現(xiàn)代礦井防爆組合開關的模塊化設計

李 軍

（山西機電職業(yè)技術學院，山西長治 046011）

現(xiàn)代礦井防爆組合開關的模塊化設計

李 軍

（山西機電職業(yè)技術學院，山西長治 046011）

防爆組合開關廣泛應用于煤礦的井下控制。文章認為，在原來防爆開關的基礎上，通過PLC強大的功能，將開關的短路、過負荷、斷相、漏電閉鎖保護、過電壓、欠電壓保護、通訊等功能進行有效的模塊化，通過PLC預先設定的程序對井下的各種用電設備進行控制，通過對不同功能的保護系統(tǒng)進行模塊化設計，可使防爆組合開關功能強、重量輕，大大提高防爆開關的可靠性和安全性，有效防止意外事故的發(fā)生，實現(xiàn)安全生產。

防爆組合開關；模塊化；設計

20世紀70年代以前，我國煤礦井下普遍采用380 V供電系統(tǒng)。隨著國內工業(yè)化程度的提高，煤炭市場需求日益旺盛，煤炭缺口越來越大，而要想彌補煤炭供應上的不足，不但要多建礦井，必須建大型礦井。煤炭產量的提高，要求大型礦井采煤方法的進一步改進。隨著大功率電器的使用，用電量也在成倍地增加，原來的供電等級遠遠不能滿足新型大功率電機的要求，這樣，煤礦的供電電壓由原來的380 V逐步提高到了現(xiàn)在的660 V、1140 V和3300 V，電壓等級的提高，對用電保護系統(tǒng)要求更高，使得用電保護設備也逐漸向大型化和自動化方向發(fā)展，這樣就對供電系統(tǒng)提出要求的同時，對防爆電氣的可靠性、操作性等方面提出新的要求。

由于煤礦井下工作環(huán)境潮濕，瓦斯煤塵積聚、負荷波動大，工況不穩(wěn)定，滴水冒頂事故等都會使電氣設備絕緣強度逐漸降低。同時井下工人生產過程中操作或維護不當、煤塊或運輸設備擠壓等都會使輸電線路的導線斷裂，導致漏電或單相接地故障。這些故障若不及時排除，將導致絕緣擊穿，發(fā)生三相或兩相短路事故。短路故障發(fā)生時產生的電弧能量會引起瓦斯、煤塵爆炸，直接危及人身安全和礦井生產。為了避免事故的發(fā)生，保障人身安全，有效減小事故范圍，研究高性能、易操作、可靠性高的保護系統(tǒng)是非常必要的。

根據(jù)煤礦井下的環(huán)境特點，防爆開關一般應該具有漏電閉鎖、短路保護、斷相保護、過電壓、欠電壓保護等功能，同時，為方便防爆開關的維護和安裝，更好地提高生產效率，防爆開關還應易操作、易檢修。對此，本文在原來防爆開關的基礎上對其進行模塊化設計，通過一些企業(yè)反饋，模塊化設計后不但能提高開關的保護性能，而且更易操作，檢修，大大提高了生產效率。

在進行模塊化設計時，我們根據(jù)保護系統(tǒng)的作用，把它分成數(shù)據(jù)處理單元、信號調理單元、電源單元和人機界面單元四個模塊。

（1）數(shù)據(jù)處理單元。用西門子公司生產的S7-200作為數(shù)據(jù)處理中心，因它本身即系模塊化結構，由 CPU、DI、DO、AI、AO 和通訊等模塊構成，它們按系統(tǒng)功能要求，由不同的數(shù)量的各類模塊安裝在35㎜導軌上而組成數(shù)據(jù)處理單元。由于PLC是專門為工業(yè)環(huán)境下應用而設計的要求，PLC在軟、硬件上采取了一系列的抗干擾措施。目前PLC產品已系列化、模塊化，有各種硬件供用戶選用，可以組成滿足各種要求的控制系統(tǒng)，而用戶不必自己設計和制作硬件，只需要根據(jù)用電系統(tǒng)的要求進行編程設計，就能有效地對輸入信號進行有效處理，并輸出動作指令，這樣它就具有了良好的通用性。

（2）信號調理單元。電流、電壓、漏電電阻及控制輸出等功能均以插板形式安裝于防爆開關的主腔內，并按順序插于19吋機架框架內而構成調理單元。包括以下四個模塊：

①先導單元：每塊先導單元插板包括多回路所需的開關量信號的輸入變換。其中每一回路本安部分均由獨立的本安電源供電以滿足防爆技術要求。

②電流檢測模塊：每塊電流檢測板包括兩個回路的電流檢測信號調理單元、兩個回路的斷相監(jiān)視單元和兩個回路的漏電閉鎖檢測單元。可完全滿足目前生產中對各類電機檢測保護的要求。其三相信號整流電路是采用運算放大器構成，輸出動態(tài)范圍為0.00～10.00 V，檢測靈敏度可達2～3 A，這不但可以滿足小功率電動機檢測保護要求，同時亦可確保動作值準確。模塊中各個漏電閉鎖檢測單元均由獨立的附加直流電源供電，該電源與系統(tǒng)間的絕緣耐壓可達2500 V～以上并采取有效的電磁兼容性設計措施，故可以確?？刂葡到y(tǒng)工作安全和具有良好的抗干擾能力。

③電壓檢測模塊：電壓檢測板包括一路交流電網(wǎng)電壓檢測單元、電流短路模擬試驗和漏電閉鎖模擬試驗功能。

④輸出控制模塊：每塊輸出控制板安裝有多功率控制繼電器，其控制繞組由PLC的數(shù)字量輸出信號控制，而各繼電器接點則可以按需要分別控制主接觸器中間繼電器或漏電閉鎖繼電器等。

一般系統(tǒng)裝有兩塊輸出控制模塊，分別用以控制主接觸器和漏電閉鎖繼電器。

（3）電源單元。由電源變壓器、濾波器、熔絲保護以及直流穩(wěn)壓電源等構成。該電源單元嚴格按電磁兼容性要求設計，具有十分優(yōu)異的抗脈沖列干擾、浪涌干擾等惡劣工業(yè)環(huán)境干擾的能力，可確保系統(tǒng)工作高度安全、可靠。

（4）人機界面單元。由7吋彩色顯示器和6個控制按鈕構成。操作人員按需要控制裝于防爆殼上的六個隔爆型按鈕，可以方便地實現(xiàn)顯示內容的翻頁、修改參數(shù)等功能，并經防爆玻璃窗口觀察顯示器的各相關畫面，了解系統(tǒng)運行參數(shù)和工況等信息。

經過對以上四個模塊有機整合，使之結構簡單，成本低廉、性能可靠，在一些防爆開關生產企業(yè)得到廣泛推廣，并在煤礦企業(yè)生產中運用。實踐證明，此開關不僅可以對井下設備進行有效保護，而且有效地提高生產效率。

［1］多回路礦用真空電磁起動器的控制器研究.劉勇.天津大學碩士學位論文，2007.

［2］高壓防爆開關微機綜合保護系統(tǒng)的研究.劉忠富.太原理工大學碩士學位論文，2003.

［3］礦用隔爆型高壓開關智能綜合保護系統(tǒng)的開發(fā).陳偉.河北工業(yè)大學碩士學位論文，2007.

Abstact：Explosion-proof combination switch is widely used in underground coalmines.This paper talks about that the combination of intelligentmulti-modular based on the original switch can put the short-circuit of the switch，overload，phase，leakage lockout protection，over voltage，under voltage protection，communication and other functions together.It can control a variety of electrical equipment underground through the PLC pre-set programs.with the combination of intelligentmulti-modular，the production of strong function，light weight and high safety will be accomplished and effectively prevent the accidents.Thus it greatly improved the reliability and security.

Keywords：explosion-proof combination switch；modular；design

（責任編輯 單麥琴）

Modular Design on Explosion-proof Combination Switch of Modern Mines

LIJun
（Shanxi Vocational Technical College of Engineering&Electronics，Changzhi Shanxi046011）

TD6

A

1673-2014（2010）02-0055-02

2009—12—14

李 軍（1974— ），男，山西沁縣人，碩士，主要從事電機與電器理論研究。