1、2023年第10期西部探矿工程*收稿日期：2022-09-28作者简介：王骞（1989-），男（汉族），山西长治人，工程师，现从事煤矿供电工作。防爆开关智能保护器的设计分析王骞*（潞安化工集团古城煤矿，山西 长治 046100）摘要：针对近年来矿井用电需求量的不断增大，矿井所用的防爆开关保护器时常易出现误动或拒动的问题，已无法达到有效保护安全生产的现状，基于矿井防爆开关保护器应用现状，分析了其存在的问题，结合防爆开关智能保护需求，设计一种防爆开关智能保护器，具体设计了该智能保护器的硬件部分与软件部分，并对该智能保护器进行了抗干扰设计，经应用试验发现：在遇到突发情况后，在30ms内该智能保护器便
2、可实现信息采集与完成跳闸保护功能，且在100ms内短路保护功能便可完成一级延时保护，能有效防治矿井供电系统出现的越级跳闸问题，更好地保障矿井安全生产。关键词：防爆开关；保护器；硬件；软件；抗干扰中图分类号：TD611 文献标识码：A 文章编号：1004-5716(2023)10-0132-046kV 电力系统是国内大部分矿井的主要供电方式。然而，近几年来，由于矿井开采能力的提高，以及大功率开采和起重设备的使用，煤矿井下的电力供应需求有了显著的提高，目前，10kV电力需求量正在逐渐提高。但是仅将工作面的安全保护装置从6kV防爆智能保护装置改为10kV防爆智能保护装置，使实际生产中的防爆开关智能保
3、护器出现误动作频率较高，并在设备开关机的一瞬间产生了很强的电磁干扰，从而使保护器受到了损伤1。1防爆开关智能保护器的总体设计1.1现状分析目前，综采工作面各种综合防护设备可分为DCB-X、DGZB、BLD、GZJB等多种系列。在这些保护中，DCZB系列的保护装置应用的范围最广。本文在总结了DCZB系列保护装置在实际使用中存在的问题后，得出了以下结论：（1）在一定的时段内，此保护装置所能看到的电压数值会有很大的波动，而所呈现的电压值与网络的波形有很大的关系，其主要是由于其所受的变压器的影响。（2）在一些情况下，DCZB系列保护器的短路信号处理时间长达100ms以上，并且该系列保护器在短路检测时间
4、上存在缺陷，导致短路保护功能出现异常2。（3）DCZB系列保护装置因电源负载由6kV增加到10kV，导致在工作过程中出现拒动作的现象。因此，煤矿用 DCZB型防爆智能安全装置的关键问题是短路和跳闸。所以，有必要研制一种能够有效地克服短路越线故障的智能型保护装置。1.2防爆开关智能保护器的功能需求根据煤矿电力系统中常见的故障类型，针对故障出现形式，设计了具有漏电保护、过载保护、短路保护功能的防爆智能开关，同时实现设备的绝缘检测和设备欠压保护，确保供电系统的安全工作3。1.2.1漏电保护由于综采工作面作业条件较差，且工作环境较为复杂，在电力系统中经常出现单相漏电、单相接地等问题。在工作面上出现的泄
5、漏事故，不但会使现场人员受到电击，还可能造成瓦斯爆炸、电气雷管提前爆炸等危险。目前，采用零序漏电保护和零序电源方向式漏电保护，可以达到漏电保护的目的4。1.2.2电流保护供电网络中电流保护是保障安全的重要措施，电流防护主要有过负荷及短路防护。针对超负荷防护，必须针对不同电动机所具有的不同的发热时值，决定其超负荷逆时限特征并进行相应的防护。短路防护通常采用快速断开的方法来完成，即实时地进行电流电压相位进行检测，从而即根据电流的相位来判定有无短路，系统检测到短路现象后及时出发短路保护5。1322023年第10期西部探矿工程同时，对防爆开关的智能化保护也提出了相应的要求，既要实现设备的绝缘检测，同时
6、也能够进行设备欠压保护。2防爆开关智能保护器的设计从安全防护系统的软、硬件两个角度进行了智能保护器的设计，并与基本方案相配套，实现了相应的防干扰性能。2.1硬件设计图1为10kV防爆开关智能保护器的基本结构，从结构上看，与6kV的结构框架基本一致，通过对电路的改造和升级优化，实现了10kV供电电路的保护需求。智能保护装置以微型控制单元为中心，结合目前市场上的实际应用情况及经济情况，选择C8051F010型微控制器为主要器件，实现了智能化保护装置的设计。以C8051F010为保护装置核心，并配置了电源电路、复位电路、实时时钟、外时钟等6。2.1.1实时时钟电路防爆开关智能化保护装置的实时计时功能
7、，它能够实时地记录本地时间和设备失效的时间，可以实现故障数据的实时记录和存储。本设计使用了DS1302型数字芯片，具有低功耗和写入保护的优点。在C8051F010上实现了与该系统的实时时钟信号的接口，图2为俩芯片的连接关系7。图110kV防爆开关智能保护器的基本结构框图图2实时时钟电路与C8051F010单片机的连接示意图图3单片机按键复位电路原理图2.1.2复位电路在实际应用中，可以采取其中措施实现C8051F010单片机的微处理器和中央处理器的复位：上电复位、软件强制复位、掉电复位、时钟丢失检测器复位以及按键复位等8。本研究中复位电路的方式选择了按键复位，图3为系统重置电路的基本原理。13
8、32023年第10期西部探矿工程2.1.3信号通道电路信号通道的构成有电压信号通路、电流信号通路、零序电压通路、零序电流和隔离监控的信道。由于采用了双向 TVSD21器件作为电压讯号信道的瞬态电压抑制装置，以确保在受到较大电压的情况下，系统可以快速地完成反向击穿，并将其从高阻工作态过渡到低阻态，并抑制干扰信号，保障设备的正常工作。在图4中显示了一个电压讯号信道的线路9。图4电压信号通道电路原理图对于零序电流的信号，由于其具有很低的信号值，很容易被干扰，因此必须在常规的零序电流信号回路中加入一个带通滤波器。另外，在零序电流信号回路中加入反向变换的作用，可以实现对线路的电压、电流的相位进行探测10
9、。2.2软件设计本研究研制的矿井防爆开关智能保护器，除实现正常保护功能外，还具有读取 DS1302、写入液晶屏、对按键进行功能的定制能力，图5为软件程序的工作流程。计时器是实现故障延时处理的核心设备，它的功能主要是解决两类故障的时间延时问题，其相应的延时处理流程见图6。3结语近几年，随着大功率综放设备、起重设备全面普及应用，矿井生产已步入了高产量、高效率的新时期，工作面作业载荷大幅度提高，供电电压从 6kV 提高到10kV。然而，综采工作面供电系统的保护装置并没有从6kV提高到10kV，只是提高了电压水平，一旦电机启动时电压水平过高，则有可能会出现保护器的意外触发或者电磁干扰，对矿井的安全造成
10、了很大的影响。为此，本论文以C8051F010单片机为核心，针对功率方向类型的误动作、拒动等问题，进行了防爆开关智能保护系统的优化设计。实际应用证明，该保护装置可在30ms内完成数据采集和跳闸保护，并在100ms内实现一级延迟保护，较好地解决了越级跳闸问题。图5防爆开关智能保护器主程序流程图1342023年第10期西部探矿工程参考文献：1王德岩,岳兴辉.煤矿井下低压开关闪弧故障定位系统的设计与应用J.科技创新与应用,2021,11(15):60-63.2赵晶晶.高压防爆开关触头无线测温保护装置的设计分析J.机械管理开发,2021,36(4):33-35.3牛军军,张乐.煤矿井下高压供电保护整定
11、分析及应用J.能源技术与管理,2020,45(3):20-22.4高军.矿用高压防爆开关控制器的缺陷分析及改进J.矿业装备,2019(6):42-44.5康成,崔全锋.80C196KC单片机在煤矿高压防爆开关综合保护中的应用J.科学咨询(科技 管理),2019(4):17-19.6张锐.矿用高压防爆开关数字综合保护器设计与应用J.水力采煤与管道运输,2019(2)：92-95.7宋文礼.防爆变频器在井下皮带运输机使用中出现的故障与处理J.当代化工研究,2021(17):10-13.8张璐璐.煤矿防爆电气设备管理中存在的问题及对策分析J.能源与节能,2021(3):93-96.9杨旭彬.基于PLC的矿用照明信号综合保护插件保护器检测装置J.煤,2021,30(7):89-92.10 马宝印,邸轩.矿用电磁启动器保护器的改进设计J.河北能源职业技术学院学报,2019,19(4):70-72.图6定时器延时处理程序流程图135
