矿用高压防爆开关控制器的缺陷分析范文

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高压防爆开关是煤矿常用的电气设备，可以保护井下电气设备的安全运行。控制器是高压防爆开关的核心部件，随着技术的发展，控制器向着多功能化发展。但由于产品更新换代速度更快，许多厂家将未经充分检验的产品投入市场使用，导致煤矿井下经常出现控制器故障或功能不全的问题。这不仅会对煤矿企业造成直接的经济损失，还会对煤矿井下的电气安全形成威胁。

1问题概况

某矿设计年生产能力为350万t/年，属于大型矿井。该井下采用的各种高压防爆开关控制器总数量超过1500部，每年对高压防爆开关控制器进行维修更换的直接费用超过了20万元，以及由于高压防爆开关控制器故障造成的工作面损失的有效工时超过50小时/年。并且由于所采用开关控制器的供应厂家不一，且同一批次采购的高压防爆开关控制器内部元件也存在差异，导致大量的高压防爆开关备用元件还未使用就被废弃，浪费了大量的资源。

2传统控制器存在的缺陷分析

通过对多座煤矿高压防爆开关控制器的使用情况进行调研，发现传统控制器存在如下不足：（1）根据《煤矿安全规程》规定，煤矿井下的高压控制设备应具有短路，过负荷，接地和欠压保护功能。目前控制器采用的是瞬时性的速断失压脱扣器，经常出现误操作。（2）控制器的电源无除谐波设计，无法对高压系统中的谐波进行控制。在井下使用中，时常会由于谐波导致电源的电路，模拟信号处理电路和执行电路被击穿出现损坏。（3）控制器配套的单片机无抗谐波设计。当电路中的谐波过强时，单片机会在谐波的作用下出现误操作。其表现为控制器的显示器出现乱码，该故障时常是检修人员以为显示器出现故障，对显示器进行更换，导致不必要的经济损失。（4）根据《煤矿安全规程》规定，煤矿井下再出现短路或漏电等故障时，控制该电路的高压开关控制器应能在0.01s内实现短路保护和最小延时漏电保护。控制器采用的单片机只能同时处理一路信号，而在实际使用中需要控制器处理多路信号。这大大延长了在出现电路故障时，控制器的故障处理反应时间远超过0.01s。（5）不同厂家控制器采用的接口和通信协议各不相同，且相同型号控制器内部采用元件也存在差异。这导致工作人员在进行检修时需要备有多种型号的控制器和内部元件，一方面增大检修人员的工作量，另一方面延长了检修时间，不利于工作面的开工。

3控制器的优化

针对上述问题，可以从如下方面对防爆开关控制进行优化改进：

（1）对欠电压脱扣线圈进行改造。可以在失压线圈的回路中设置一个储能电容来延长欠压脱扣时间，从而避免因电压波动造成的误操作。用直流欠电压脱扣电磁铁替换交流欠压脱扣电磁铁。并在原有电路中设置电阻ra、rb和一个储能电容S，此时电路具有延时功能。通过控制电阻ra和rb的大小实现在电压低于额定电压的35%时稳定脱扣，当电压超过额定电压的80%时稳定吸合铁芯。即使在失去电源的1.5～3s的时间内仍可吸附欠电压脱扣线圈的铁芯。如图1所示，为优化后的欠电压回路在电路电压处于正常值时，电流依次经过整流器和电阻ra、rb，此时电容s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。一旦电路中的电压下降幅度过大，储能电阻s就会开始释放电能，电流依次经过电阻ra和rb，欠电压脱扣线圈就会放电。欠电压脱扣线圈的放电时间与欠电压线圈的电阻值rd和电容的容量S相关。由于欠电压线圈的电阻rd是线圈材质决定的，因此可以通过对电容的容量S进行调节控制延时时间。

（2）改造控制器电源的电路。只有使控制器电源适应煤矿井下的供电系统电压的波动才是减小电路中谐波对电路中各元件影响的措施，因此对控制器电源电路进行改造才是解决方案。在原电源电路中增加拉电阻、输入/输出缓冲、滤波器、整流桥和滤波电容，可以将输入高压变频器的交流高压转换成直流高压。

（3）转化信号传输方式。由于电信号受谐波的影响明显，而光信号不受谐波等因素的影响。因此通过在输入端和输出端均装设光电发射器和接收器，从而实现输入、输出信号的隔离。为改进后信号传输原理图。

（4）采用双线程CPU。鉴于目前控制器采用的CPU实时处理数据的速度慢、同时处理信号单一的问题，采用T1公司生产的DSPTMS320VC5402来作为控制通信、显示、数据输入和电路保护的CPU。利用Xilinx公司研发的CPLDXC95144XL芯片完成逻辑控制。采用此设计可以对多路信号同时进行处理并且信号传输不会受外部的影响，避免由于信号堵塞造成电路保护动作出现延迟。

（5）统一控制器内部元件接口标准和通信协议。采用电气防爆协会认定的控制器元件，具体认定的标准有：①各接口的硬件结构；②各种信号的接入、输出位置；③配套电源、相关检测信号、控制信号性质和数量。控制器内部所有元件均采用RS-485串行总线标准，与控制相连的信号输出输入设备也采用RS-485串行总线标准。建立完备的井下供电系统远程通信网络，使工作人员在地面的中央控制室就可以知道控制器控制设备的工作状态以及控制，实现远程监控。并且在出现故障之后可以立刻检测到故障原因以及存在的位置，使工作人员携带最少的备件以最快的速度排除故障，即降低了井下工作人员的工作量，又提高了电路检修效率。

4现场应用

对高压防爆开关控制器进行优化改造之后，出厂前技术人员模拟煤矿井下条件对高压防爆开关控制器进行了相关测试：①在失去电源的2s的时间内仍可吸附欠电压脱扣线圈的铁芯；②控制器对短路等故障的平均处理反应时间为0.005s，符合相关标准；③电压谐波不会对控制信号造成影响。然后将井下所有防爆开关控制器进行更换。经过统计，自2017年5月采用改进后的防爆开关控制器起，至2017年11月。该矿井下共出现1起由于防爆开关控制器的故障导致的停电事故，经过检修人员检查，发现是由于在安装防爆开关控制器未完全固定，导致在工作人员搬运时出现松动，导致开关控制器失效。因此对防爆开关控制器的改进可靠有效。

5结语

通过对防爆开关控制器欠电压脱扣线圈进行改造、优化控制器电源的电路、转换信号传输方式、采用高性能的DSPTMS320VC5402CPU和建立RS-485串行总线标准以解决防爆开关控制器的各种缺陷。经过专业测试和现场应用表明该改进有效解决了传统防爆开关控制器可靠性不足等问题，为煤矿井下用电安全提供了保障，降低了井下工作人员的工作强度，并为煤矿企业节省了大量经济投入。改进后的防爆开关控制器已在该集团公司的其它煤矿进行了推广。

作者:高军 单位:阳煤集团机电动力部