要的经济损失。

4)通过分析《煤矿安全规程》可以发现，当井下再次出现短路时，高压控制器必须在0.001s内实现短路保护。控制器单片机中只能同时识别一个信号，可是在实际工况情况下，往往出现多个信号。

5)由于每一个公司的控制器的接口以及通信协议不同，同时即便是型号相同的控制器内部元件也存在差异性，因此维修人员在进行维修的过程中往往会由于型号以及内部元的不同，而更换元件，这样不仅会增加维修时间，还会带来不必要的经济损失。

3 控制器的优化

1)改造欠电压脱扣线圈。通常，在失压线圈对应的回路中设置储能电容，可以有效延迟欠压脱扣时间，进而避免由于电压波动出现误动作。

可以使用直流欠电压脱扣电磁铁替换传统的交流欠压脱扣电磁铁，同时设置电阻以及储能器，这样能够起到时间延迟的作用。经过优化设计的电路，当电压低于额定电压的35%时，可以实现稳定脱扣；当电压超过额定电压的80%时，可以实现稳定的吸合铁芯。

当电路电压处于正常的状态时，电流依次通过整流器以及电阻，同时设置的电容处于充电状态，欠电压脱扣线圈的电压与额定电压相近，则铁芯处于吸合状态。假如电路中的电压出现大幅度的压降，电容开始放电，同时电流依次通过电阻，以及对应的欠电压脱扣线圈的电压和额定电压近，使得欠电压脱扣线圈实现放电。而相应的欠电压脱扣线圈放电时间与欠电压以及相应的电阻与电容量有直接的关系。

2)改造控制器电源的电路。通常在应对供电系统电压波动形成的滤波时，可以选用合适的控制器电源电流滤波元件，为此，对电源控制电路进行优化显得非常重要。一般需要在原电原电路中设置如下几个电路元件：①电阻。②滤波器。③整流桥和滤波电容。④输入/输出缓冲等，这样能够把高压变频器的交流电转化成为直流高压。

3)转化信号传输方式。通常情况下，电信号往往受到滤波的影响，而相应的光信号没有此方面的限制。为此需要在输入以及相应的输入端设置一个光电发生器与接收器，皆可实现信号转换，这样能够进行输入与输出的隔离。以往所使用的防爆开关欠电保护设备会发生一系列影响电路的连锁反应，使电路出现断电问题。因此，改良就是根据以往发生反应的机理来调节断电形式，使供电系统不会因短期断电或电压发生改变而触发断电开关。

4)采用双线程CPU。现在，由于控制器采用CPU实现信息的传输比较慢，与此同时仅仅能够同时处理一个信号。笔者采用DSP TMS320VC5402作为控制单元，实现信号的处理。同时采用CPLD XC95144XL实现逻辑控制。这样能够同时处理多个信号，因此能够有效避免外部信号的影响，也可以有效避免因信号堆积而出现电路延迟的现象。

5)对控制器内的接口以及通信协议进行统一化处理，在选用电器元件时，统一使用电气防爆协会批准的控制器，包括：①各接口的硬件结构。②信号的接入以及输出位置。③配套电源等。对于控制器内部的元件都选用1ZS-485串行总线标准。这样可以构建完善的井下供电远程控制网络，从而使得相关人员能够在地面进行控制，对各个电气的工作过程以及出现的问题进行及时监控，并且能够采集各个环节的数据，进行风险评估。当系统出现故障之后，可以立即发现故障位置，并对其进行及时的维护，极大地提高工作效率。

4 现场应用

经过优化设计的高压防爆开关控制器在出厂之前，生产厂商的技术人员对其进行实验，模拟煤矿井下的工况环境对其相关参数进行检测，如下所示：①当控制器处于失电压2 s内，能够使得欠电压脱扣线圈铁芯吸合。②对于控制器而言，其对电路出现故障时的处理时间可以达到0.005 s的水平，能够满足相关规定。③通常控制信号不会因为电压谐波而出现误动作的现象。使用优化的控制器之后，2019年4—10月，仅仅出现1起由于防爆开关控制器的故障，经过维修人员调查发现，故障是由于安装控制器固定，相关工作人员在工作时触动，致使控制器失效。由工程实践发现经过优化之后的防爆开关控制器具有可靠的控制效果。

5 结语

经过对防爆开关控制器进行相应的优化设计，诸如欠电压脱扣线圈、控制器电源的电路以及相应的转换信号传输方式等，同时构建RS-485串行总线标准对其进行专业的测试。在工程实践的过程中发现，经过优化设计的控制器具有稳定的功能，可以为井下电气控制提供良好的安全保障，同时能够有效降低维修人员的劳动强度以及维修费用。