井下雜散電流及接縫電阻集成測試儀的設(shè)計

王克軍 ，程 輝 ，付立華

(河南工程學(xué)院 電氣信息工程系，河南 鄭州 451191)

井下雜散電流的產(chǎn)生及變化直接影響著架線電機車的運行質(zhì)量，而且還增加電耗.大巷中和軌道平行敷設(shè)的鎧裝電纜和金屬管路與大地接觸，由于它們的鎧裝層及管路本身的電阻很小，所以流入地中的雜散電流也可以通過鎧裝電纜的金屬鎧裝和鉛包層以及各種金屬管路流回變流所，這不僅會腐蝕電纜和管路，而且會產(chǎn)生明火花，增加引起沼氣或煤塵燃燒爆炸的概率.雜散電流也會通過井下的鋼軌、電纜或管線流散到采掘工作面，有可能引爆電雷管，引發(fā)重大的安全事故.

目前，測試儀多由電工式測量儀表組合而成，不僅操作繁瑣，而且體積過大[1].本文設(shè)計的是基于微處理器的集成電路，不僅能夠測量交流雜散電流與直流雜散電流，而且能直接測量接縫電阻，它使用簡單，還具有存貯和通信的功能[2-3].

1 系統(tǒng)組成及工作原理

根據(jù)中華人民共和國煤炭行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)MT 670—1997《煤礦井下牽引網(wǎng)絡(luò)雜散電流防治技術(shù)規(guī)范》[4]的要求，設(shè)計雜散電流及接縫電阻集成測試儀，系統(tǒng)總體框圖見圖1.

圖1 系統(tǒng)總體框圖Fig.1 System general diagram

1.1 工作原理

采樣電路由雜散電流采樣電路和電壓采樣電路組成.雜散電流采樣后經(jīng)交直流分離電路，直流成分送直流處理電路處理，得到對應(yīng)的電壓信號送入模擬開關(guān)，交流成分送真有效值轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換成對應(yīng)的電壓值送入模擬開關(guān).電壓采樣電路的采樣結(jié)果送電壓處理電路后送入模擬開關(guān).在單片機的控制下，分別送入單片機內(nèi)部的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，實現(xiàn)雜散電流和接縫電阻的計算及測量結(jié)果的顯示和存儲.

1.2 測量方法

1.2.1 雜散電流的測量

雜散電流的主要測量點有采區(qū)內(nèi)各巷道中的軌道對總接地網(wǎng)間，采煤工作面內(nèi)的金屬網(wǎng)假頂對總接地網(wǎng)間，采區(qū)內(nèi)上下山的軌道與運輸大巷連接處的第二道絕緣夾板相連接的軌道對總接地網(wǎng)間，掘進工作面與掘進巷道內(nèi)任何地點的軌道對總接地網(wǎng)間，掘進巷道的軌道與運輸大巷連接處的第二道絕緣夾板處的軌道對總接地網(wǎng)間，采區(qū)煤倉對軌道間以及井下爆炸材料鐵門對軌道間.

1.2.2 接縫電阻的測量

電機車應(yīng)處于抱閘，并使其處于啟動狀態(tài)(時間不超過1 min).用毫伏表測出1 m鋼軌上的電壓降V2.然后，用同一塊電壓表再測出另外1 m鋼軌(包括軌縫在內(nèi))的電壓降V1.

接縫電阻值按式(1)計算：

(1)

式中：R為每米鋼軌的電阻值，其數(shù)值可查表得到.

2 硬件電路的設(shè)計

2.1 采樣電路的設(shè)計

2.1.1 雜散電流采樣電路

雜散電流采樣電路如圖2所示，由U1和U8組成.其中，U1為TBC25C04霍爾傳感器，U8為4053三二選一模擬開關(guān).

圖2 雜散電流采樣電路Fig.2 Stray current sampling circuit

TBC25C04霍爾傳感器可同時進行交直流電流的采集，而且精度高、價格相對較低、電路連接簡單、采樣電流范圍大，完全能滿足系統(tǒng)的要求.采樣結(jié)果中有交流和直流成分，后續(xù)電路實現(xiàn)交直流成分的分離，模擬開關(guān)在單片機的控制下實現(xiàn)電流檔的切換.

2.1.2 接縫電阻的電壓采樣電路

接縫電阻的電壓采樣電路如圖3所示，由左側(cè)電阻串聯(lián)電路、CD4052雙四選一模擬開關(guān)及OP07組成的放大電路組成.

圖3 接縫電阻的電壓采樣電路Fig.3 Voltage of seaming resistance sampling circuit

接縫電阻的電壓采樣利用電阻串聯(lián)分壓的原理來實現(xiàn)，B1為直流電流采樣電壓，B2為交流電流采樣電壓.A，B為模擬開關(guān)的選擇端，接單片機P1.6和P1.7.在單片機的控制下，實現(xiàn)將雜散電流的采樣結(jié)果和電壓的采樣結(jié)果送入單片機內(nèi)部的模數(shù)轉(zhuǎn)換器進行轉(zhuǎn)換.接縫電阻使用公式(1)計算.

2.2 雜散電流處理電路

雜散電流交直流分離及直流、交流處理電路如圖4所示.左端輸入的信號經(jīng)電路處理之后，B1輸出雜散電流直流成分對應(yīng)的電壓信號，送入模擬開關(guān)CD4052.R26的輸出電壓為交流電流對應(yīng)的電壓信號，送入由AD736組成的典型真有效值轉(zhuǎn)換電路，實現(xiàn)真有效值的轉(zhuǎn)換，輸出交流電流對應(yīng)的真有效值電壓信號，送入模擬開關(guān)CD4052.

2.3 系統(tǒng)接口電路

接口電路如圖5所示，主要由單片機STC12C5A60S2、MAX232N、24C02、74LS244和74LS373組成，完成和單片機及其他主要電路的接口功能.

系統(tǒng)核心單片機STC12C5A60S2是一款和51系列單片機完全兼容的單片機，內(nèi)部集成了8路電壓輸入型的10位高速A/D轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換速度可達到250 kHz以實現(xiàn)對采樣交直流電壓的轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)處理.它內(nèi)置兩個異步全雙工收發(fā)器，分別作為12864LCD液晶顯示器的接口和USB模塊SYM2811MA的接口.

使用內(nèi)部集成的兩路ADC0(P1.0)與ADC1(P1.1)，通過對模擬開關(guān)的控制切換實現(xiàn)對雜散電流采樣結(jié)果和雜散電壓采樣結(jié)果的轉(zhuǎn)換；24C02為I2C總線的存儲器，用于存儲系統(tǒng)初始復(fù)位所需要的參數(shù)；K1～K7為4×4矩陣式鍵盤輸入接口，通過按鍵實現(xiàn)控制命令和系統(tǒng)參數(shù)的輸入.

圖4 交直流分離電流電壓變換電路Fig.4 AC/DC separation and current/voltage conversion circuit

圖5 單片機模塊電路圖Fig.5 MCU control module circuit

3 軟件設(shè)計

系統(tǒng)軟件的主流程圖如圖6所示.本系統(tǒng)軟件能夠?qū)崿F(xiàn)交流雜散電流、直流雜散電流、泄露電流和接縫電阻的測量顯示以及數(shù)據(jù)的存儲和傳輸.

圖6 主程序流程圖Fig.6 Main program flow chart

4 結(jié)語

本測試儀目前正處于樣機調(diào)試階段，能夠測量交流雜散電流與直流雜散電流，并能直接測量接縫電阻，具有存貯功能和通信功能，能以實際測量數(shù)據(jù)指導(dǎo)雜散電流的防治.

參考文獻：

[1] 何立民.單片機技術(shù)應(yīng)用選編[M].北京:北京航空航天大學(xué)出版社,1993:150-180.

[2] 趙銀明,韓雪華.井下直流牽引網(wǎng)絡(luò)雜散電流的產(chǎn)生、危害和防治[J].山東煤炭科技，2001(1):11-11.

[3] 肖海紅.礦用隔爆型檢漏繼電器檢測儀的設(shè)計與實現(xiàn)[J].工礦自動化,2008(3):96-98.

[4] MT 670—1997.煤礦井下牽引網(wǎng)絡(luò)雜散電流防治技術(shù)規(guī)范[S].1997.