礦用本質(zhì)安全型遠(yuǎn)程中繼電源設(shè)計

林引

(中煤科工集團(tuán)重慶研究院有限公司， 重慶 400039)

?

礦用本質(zhì)安全型遠(yuǎn)程中繼電源設(shè)計

林引

(中煤科工集團(tuán)重慶研究院有限公司， 重慶 400039)

為滿足井下超長工作面?zhèn)鞲衅鞯倪h(yuǎn)距離傳輸需求，設(shè)計了礦用本質(zhì)安全型遠(yuǎn)程中繼電源。在本安電源與傳感器之間并聯(lián)一級輸出為24 V的礦用本質(zhì)安全型遠(yuǎn)程中繼電源，可補(bǔ)償單級24 V本安電源在供電電纜上產(chǎn)生的壓差，從而延長本安電源的供電距離。測試結(jié)果表明，該中繼電源可使24 V本安電源的供電距離延長至少2 km,且具有啟動電流小、輸出電壓穩(wěn)定、性價比高等優(yōu)點。

礦用傳感器； 中繼電源； 本安電源； 供電距離

0 引言

目前，國內(nèi)大部分煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)生產(chǎn)廠家均采取從監(jiān)控分站處取電為傳感器供電的方式，其供電電壓一般為18，21，24 V，本安電源的供電距離一般在2 km左右[1]。隨著煤礦機(jī)械化水平的快速提高和綜采綜掘工藝的大量應(yīng)用，煤礦井下已經(jīng)大量出現(xiàn)了長距離采掘工作面，其距離遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了2 km，這樣的長距離將造成瓦斯傳感器、一氧化碳傳感器等無法正常運行，從而影響企業(yè)的安全生產(chǎn)[2]。為進(jìn)一步促進(jìn)煤礦安全監(jiān)控技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用，國家安全生產(chǎn)監(jiān)督管理總局下達(dá)了新修訂的《煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)通用技術(shù)要求》。修訂稿中對提高傳感器本安供電距離給出了明確的意見：為滿足長距離掘進(jìn)巷道等監(jiān)控需求，向傳感器及執(zhí)行器遠(yuǎn)程本安供電距離由2 km修改為2 km，3 km或6 km[3]。為了提高本安電源對瓦斯傳感器、一氧化碳傳感器等的供電距離，參考文獻(xiàn)[2]從提高本安電源輸出電壓、降低傳感器工作電壓和減少線纜耗損等方面進(jìn)行了討論，結(jié)合現(xiàn)場實際情況，提出了遠(yuǎn)距離供電的一些建議。參考文獻(xiàn)[4]指出降低傳感器功耗是實現(xiàn)本安電源遠(yuǎn)距離供電中最經(jīng)濟(jì)適用的方法，并驗證了該方法的可行性。參考文獻(xiàn)[5]提出了減少本安電源暫態(tài)沖擊電流的方法，從而提高了本安電源的供電距離。

在上述研究的基礎(chǔ)上，本文設(shè)計了一種具有升壓功能的本質(zhì)安全型中繼電源,將其布置在現(xiàn)有本安供電電源與傳感器之間,可有效延長本安電源的供電距離。

1 本安電源遠(yuǎn)距離供電分析

本安電源向礦用傳感器遠(yuǎn)程供電的等效電路模型如圖1所示，其中礦用供電電纜一般采用多芯截面積為1.5 mm2的電纜，其分布電容為60 nF/km，分布電感為0.8 mH/km，分布電阻為12.8 Ω/km。

圖1 本安電源向傳感器遠(yuǎn)程供電等效電路模型

根據(jù)歐姆定律可知本安電源、電纜、負(fù)載之間的電壓關(guān)系：

U0=IR+Uz

(1)

式中：U0為本安電源輸出電壓；I為供電電纜流過的電流；R為供電線路電阻；Uz為傳感器輸入電壓。

礦用監(jiān)控系統(tǒng)中傳感器的工作電壓范圍為9～24 V，一旦傳感器的輸入電壓低于9 V，傳感器將不能正常工作。瓦斯傳感器在不同供電電壓下的功耗情況見表1。

在現(xiàn)有的供電方式下，按照式(1)可以計算出24 V本安電源對瓦斯傳感器的供電距離為4.4 km。由于傳感器為空性負(fù)載，啟動時存在瞬間電流值，實際測試時24 V本安電源的供電距離為3.5 km。而目前24 V本安電源的輸出電流大多可以達(dá)到470 mA,相對于傳感器消耗的133.4 mA電流，本安電源輸出有很大的剩余能量。因此，在本安電源遠(yuǎn)距離供電中，傳感器不能正常工作主要是由于供電電纜上產(chǎn)生的電壓降過大，而不是本安電源輸出能量不夠造成的。

表1 低濃瓦斯傳感器功耗

2 本質(zhì)安全型中繼電源遠(yuǎn)程供電方案

中繼電源遠(yuǎn)程供電等效電路模型如圖2所示。在本安電源與傳感器之間增加并聯(lián)一級輸出為24 V的本質(zhì)安全型中繼電源，以補(bǔ)償單級24 V本安電源在供電電纜上產(chǎn)生的壓差，從而延長本安電源的供電距離。

圖2 中繼電源遠(yuǎn)程供電等效電路模型

根據(jù)能量守恒原理及歐姆定律可得

(2)

(3)

式中：P0為本安電源輸出功率；I1為流過第1段供電電纜的電流；R1為第1段供電線路電阻；Pi為中繼電源靜態(tài)和轉(zhuǎn)換消耗功率；I0為流過第2段供電電纜的電流；R0為第2段供電線路電阻；Pz為傳感器功耗；U1為中繼電源輸出電壓；IA為本安電源輸出電流。

假設(shè)供電電纜采用截面積為1.5 mm2的電纜，本安電源輸出能量按照最大本安參數(shù)能量的70%計算，傳感器功耗數(shù)據(jù)參考表1，中繼電源的轉(zhuǎn)換效率估計為60%，中繼電源的最低工作電壓設(shè)計為15 V，則根據(jù)式(2)、式 (3)可以估算出第1級供電電纜上的電阻值為61.64 Ω，即距離為2.4 km，消耗在第1級供電電纜上的電流為146 mA。從算出的數(shù)據(jù)可知,本質(zhì)安全型中繼電源遠(yuǎn)程供電方案是可行的。

3 本質(zhì)安全型中繼電源硬件設(shè)計

供電電纜上的壓降主要是由電纜中的電阻和電流引起的，而改動電纜上的電阻阻值的成本相對較高。因此，為有效降低壓差，需要控制電纜上的電流值。本質(zhì)安全型中繼電源的工作原理如圖3所示，該電源主要包括軟啟動電路、儲能電路、升壓電路和限能電路4個部分。

圖3 本質(zhì)安全型中繼電源工作原理

軟啟動電路主要用于降低中繼電源啟動時的瞬間電流，儲能電路主要用于維持中繼電源正常啟動后的穩(wěn)定性，具體電路如圖4所示。上電后本安電源先對電容C1充電，電容充電完成后開啟MOS管Q2，這樣分時啟動電路可以避免啟動時電容的瞬時大電流導(dǎo)致電路無法正常工作的情況。

圖4 電源軟啟動及儲能電路

升壓電路可將9～24 V電壓轉(zhuǎn)換為24 V直流電壓，具體電路如圖5所示。該電路主控制芯片選用靜態(tài)功耗相對較小、電路轉(zhuǎn)換效率高達(dá)92%的LM5022，可使本安電源的輸出能量盡量傳輸至負(fù)載。由于電源電路為升壓電路，為保證后級限能電路的安全性和可靠性，需增加一級不可恢復(fù)的過壓保護(hù)電路。過壓保護(hù)電路由ZD2,R16,R17,C3,F1和MCR1組成。當(dāng)升壓電路輸出電壓超過26 V時，將觸發(fā)MCR1導(dǎo)通,保險絲F1熔斷，從而達(dá)到保護(hù)后級電路安全性的目的。

圖5 升壓電路

由于電路中有超過安全火花要求的輸出能量，需在電路中增加限能電路。限能電路采用傳統(tǒng)的兩級過流和兩級過壓電路。澆封主要是對電路中超過安全火花要求的電容進(jìn)行澆封安全處理。

4 測試結(jié)果

本質(zhì)安全型中繼電源近端的開機(jī)波形如圖6所示，從圖6可以看出,中繼電源具有500 ms的開機(jī)延時輸出時間，其沖擊電流最大值為298 mA，小于傳統(tǒng)24 V本安電源輸出的470 mA。

圖6 本質(zhì)安全型中繼電源近端開機(jī)波形

5個輸入電壓下的測試結(jié)果見表2。從表2可知，在9～24 V輸入電壓波動范圍內(nèi)，整機(jī)電源的效率都在54.1%以上。

表2 本質(zhì)安全型中繼電源測試結(jié)果

輸入電壓范圍為9～24 V時的低濃瓦斯傳感器的供電距離測試結(jié)果見表3。從表3可知， 24 V本安電源帶低濃瓦斯傳感器時的實際最大供電距離為3.5 km。

表3 24 V本安電源供電距離測試結(jié)果

用中繼電源為3.5 km處的低濃瓦斯傳感器供電，由本安電源為中繼電源供電。將本安電源與中繼電源的供電距離逐步增加，測試中繼電源工作狀態(tài)下的最大供電距離，測試結(jié)果見表4。從表4可知，在24 V本安電源與低濃瓦斯傳感器之間增加一個中繼電源后，可使24 V本安電源對瓦斯傳感器的供電距離提高2 km，達(dá)到5.5 km。

表4 中繼電源供電距離測試結(jié)果

5 結(jié)語

針對井下超長工作面?zhèn)鞲衅鞯倪h(yuǎn)距離傳輸需求，提出了一種本質(zhì)安全型中繼電源設(shè)計方案。測試結(jié)果表明，該中繼電源具有啟動電流小、輸出穩(wěn)定、性價比高等優(yōu)點，可以使24 V本安電源的供電距離有效延長2 km。

[1] 謝俊生,王森,游青山.礦井安全監(jiān)控電源系統(tǒng)的研究[J].工礦自動化,2010,36(7):71-75.

[2] 李志.關(guān)于延長對瓦斯傳感器供電距離方法的探討[J].煤礦安全,2012,43(2):67-69.

[3] 孫繼平.AQ6201 《煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)通用技術(shù)要求》修訂意見[J].工礦自動化,2016,42(2):1-7.

[4] 湯朝明.礦用傳感器超遠(yuǎn)距離傳輸技術(shù)研究[J].礦業(yè)安全與環(huán)保,2012,39(3):44-46.

[5] 王文清.提高礦用本安電源帶載能力的研究與實踐[J].煤炭工程,2008(11):104-106.

Design of mine-used intrinsically safe remote relay power supply

LIN yin

(CCTEG Chongqing Research Institute, Chongqing 400039, China)

In order to satisfy long-distance transmission requirements of sensor used on underground super long working face, a mine-used intrinsically safe remote relay power supply was designed. Parallel connecting a mine-used intrinsically safe remote relay power supply between the sensor and intrinsically safe power supply can compensate differential pressure on power supply cable of single 24 V power supply, and extend power supply distance. The test results show that the relay power supply can make power supply distance of 24 V intrinsically safe power supply extend at least 2 km, and has small start current, stable output voltage and high performance to price ratio.

mine sensor; relay power supply; intrinsically safe power supply; power supply distance

1671-251X(2016)11-0019-04

10.13272/j.issn.1671-251x.2016.11.005

林引.礦用本質(zhì)安全型遠(yuǎn)程中繼電源設(shè)計[J].工礦自動化，2016,42(11)：19-22.

2016-05-09；

2016-09-16；責(zé)任編輯：胡嫻。

中煤科工集團(tuán)重慶研究院自立項目(201002116)。

林引(1979-)，男，四川資中人，副研究員，現(xiàn)主要從事礦用電源、安全監(jiān)控系統(tǒng)、電子產(chǎn)品可靠性設(shè)計等相關(guān)技術(shù)研究工作，E-mail:idlinyn@163.com。

TD611

A

時間：2016-10-28 16:23

http://www.cnki.net/kcms/detail/32.1627.TP.20161028.1623.004.html