礦用開(kāi)關(guān)保護(hù)器維修技術(shù)研究

馬勇田

（山西新元煤炭有限責(zé)任公司， 山西 晉中 045400）

1 礦用開(kāi)關(guān)保護(hù)損壞原因

通過(guò)對(duì)采礦行業(yè)的調(diào)研研究發(fā)現(xiàn)，礦用開(kāi)關(guān)保護(hù)故障率居高不下的原因主要為：第一，采用的防爆類(lèi)開(kāi)關(guān)的型號(hào)不統(tǒng)一，由于保護(hù)器在惡劣的條件下工作，保護(hù)器極易損壞；第二，存儲(chǔ)的修理原件過(guò)少；第三，工作人員操作不當(dāng)以及維修人員缺少維修經(jīng)驗(yàn)；第四，在夏季由于礦井下通風(fēng)不暢導(dǎo)致溫度過(guò)高、潮濕以及粉塵瓦斯等聚集，容易引起各類(lèi)開(kāi)關(guān)的損壞；第五，由于保護(hù)器內(nèi)部的電子設(shè)備受溫度、濕度、運(yùn)輸振動(dòng)、電磁輻射、工作環(huán)境的粉塵濃度等影響，容易導(dǎo)致電子元器件的溫度過(guò)高，使電路老化加快，從而造成元器損壞[1-2]。

2 礦用開(kāi)關(guān)保護(hù)裝置技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)

目前采礦類(lèi)的開(kāi)關(guān)保護(hù)技術(shù)發(fā)展大致經(jīng)歷了四個(gè)時(shí)期。

第一個(gè)時(shí)期，我國(guó)國(guó)內(nèi)采用的保護(hù)器大多為DW10 系列的保護(hù)器，它通過(guò)斷路或者熱繼電器裝置來(lái)進(jìn)行保護(hù)。

第二時(shí)期源自20 世紀(jì)60 年代的運(yùn)用數(shù)字模擬信號(hào)的電子式過(guò)電流保護(hù)器對(duì)內(nèi)部電源及其他電子元件進(jìn)行保護(hù)，當(dāng)電流經(jīng)過(guò)處理器后會(huì)與保護(hù)器中設(shè)定的參數(shù)進(jìn)行對(duì)比。當(dāng)電流流入到處理器后會(huì)經(jīng)輸出端到短路、欠壓或過(guò)載處理模塊進(jìn)行檢測(cè)。隨后經(jīng)過(guò)處理后的信號(hào)進(jìn)入邏輯電路并觸發(fā)執(zhí)行元件進(jìn)行脫扣操作，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)保護(hù)器的保護(hù)。電子式保護(hù)器存在的問(wèn)題較為普遍，大多數(shù)都是采集的樣本準(zhǔn)確精度低，在高溫環(huán)境下不穩(wěn)定易出現(xiàn)損壞，而且對(duì)粉塵、空氣濕度以及電磁場(chǎng)非常敏感導(dǎo)致保護(hù)器經(jīng)常出現(xiàn)故障[3]。

第三代保護(hù)器采用微機(jī)原理技術(shù)，例如智能開(kāi)關(guān)保護(hù)器中的移動(dòng)變電站低壓側(cè)饋電開(kāi)關(guān)以及礦用隔爆型真空饋電開(kāi)關(guān)等，此類(lèi)開(kāi)關(guān)保護(hù)器大多由于使用的是單片機(jī)或者DSP 作為控制板，達(dá)到一定的智能化，此類(lèi)保護(hù)器通常采用專(zhuān)業(yè)的軟件進(jìn)行濾波、采樣、故障分析處理和非線性矯正。因此此類(lèi)保護(hù)器件保護(hù)功能較為齊全，采樣的精準(zhǔn)度高、信號(hào)整定的精確度及故障診斷功能相對(duì)較為完善，同時(shí)顯示器可以顯示工作的電壓電流以及故障信息，并且可以通過(guò)軟件對(duì)保護(hù)器的參數(shù)和功能進(jìn)行設(shè)置。使用此系統(tǒng)可以通過(guò)RS485 等數(shù)據(jù)線實(shí)現(xiàn)與上位機(jī)通訊的功能，因此擁有遠(yuǎn)程通訊的功能[4]。

第四代采用的保護(hù)器是目前正在用的也是現(xiàn)在研究的重點(diǎn)，此類(lèi)保護(hù)器較早先的保護(hù)器有著更為先進(jìn)的智能控制和通訊特點(diǎn)，通常采用的技術(shù)路線為CAN、MODBUS 以及Profibus 等技術(shù)路線。該保護(hù)器單元結(jié)合模塊化的理念，在數(shù)據(jù)傳輸方面非常方便，可以支持各種網(wǎng)絡(luò)環(huán)境比如以太網(wǎng)、環(huán)網(wǎng)等網(wǎng)絡(luò)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸，而且還支持TCP/IP 等通信協(xié)議。與此同時(shí)，該操作環(huán)境可以在很多系統(tǒng)中流暢運(yùn)行，例如WIN7 或者Lunix 等系統(tǒng)，并且此系統(tǒng)的仿真功能強(qiáng)大，支持MATLAB 或者PROTEUS 等仿真軟件，運(yùn)用此類(lèi)交換機(jī)可實(shí)現(xiàn)采礦機(jī)械的集中統(tǒng)一運(yùn)行。現(xiàn)代智能礦用保護(hù)器相對(duì)早先的控制器有著更為精確的保護(hù)功能和精準(zhǔn)的仿真測(cè)試，使在工程中出現(xiàn)的問(wèn)題處理更加的智能化、簡(jiǎn)潔化。下頁(yè)圖1 給出此類(lèi)某種煤礦用智能開(kāi)關(guān)嵌入式保護(hù)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖。

3 礦用饋電開(kāi)關(guān)微機(jī)保護(hù)器關(guān)鍵技術(shù)

圖1 第四代智能開(kāi)關(guān)保護(hù)器網(wǎng)絡(luò)框架圖

圖2 礦用低壓饋電保護(hù)器網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖

如下頁(yè)圖2 所示，礦用低壓饋電保護(hù)器主要結(jié)構(gòu)是由采集結(jié)構(gòu)、光電隔離結(jié)構(gòu)、模擬電路開(kāi)關(guān)結(jié)構(gòu)A/D 轉(zhuǎn)換器、CPU、液晶屏以及報(bào)警器和通訊結(jié)構(gòu)等結(jié)構(gòu)構(gòu)成。在井下作業(yè)時(shí)若供電系統(tǒng)出現(xiàn)過(guò)載、低壓、漏電等故障，此保護(hù)器可提供實(shí)時(shí)保護(hù)。保護(hù)器電路主要是將電流或電壓信號(hào)傳輸?shù)奖Ｗo(hù)電路中，然后檢測(cè)模塊對(duì)傳輸信號(hào)進(jìn)行處理后輸出到CPU芯片中，經(jīng)過(guò)處理后的信號(hào)會(huì)通過(guò)控制板控制電路動(dòng)作。同時(shí)把處理完成的信號(hào)經(jīng)過(guò)一系列操作顯示到屏幕上或報(bào)警器中，通過(guò)屏幕所顯示的數(shù)據(jù)確定是否發(fā)出警告信號(hào)或者執(zhí)行停機(jī)操作。當(dāng)保護(hù)器運(yùn)行后會(huì)記錄故障并對(duì)機(jī)器進(jìn)行自鎖，避免機(jī)器在有故障的狀態(tài)下進(jìn)行重啟操作。當(dāng)故障被修復(fù)后可人工進(jìn)行解除自鎖操作并對(duì)保護(hù)器進(jìn)行自檢，保障采礦機(jī)的正常運(yùn)行，并將故障信號(hào)實(shí)時(shí)傳輸?shù)缴衔粰C(jī)。

3.1 信號(hào)采集電路

針對(duì)回路中有可能存在的故障判斷可對(duì)低壓電網(wǎng)中的電壓（0～1 V）、電流（0～200 mA）、短路電流等模擬信號(hào)進(jìn)行采集判斷其是否出現(xiàn)故障。如圖3 所示的信號(hào)為采集電路圖。

3.2 信號(hào)調(diào)理電路

通過(guò)A/D 轉(zhuǎn)換器將采集的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)化為0～5 V的電壓信號(hào)，然后通過(guò)濾波處理后再次進(jìn)行放大傳輸?shù)紺PU 芯片中，并對(duì)放大信號(hào)進(jìn)行最終的處理。

假定計(jì)算電壓小于額定電壓的0.75 倍，在顯示屏上會(huì)顯示低壓故障；假定三相交流電大于額定電流的8 倍以上，此時(shí)會(huì)在顯示屏上顯示短路故障，處理器會(huì)在極短的時(shí)間內(nèi)迅速自動(dòng)斷開(kāi)控制器的電源；如果電流任何一相大于1.2 倍以上并小于8倍以下時(shí)系統(tǒng)會(huì)限制電路，并在顯示屏上顯示過(guò)載故障。

圖3 信號(hào)采集電路

3.3 液晶顯示與接口電路

如圖4 所示的系統(tǒng)接口電路為AT89C52 及TC1602EL 液晶模塊接線的示意圖。所使用的液晶顯示模塊具有低功耗、顯示清晰，與人機(jī)交互界面操作簡(jiǎn)便等優(yōu)點(diǎn)。

圖4 顯示接口與驅(qū)動(dòng)電路

控制芯片中的P0.0～P0.7 分別與TC1602EL 中的DO-D7 相連接，而圖中的P2.2 和P2.3 以及P2.4的引腳分別與端口RS，RW，E 相連接。

3.4 驅(qū)動(dòng)輸出電路

下頁(yè)圖5 為驅(qū)動(dòng)電路，若饋電回路系統(tǒng)出現(xiàn)故障，例如短路、斷路、低壓、失壓、漏電等現(xiàn)象時(shí)，輸出電路會(huì)根據(jù)早先設(shè)定的參數(shù)，同時(shí)CPU 會(huì)根據(jù)不同的故障輸出不同的指令到P2.5 端口，將高電平轉(zhuǎn)換為低電平，此時(shí)中間繼電器中的輔助電源節(jié)點(diǎn)將會(huì)被驅(qū)動(dòng)裝置啟動(dòng)進(jìn)而切斷存在故障的電源。由于采礦類(lèi)行業(yè)井下的機(jī)械設(shè)備較多，而保護(hù)器多為電子設(shè)備易受高壓輸電線所產(chǎn)生的磁場(chǎng)干擾。因此需要在保護(hù)器中加入光電隔離設(shè)備以此來(lái)增加設(shè)備的穩(wěn)定性和安全性。

圖5 驅(qū)動(dòng)電路

4 饋電開(kāi)關(guān)軟件應(yīng)用及仿真技術(shù)

微機(jī)式保護(hù)器在啟動(dòng)時(shí)首先會(huì)對(duì)CPU 芯片內(nèi)部的寄存器、定時(shí)模塊、RAM、和外部擴(kuò)展模塊進(jìn)行初始化，并為上述模塊提空內(nèi)存空間。然后對(duì)串行通信接口進(jìn)行參數(shù)設(shè)置。通常作用于CPU 芯片的串行口波特率，一般通過(guò)定時(shí)器T1 進(jìn)行設(shè)置；選擇定時(shí)器的第二種模式T2，并對(duì)波特率進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，一般將波特率初始化為96 000 bits/s，SMOD 的值設(shè)置為1，初始化值為OFDH。

在對(duì)保護(hù)器進(jìn)行設(shè)計(jì)與維修時(shí)，經(jīng)常需要對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行仿真。本文采用的程序較為靈活簡(jiǎn)潔并且有著高效的編程效率，異步電機(jī)負(fù)責(zé)驅(qū)動(dòng)，變壓器負(fù)責(zé)改變電壓，示波器負(fù)責(zé)將電流和電壓進(jìn)行仿真輸出以及變量參數(shù)的存儲(chǔ)，可直接調(diào)用MATLAB 中的函數(shù)等對(duì)示波器中的電流和電壓等電信號(hào)進(jìn)行顯示，并進(jìn)行仿真。

5 維修試驗(yàn)與測(cè)試

維修保護(hù)器完后，需要對(duì)保護(hù)器的性能進(jìn)行測(cè)試，判斷保護(hù)器是否維修成功，并對(duì)開(kāi)關(guān)保護(hù)器斷開(kāi)和閉合前后的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)?？刂葡到y(tǒng)中的最小控制系統(tǒng)經(jīng)過(guò)一系列操作會(huì)將處理后的結(jié)果顯示到顯示屏，如圖6 所示。

圖6 保護(hù)器維修后測(cè)試

根據(jù)測(cè)試的結(jié)果，如若在顯示屏上顯示“漏電閉鎖完成”則為維修成功，如若顯示“漏電閉鎖錯(cuò)誤”，則需要進(jìn)一步對(duì)保護(hù)電路的軟硬件進(jìn)行分析，找出故障原因并維修，再進(jìn)行測(cè)試。

6 結(jié)論

隨著機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)的不斷發(fā)展，芯片技術(shù)和礦用保護(hù)器會(huì)更加智能化，通訊和檢測(cè)會(huì)更加簡(jiǎn)便，報(bào)警和控制以及自檢功能會(huì)越來(lái)越完善。為了節(jié)省采礦成本，積極開(kāi)展對(duì)礦業(yè)保護(hù)器的研究，設(shè)計(jì)、維修零件的加工再生產(chǎn)，運(yùn)用仿真技術(shù)解決諸多維修問(wèn)題，以進(jìn)一步降低生產(chǎn)成本，提高效率。