高壓防爆開關(guān)控制器的缺陷分析及改進措施

丁忠彥

(河南平煤神馬電氣股份有限公司，河南 平頂山 467000)

0 引言

高壓防爆開關(guān)在煤礦行業(yè)中屬于常用的電氣設(shè)備，能夠有效地保護井下電氣設(shè)備的安全。而在高壓防爆開關(guān)中控制器是核心，隨著科技的不斷進步，控制器的功能越來越多。由于控制器更新比較快，使得廠家在質(zhì)檢過程中沒有對其進行充分檢測，導(dǎo)致一些控制器不合格，因此煤礦電氣故障中控制器事故率比較高，表現(xiàn)為控制故障或者功能不全等，給煤礦開采帶來極大的安全隱患。

1 問題概況

調(diào)研某礦，其設(shè)計年生產(chǎn)量350萬t/年，屬于大型煤礦的范疇。其中井下使用的高壓防爆開關(guān)總數(shù)量達到1 500部，通過統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，高壓防爆開關(guān)控制器維修費用可以達到20萬元，同時由于控制問題導(dǎo)致?lián)p失的工作時間為50 h/年。此外，由于公司采購的控制器并不是同一家供應(yīng)商，即使同一批的高壓防爆開關(guān)控制器內(nèi)元件也存在一定的差異性，因此大量的高壓防爆開關(guān)未被使用就已經(jīng)廢棄，給公司帶來極大的資源浪費。

2 傳統(tǒng)控制器存在的缺陷

在對不同煤礦選用的高壓防爆開關(guān)控制器進行調(diào)查時發(fā)現(xiàn)，傳統(tǒng)的控制器存在如下幾個缺點。

1)依據(jù)《煤礦安全規(guī)程》發(fā)現(xiàn)，煤礦井下設(shè)置的高壓防爆控制開關(guān)必須能夠應(yīng)對短路以及過載的現(xiàn)象。而現(xiàn)行的控制器選用瞬時性的速斷失壓脫扣器，往往出現(xiàn)錯誤的動作。

2)在控制器的電源中未設(shè)置相應(yīng)的諧波設(shè)計，從而不能對高壓系統(tǒng)中出現(xiàn)的濾波進行相應(yīng)的控制。在井下使用的過程中，往往出現(xiàn)濾波的原因?qū)е码娫措娐芬约澳M信號處理電路被擊穿的現(xiàn)象。

3)在控制器設(shè)置的單片機中，未進行諧波設(shè)計。假如電路中出現(xiàn)過大的濾波時，那么單片機將會因為濾波發(fā)出錯誤的指令。其主要表現(xiàn)為在顯示器中出現(xiàn)亂碼，這樣將誤導(dǎo)維修人，以為顯示器出現(xiàn)了問題，進而更換顯示器，從而導(dǎo)致不必要的經(jīng)濟損失。

4)通過分析《煤礦安全規(guī)程》可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)井下再次出現(xiàn)短路時，高壓控制器必須在0.001s內(nèi)實現(xiàn)短路保護?？刂破鲉纹瑱C中只能同時識別一個信號，可是在實際工況情況下，往往出現(xiàn)多個信號。

5)由于每一個公司的控制器的接口以及通信協(xié)議不同，同時即便是型號相同的控制器內(nèi)部元件也存在差異性，因此維修人員在進行維修的過程中往往會由于型號以及內(nèi)部元的不同，而更換元件，這樣不僅會增加維修時間，還會帶來不必要的經(jīng)濟損失。

3 控制器的優(yōu)化

1)改造欠電壓脫扣線圈。通常，在失壓線圈對應(yīng)的回路中設(shè)置儲能電容，可以有效延遲欠壓脫扣時間，進而避免由于電壓波動出現(xiàn)誤動作。

可以使用直流欠電壓脫扣電磁鐵替換傳統(tǒng)的交流欠壓脫扣電磁鐵，同時設(shè)置電阻以及儲能器，這樣能夠起到時間延遲的作用。經(jīng)過優(yōu)化設(shè)計的電路，當(dāng)電壓低于額定電壓的35%時，可以實現(xiàn)穩(wěn)定脫扣；當(dāng)電壓超過額定電壓的80%時，可以實現(xiàn)穩(wěn)定的吸合鐵芯。

當(dāng)電路電壓處于正常的狀態(tài)時，電流依次通過整流器以及電阻，同時設(shè)置的電容處于充電狀態(tài)，欠電壓脫扣線圈的電壓與額定電壓相近，則鐵芯處于吸合狀態(tài)。假如電路中的電壓出現(xiàn)大幅度的壓降，電容開始放電，同時電流依次通過電阻，以及對應(yīng)的欠電壓脫扣線圈的電壓和額定電壓近，使得欠電壓脫扣線圈實現(xiàn)放電。而相應(yīng)的欠電壓脫扣線圈放電時間與欠電壓以及相應(yīng)的電阻與電容量有直接的關(guān)系。

2)改造控制器電源的電路。通常在應(yīng)對供電系統(tǒng)電壓波動形成的濾波時，可以選用合適的控制器電源電流濾波元件，為此，對電源控制電路進行優(yōu)化顯得非常重要。一般需要在原電原電路中設(shè)置如下幾個電路元件：①電阻。②濾波器。③整流橋和濾波電容。④輸入/輸出緩沖等，這樣能夠把高壓變頻器的交流電轉(zhuǎn)化成為直流高壓。

3)轉(zhuǎn)化信號傳輸方式。通常情況下，電信號往往受到濾波的影響，而相應(yīng)的光信號沒有此方面的限制。為此需要在輸入以及相應(yīng)的輸入端設(shè)置一個光電發(fā)生器與接收器，皆可實現(xiàn)信號轉(zhuǎn)換，這樣能夠進行輸入與輸出的隔離。以往所使用的防爆開關(guān)欠電保護設(shè)備會發(fā)生一系列影響電路的連鎖反應(yīng)，使電路出現(xiàn)斷電問題。因此，改良就是根據(jù)以往發(fā)生反應(yīng)的機理來調(diào)節(jié)斷電形式，使供電系統(tǒng)不會因短期斷電或電壓發(fā)生改變而觸發(fā)斷電開關(guān)。

4)采用雙線程CPU。現(xiàn)在，由于控制器采用CPU實現(xiàn)信息的傳輸比較慢，與此同時僅僅能夠同時處理一個信號。筆者采用DSP TMS320VC5402作為控制單元，實現(xiàn)信號的處理。同時采用CPLD XC95144XL實現(xiàn)邏輯控制。這樣能夠同時處理多個信號，因此能夠有效避免外部信號的影響，也可以有效避免因信號堆積而出現(xiàn)電路延遲的現(xiàn)象。

5)對控制器內(nèi)的接口以及通信協(xié)議進行統(tǒng)一化處理，在選用電器元件時，統(tǒng)一使用電氣防爆協(xié)會批準(zhǔn)的控制器，包括：①各接口的硬件結(jié)構(gòu)。②信號的接入以及輸出位置。③配套電源等。對于控制器內(nèi)部的元件都選用1ZS-485串行總線標(biāo)準(zhǔn)。這樣可以構(gòu)建完善的井下供電遠(yuǎn)程控制網(wǎng)絡(luò)，從而使得相關(guān)人員能夠在地面進行控制，對各個電氣的工作過程以及出現(xiàn)的問題進行及時監(jiān)控，并且能夠采集各個環(huán)節(jié)的數(shù)據(jù)，進行風(fēng)險評估。當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)故障之后，可以立即發(fā)現(xiàn)故障位置，并對其進行及時的維護，極大地提高工作效率。

4 現(xiàn)場應(yīng)用

經(jīng)過優(yōu)化設(shè)計的高壓防爆開關(guān)控制器在出廠之前，生產(chǎn)廠商的技術(shù)人員對其進行實驗，模擬煤礦井下的工況環(huán)境對其相關(guān)參數(shù)進行檢測，如下所示：①當(dāng)控制器處于失電壓2 s內(nèi)，能夠使得欠電壓脫扣線圈鐵芯吸合。②對于控制器而言，其對電路出現(xiàn)故障時的處理時間可以達到0.005 s的水平，能夠滿足相關(guān)規(guī)定。③通?？刂菩盘柌粫驗殡妷褐C波而出現(xiàn)誤動作的現(xiàn)象。使用優(yōu)化的控制器之后，2019年4—10月，僅僅出現(xiàn)1起由于防爆開關(guān)控制器的故障，經(jīng)過維修人員調(diào)查發(fā)現(xiàn)，故障是由于安裝控制器固定，相關(guān)工作人員在工作時觸動，致使控制器失效。由工程實踐發(fā)現(xiàn)經(jīng)過優(yōu)化之后的防爆開關(guān)控制器具有可靠的控制效果。

5 結(jié)語

經(jīng)過對防爆開關(guān)控制器進行相應(yīng)的優(yōu)化設(shè)計，諸如欠電壓脫扣線圈、控制器電源的電路以及相應(yīng)的轉(zhuǎn)換信號傳輸方式等，同時構(gòu)建RS-485串行總線標(biāo)準(zhǔn)對其進行專業(yè)的測試。在工程實踐的過程中發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過優(yōu)化設(shè)計的控制器具有穩(wěn)定的功能，可以為井下電氣控制提供良好的安全保障，同時能夠有效降低維修人員的勞動強度以及維修費用。