具有自診斷功能的礦用斷電器設計

黃 春

（中煤科工集團重慶研究院有限公司，重慶 400039）

饋電傳感器主要用于煤礦井下饋電狀態(tài)檢測，判斷隔爆開關是否可靠斷電，饋電傳感器的運行可靠性直接關系安全監(jiān)控系統(tǒng)運行穩(wěn)定性，是保障瓦斯礦井安全生產(chǎn)的重要環(huán)節(jié)[1-2]。

煤礦井下饋電狀態(tài)檢測技術主要有3 種：接觸式饋電、感應式饋電和觸點檢測饋電。接觸式饋電直接感知隔爆開關負荷側線纜電壓變化，即在電氣上將傳感器與被控開關負荷側線纜直接聯(lián)接，實現(xiàn)饋電狀態(tài)檢測[3]，該饋電技術原理簡單，井下已廣泛應用，目前只能實現(xiàn)1 140 VAC 及以下電壓等級饋電狀態(tài)檢測，隨著饋電電壓等級升高，勢必增大傳感器體積以提高傳感器的絕緣強度，傳感器的安裝維護將會極其復雜，同時還可能存在不安全因素。電場感應式饋電[4-7]針對3 300 VAC 及以上電壓等級設計，傳感器將探頭插入負荷側線纜接線腔，感應腔內電場變化識別負荷線纜的饋電狀態(tài)。觸點檢測饋電感知井下開關輔助觸點狀態(tài)變化，實現(xiàn)隔爆開關負荷側線纜饋電狀態(tài)檢測[8-10]，該方式可應用到煤礦井下所有電壓等級饋電狀態(tài)檢測，但該方式接線錯誤可能導致安全風險，如果將斷電儀斷電輸出觸點與自身觸點饋電接口直接連接，系統(tǒng)將無法正確感知斷電指令是否執(zhí)行。因此，開發(fā)具有自診斷功能的觸點檢測饋電斷電器，實時感知斷電儀是否正確接入被控設備，對于提高觸點檢測饋電斷電器可靠性，提升煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)智能化水平，保障煤礦安全生產(chǎn)，具有重要意義。

1 觸點檢測饋電斷電器工況

1）觸點檢測饋電斷電器工作原理。觸點檢測饋電斷電器利用繼電器的無源觸點控制隔爆開關的脫扣線圈，隔爆開關執(zhí)行脫扣動作實現(xiàn)斷電操作；斷電器檢測防爆開關的無源輔助觸點狀態(tài)，實現(xiàn)隔爆開關負荷側線纜饋電狀態(tài)檢測。觸點檢測饋電斷電器工作原理框圖如圖1。

圖1 觸點檢測饋電斷電器原理框圖Fig.1 Principle block diagram of contact detection feed breaker

2）問題分析。觸點檢測饋電斷電器饋電輸入對象是防爆開關的無源觸點，斷電器自身的斷電輸出也是無源觸點，如果將斷電器自身的斷電輸出作為斷電器的饋電輸入，斷電器將與被控對象防爆開關脫離。安全監(jiān)控系統(tǒng)仍可展示斷電器實時工作狀態(tài)，給監(jiān)察監(jiān)管人員帶來斷電動作執(zhí)行假象，存在安全風險。觸點檢測饋電斷電器脫離被控對象工作框圖如圖2。

圖2 觸點檢測饋電斷電器脫離被控對象工作框圖Fig.2 Principle block diagram of contact detection feed breaker separating from controlled object

3）自診斷功能需求。針對觸點檢測饋電斷電器接線錯誤，導致煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)無法準確感知被控對象的斷電狀態(tài)問題。亟需研發(fā)具有自診斷功能的觸點檢測饋電斷電器，實時檢測饋電線路接線準確性，提升饋電檢測可信度。

2 自診斷功能電路

2.1 自診斷功能電路原理

針對觸點檢測饋電斷電器斷電輸出為無源觸點，引入固定頻率直流脈沖信號，加載至斷電器斷電輸出無源觸點，當斷電器饋電狀態(tài)檢測電路檢測到固定頻率直流脈沖信號，則判斷饋電斷電器接線錯誤。自診斷電路原理框圖如圖3。

圖3 自診斷電路原理框圖Fig.3 Principle block diagram of self-diagnosis circuit

2.2 固頻直流脈沖信號發(fā)生器

固定頻率脈沖發(fā)生器電路原理圖如圖4。

圖4 固定頻率脈沖發(fā)生器電路原理圖Fig.4 Circuit schematic diagram of fixed frequency pulse generator

固定頻率脈沖發(fā)生器電路主要由微控制單元（MCU）、光耦、隔離電源模塊、金屬-氧化物半導體場效應晶體管（MOS 管）等組成。MCU 產(chǎn)生固定頻率脈沖信號，經(jīng)MOS 管Q1驅動光耦U1，光耦驅動Q3，實現(xiàn)固定頻率脈沖信號的驅動輸出；R1起限流目的，避免MOS 管Q3漏極直接接地導致隔離電源模塊DC1燒毀；隔離電源模塊DC1和光耦U1形成隔離屏障，實現(xiàn)固定頻率脈沖信號由本安側至非本安側的隔離轉換。

2.3 觸點脈沖融合信號檢測電路

觸點脈沖融合信號檢測電路原理如圖5。

圖5 觸點脈沖融合信號檢測電路原理圖Fig.5 Schematic diagram of contact pulse fusion signal detection circuit

觸點脈沖融合信號檢測電路主要由微控制單元、光耦、MOS 管、二極管、電阻等構成，主要實現(xiàn)觸點饋電信號檢測及固定頻率脈沖信號檢測功能。無源觸點饋電檢測過程，MCU 供電控制口輸出低電平，開通光耦U1、驅動MOS 管Q1，接通隔離電源ISO-VCC，MCU 將通過饋電檢測口檢測到觸點饋電接點的閉合或斷開狀態(tài)。固定頻率脈沖信號檢測過程，MCU 供電控制口通過光耦U1、驅動MOS 管Q1，斷開隔離電源ISO-VCC，MCU 將在繼電器閉合狀態(tài)，通過饋電檢測口檢測是否存在固定頻率脈沖信號。

3 自診斷斷電器程序

3.1 饋電斷電檢測

饋電斷電檢測流程如圖6。

圖6 饋電斷電檢測流程Fig.6 Feeder & breaker detection flow

觸點檢測饋電斷電器上電啟動后，執(zhí)行開機閉鎖延時，斷電器輸出斷電狀態(tài)。延時結束若無斷電器斷電指令，執(zhí)行復電操作，判斷繼電器工作狀態(tài)，閉合狀態(tài)，啟動接線狀態(tài)自診斷，診斷完成進入饋電狀態(tài)檢測，斷開狀態(tài)，直接進入饋電狀態(tài)檢測。

3.2 接線狀態(tài)自診斷

接線狀態(tài)自診斷流程如圖7。

圖7 接線狀態(tài)自診斷流程Fig.7 Wiring state self-diagnosis flow

當繼電器工作在閉合狀態(tài)，啟動固頻直流脈沖信號發(fā)生器，MCU 檢測饋電檢測口是否存在固定頻率脈沖，有固定頻率脈沖則判斷斷電器輸出接線錯誤，反之則接線正常，檢測完畢關閉固頻直流脈沖信號發(fā)生器。

4 結 語

介紹了煤礦井下饋電檢測技術，重點分析觸點檢測饋電斷電器工作原理，接線錯誤可能導致的安全風險問題。針對該問題，引入固定頻率直流脈沖信號，加載至斷電器斷電輸出無源觸點，當斷電器饋電狀態(tài)檢測電路檢測到固定頻率直流脈沖信號，則判斷斷電器接線錯誤，實現(xiàn)斷電器錯誤接線自診斷。自診斷電路可有效識別斷電器接線錯誤，保證饋電信號準確可信。