煤矿井下隔爆兼本安型不间断电源的设计

陈 捷

(山西西山晋兴能源公司 斜沟煤矿 ，山西 兴县 033000)

0 引言

作为我国工业生产的主要能源之一，煤炭的生产效率与安全至关重要。目前大部分矿井的生产条件较差，封闭环境下易燃气体得不到通风稀释，极易引发着火或爆炸等事故。随着自动化技术及机械制造工艺的不断进步，先进的电气设备已在煤矿井下得到广泛使用，作为电气设备工作的能量来源，本安型电源的性能和稳定性对矿井安全生产具有重要意义。

本文设计了一个井下隔爆兼本安型不间断电源(UPS, Uninterruptible Power Supply)，可有效提高电源质量，满足煤矿安全规程所规定的使用标准。

1 电源技术要求与结构

1.1 技术要求

与普通的直流电源相比，煤矿井下电源在较为危险的环境中需满足以下要求：

(1) 电源的输入侧与输出侧需具备电气隔离。因电源的输入侧为电压等级较高的交流电，不符合本质安全的要求，因此需在两侧设置电气隔离，避免输出侧对输入侧形成干扰，提高电源的安全性。

(2) 需设计限流功能保护电路。与普通电源相比，煤矿井下电源故障产生的火花对井下设备与工人的安全会造成巨大安全隐患。对于输出电压精度要求较低的电源，可在电源中串入限流电阻以减少故障时释放的能量；而对于输出电压较高且电压精度要求高的电源，需对其进行保护电路设计，实现过流、过压保护及稳定电压等功能。

(3) 需满足停电后维持设备供电的要求。煤矿生产中需实时对甲烷等易爆气体进行监控，以防浓度超标发生爆炸，在停电后应维持供电以保证相关气体及风速传感器继续运行。因此矿井下需配备后备电源，在停电后可切换至备用电池继续对设备进行供电，保证生产安全。

(4) 需设置多个保护电路。电气设备在工作时，要保证电路故障不会导致气体爆炸，因此电源需具备至少三个保护电路以加强设备运行的安全性。当一个保护电路出现故障不能工作时，其他保护电路可起到避免爆炸事故发生的作用。

(5) 需对多路输出设置隔离。煤矿井下电气设备种类较多，包括甲烷、烟雾、风速等多个传感器及监控站点等。由于采用的本安型电源输出功率不大，需采用多路直流电为这些设备供电，为满足安全性要求，需对多路输出进行隔离。

(6) 电源可在较大的电压范围内工作。由于矿井复杂的工作环境，供电电压波动范围较大，因此电源需在电压波动范围较大的情况下还能维持稳定运行。

1.2 总体结构

本文所设计的电源总体结构如图1所示，电网输入的交流电经隔离变压器后，经整流与滤波及稳压电路，得到电压稳定的直流电，再经多种保护电路后实现本安型输出。同时蓄电池处于充电状态，以保证停电时可给设备不间断供电。

图1 本安电源总体结构示意图

2 电路介绍

2.1 变压器与整流滤波电路

电网输入的交流电电压等级较高，首先应通过降压变压器将电压降至合理范围，本文设计电路采用R型变压器，这种变压器具有占地小、噪声低、温度低等优点，可满足井下安全性的要求。

经变压器降压输出两路电压后，需对其进行整流与滤波，输出的直流电一路给设备供电，另一路则给备用蓄电池充电。

2.2 稳压电路

输入的交流电存在一定范围的波动，且电气设备也会影响电压的稳定。因此，本文所设计电源中设置了稳压电路，该电路采用芯片LM317实现稳压功能。该芯片可输出1.2 V～37 V的电压，从而满足多种电气设备的供电需求。芯片内部也具备过流保护等功能，可减少电路的元件数量，如图2所示为稳压电路结构图，电路中可调电阻实现了对输出电压的调节，稳压电路经切换电路与过压过流等电路后，向设备输出直流电。其中电阻R3可用于测量输出电压大小，若输出电压过高，则开关管Q1得到过压信号后开通，降低输出电压，实现过压保护功能。

图2 稳压电路结构图

2.3 保护电路

当电路或电气设备因故障输出高电压及大电流时，会引发电路或设备损坏，甚至导致矿井发生爆炸事故。因此，所设计电源需具备多个过压与过流保护电路，从而保证电路工作的可靠性，并在故障时可及时启动保护动作。

图3为过压保护电路。当稳压电路输出的电压超过设定值时，二极管D5导通，开关管Q2随之开通，Q3关断，从而切断输出电压；当输出到设备前的电压大于设定值时，电阻R14上的电压信号可传递到图2中的Q1，该开关管开通，芯片LM317的输出电压降低，直到过压故障消失后Q1关断。

图3 过压保护电路

图4为过流保护电路，对可变电阻W3与W4进行调节，可设置允许通过电流的最大值，从而适应不同设备的实际使用情况。该过流保护电路的主要原理是：当电流过大时，开关管Q6、Q7开通，主回路断开，输出电压值快速降低，从而实现对电流的限制，两个开关管的设置也进一步提高了过流保护功能的稳定性。

图4 过流保护电路

2.4 蓄电池充电与切换电路

当电网进行停电检修或发生线路故障时，电网暂时停止向井下电源供电，而井下多个电气设备需维持不间断供电，若停止工作可能会造成严重的事故，对财产与工人生命安全造成巨大危害。因此，所设计电源中配备了可充电蓄电池并设计了相应的充电电路。蓄电池充电与切换电路如图5所示，该电路采用LED信号灯来观测电路状态，并通过继电器对电流状态进行控制。

图5 蓄电池充电与切换电路

当输入电压在设定范围内时，开关管Q9开通，继电器K1闭合，此时蓄电池处于充电状态；当电网供电时，Q10处于关断状态，K2未闭合，则蓄电池不给设备供电；此时Q8开通，信号灯为绿色。

电网停止供电后，需蓄电池切换至供电状态。此时Q9与K1仍处于开通和闭合状态，Q10开通，K2闭合，蓄电池向设备进行供电；当蓄电池电压低于最小值时，Q9关断，K1断开，使电池停止供电，以避免电池出现快速发电现象，导致电路发生过流故障；当蓄电池处于充电状态时，开关管Q8关断，信号灯为红色。

蓄电池充电与切换电路可保证对电气设备的不间断供电，为煤矿的安全生产提供了保障。

3 结束语

本文根据矿井复杂的生产环境与现场电气设备工作的供电需求，设计了适用于矿井的本安型电源。首先对井下电源的技术要求进行了介绍，随后对电源结构及具体的各部分电路进行了详细的设计与原理分析。所设计电源具备防爆、隔离及不间断供电等特点，稳定工作范围大，输出直流电压精度较高，符合现场电气设备稳定工作的需求，对煤矿的高效生产与工人生命安全具有积极意义。