矿用开关保护器维修技术研究

马勇田

（山西新元煤炭有限责任公司， 山西 晋中 045400）

1 矿用开关保护损坏原因

通过对采矿行业的调研研究发现，矿用开关保护故障率居高不下的原因主要为：第一，采用的防爆类开关的型号不统一，由于保护器在恶劣的条件下工作，保护器极易损坏；第二，存储的修理原件过少；第三，工作人员操作不当以及维修人员缺少维修经验；第四，在夏季由于矿井下通风不畅导致温度过高、潮湿以及粉尘瓦斯等聚集，容易引起各类开关的损坏；第五，由于保护器内部的电子设备受温度、湿度、运输振动、电磁辐射、工作环境的粉尘浓度等影响，容易导致电子元器件的温度过高，使电路老化加快，从而造成元器损坏[1-2]。

2 矿用开关保护装置技术发展趋势

目前采矿类的开关保护技术发展大致经历了四个时期。

第一个时期，我国国内采用的保护器大多为DW10 系列的保护器，它通过断路或者热继电器装置来进行保护。

第二时期源自20 世纪60 年代的运用数字模拟信号的电子式过电流保护器对内部电源及其他电子元件进行保护，当电流经过处理器后会与保护器中设定的参数进行对比。当电流流入到处理器后会经输出端到短路、欠压或过载处理模块进行检测。随后经过处理后的信号进入逻辑电路并触发执行元件进行脱扣操作，从而实现对保护器的保护。电子式保护器存在的问题较为普遍，大多数都是采集的样本准确精度低，在高温环境下不稳定易出现损坏，而且对粉尘、空气湿度以及电磁场非常敏感导致保护器经常出现故障[3]。

第三代保护器采用微机原理技术，例如智能开关保护器中的移动变电站低压侧馈电开关以及矿用隔爆型真空馈电开关等，此类开关保护器大多由于使用的是单片机或者DSP 作为控制板，达到一定的智能化，此类保护器通常采用专业的软件进行滤波、采样、故障分析处理和非线性矫正。因此此类保护器件保护功能较为齐全，采样的精准度高、信号整定的精确度及故障诊断功能相对较为完善，同时显示器可以显示工作的电压电流以及故障信息，并且可以通过软件对保护器的参数和功能进行设置。使用此系统可以通过RS485 等数据线实现与上位机通讯的功能，因此拥有远程通讯的功能[4]。

第四代采用的保护器是目前正在用的也是现在研究的重点，此类保护器较早先的保护器有着更为先进的智能控制和通讯特点，通常采用的技术路线为CAN、MODBUS 以及Profibus 等技术路线。该保护器单元结合模块化的理念，在数据传输方面非常方便，可以支持各种网络环境比如以太网、环网等网络对数据进行传输，而且还支持TCP/IP 等通信协议。与此同时，该操作环境可以在很多系统中流畅运行，例如WIN7 或者Lunix 等系统，并且此系统的仿真功能强大，支持MATLAB 或者PROTEUS 等仿真软件，运用此类交换机可实现采矿机械的集中统一运行。现代智能矿用保护器相对早先的控制器有着更为精确的保护功能和精准的仿真测试，使在工程中出现的问题处理更加的智能化、简洁化。下页图1 给出此类某种煤矿用智能开关嵌入式保护网络结构图。

3 矿用馈电开关微机保护器关键技术

图1 第四代智能开关保护器网络框架图

图2 矿用低压馈电保护器网络结构图

如下页图2 所示，矿用低压馈电保护器主要结构是由采集结构、光电隔离结构、模拟电路开关结构A/D 转换器、CPU、液晶屏以及报警器和通讯结构等结构构成。在井下作业时若供电系统出现过载、低压、漏电等故障，此保护器可提供实时保护。保护器电路主要是将电流或电压信号传输到保护电路中，然后检测模块对传输信号进行处理后输出到CPU芯片中，经过处理后的信号会通过控制板控制电路动作。同时把处理完成的信号经过一系列操作显示到屏幕上或报警器中，通过屏幕所显示的数据确定是否发出警告信号或者执行停机操作。当保护器运行后会记录故障并对机器进行自锁，避免机器在有故障的状态下进行重启操作。当故障被修复后可人工进行解除自锁操作并对保护器进行自检，保障采矿机的正常运行，并将故障信号实时传输到上位机。

3.1 信号采集电路

针对回路中有可能存在的故障判断可对低压电网中的电压（0～1 V）、电流（0～200 mA）、短路电流等模拟信号进行采集判断其是否出现故障。如图3 所示的信号为采集电路图。

3.2 信号调理电路

通过A/D 转换器将采集的模拟信号转化为0～5 V的电压信号，然后通过滤波处理后再次进行放大传输到CPU 芯片中，并对放大信号进行最终的处理。

假定计算电压小于额定电压的0.75 倍，在显示屏上会显示低压故障；假定三相交流电大于额定电流的8 倍以上，此时会在显示屏上显示短路故障，处理器会在极短的时间内迅速自动断开控制器的电源；如果电流任何一相大于1.2 倍以上并小于8倍以下时系统会限制电路，并在显示屏上显示过载故障。

图3 信号采集电路

3.3 液晶显示与接口电路

如图4 所示的系统接口电路为AT89C52 及TC1602EL 液晶模块接线的示意图。所使用的液晶显示模块具有低功耗、显示清晰，与人机交互界面操作简便等优点。

图4 显示接口与驱动电路

控制芯片中的P0.0～P0.7 分别与TC1602EL 中的DO-D7 相连接，而图中的P2.2 和P2.3 以及P2.4的引脚分别与端口RS，RW，E 相连接。

3.4 驱动输出电路

下页图5 为驱动电路，若馈电回路系统出现故障，例如短路、断路、低压、失压、漏电等现象时，输出电路会根据早先设定的参数，同时CPU 会根据不同的故障输出不同的指令到P2.5 端口，将高电平转换为低电平，此时中间继电器中的辅助电源节点将会被驱动装置启动进而切断存在故障的电源。由于采矿类行业井下的机械设备较多，而保护器多为电子设备易受高压输电线所产生的磁场干扰。因此需要在保护器中加入光电隔离设备以此来增加设备的稳定性和安全性。

图5 驱动电路

4 馈电开关软件应用及仿真技术

微机式保护器在启动时首先会对CPU 芯片内部的寄存器、定时模块、RAM、和外部扩展模块进行初始化，并为上述模块提空内存空间。然后对串行通信接口进行参数设置。通常作用于CPU 芯片的串行口波特率，一般通过定时器T1 进行设置；选择定时器的第二种模式T2，并对波特率进行参数设置，一般将波特率初始化为96 000 bits/s，SMOD 的值设置为1，初始化值为OFDH。

在对保护器进行设计与维修时，经常需要对系统进行仿真。本文采用的程序较为灵活简洁并且有着高效的编程效率，异步电机负责驱动，变压器负责改变电压，示波器负责将电流和电压进行仿真输出以及变量参数的存储，可直接调用MATLAB 中的函数等对示波器中的电流和电压等电信号进行显示，并进行仿真。

5 维修试验与测试

维修保护器完后，需要对保护器的性能进行测试，判断保护器是否维修成功，并对开关保护器断开和闭合前后的实验数据进行比对。控制系统中的最小控制系统经过一系列操作会将处理后的结果显示到显示屏，如图6 所示。

图6 保护器维修后测试

根据测试的结果，如若在显示屏上显示“漏电闭锁完成”则为维修成功，如若显示“漏电闭锁错误”，则需要进一步对保护电路的软硬件进行分析，找出故障原因并维修，再进行测试。

6 结论

随着机器学习技术的不断发展，芯片技术和矿用保护器会更加智能化，通讯和检测会更加简便，报警和控制以及自检功能会越来越完善。为了节省采矿成本，积极开展对矿业保护器的研究，设计、维修零件的加工再生产，运用仿真技术解决诸多维修问题，以进一步降低生产成本，提高效率。