煤電鉆綜合保護裝置的智能化研究

李世豪

（平頂山工業職業技術學院，河南 平頂山 467001）

0 引 言

眾所周知，煤電鉆是煤礦井下采掘工作面的“常規武器”。在炮采工作面，使用煤電鉆打眼后，才能放炮落煤；在機采工作面，需要煤電鉆開掘“機窩”，放置采煤機；在掘進工作頭，需要用煤電鉆打眼開掘巷道。因此，煤電鉆是井下采掘工作面的主要生產工具。《煤礦安全規程》第457條規定：“煤電鉆必須使用設有檢漏、漏電閉鎖、短路、過負荷、斷相、遠距離啟動和停止煤電鉆功能的綜合保護裝置。”從20世紀80年代初第一臺煤電鉆綜合保護裝置的研制開始，到目前已有多種型號的煤電鉆綜合保護裝置在煤礦井下使用。

傳統煤電鉆綜合保護裝置在井下已經使用較長時間，在保證煤礦生產中的人員和設備安全方面發揮了巨大作用。但是，受當時技術、電子元器件等多種因素的限制，傳統煤電鉆綜合保護裝置在性能上存在很大局限性。傳統煤電鉆綜合保護裝置的短路保護設置了熔斷器和載頻檢測兩個環節，以熔斷器作為后備保護，具有自鎖和閉鎖功能；過負荷采用熱繼電器保護，同時兼作斷相保護；檢漏裝置設有漏電檢測、漏電跳閘、漏電自鎖、漏電閉鎖、漏電顯示以及漏電試驗等環節。傳統的煤電鉆綜合保護裝置能夠通過裝在煤電鉆上的手動開關的接通與關斷，控制遠方綜合裝置中接觸器的吸合與釋放，從而實現遠距離啟動和停止。

但是，現有的煤電鉆綜合保護裝置中電路均采用模擬器件和分立元件設計，因此抗干擾能力差，精度不高，參數調整比較困難，在現場使用中經常出現煤電鉆綜合保護誤動作等問題，給煤礦安全生產造成了隱患。

1 設計方案選擇

1.1 設計方案分析

1.1.1 方案一

針對目前生產的需求，將煤電鉆綜合保護裝置的變壓器容量增大，相應地交流接觸器容量也增大，以適應大功率輕便鉆機的要求。同時，對煤電鉆綜合保護裝置的插件部分只做一些局部改進，并對易損壞電路在技術上進行調整與改進。

1.1.2 方案二

對大功率輕便煤電鉆綜合保護裝置進行新的整體設計。在適當增大變壓器容量的前提下，采用節能變壓器設計方案，減少變壓器體積與損耗；而對輕便鉆機綜合保護電路采用單片機全數字化技術進行設計，解決原煤電鉆綜合保護裝置插件技術落后、性能不穩定和維修量大等缺點。

1.2 設計方案對比

1.2.1 方案一

優點：技術成熟，操作簡單，容易生產；

缺點：技術含量低，功能單一，故障率高，維修量大。

1.2.2 方案二

優點：技術含量高，功能齊全，性能穩定，操作靈活，市場競爭力強，功耗低，維修量小；

缺點：生產條件要求高，相應配置高，生產工藝要求嚴格，生產成本有所增加。

為煤礦企業提供高技術含量、性能穩定、功能齊全、易操作的大功率輕便煤電鉆綜合保護裝置，有利于提高煤礦企業的技術裝備水平，有利于煤礦企業向現代化邁進。因此，將方案二確定為本文的研制方案。

2 智能型煤電鉆綜合保護裝置的設計

本文對全數字化智能型煤電鉆綜合保護裝置進行整體設計。要求的容量是6 kVA，3.0 kW以下各種功率的輕便鉆機都能使用[1]，控制范圍廣。綜合保護裝置能夠對煤電鉆的漏電、短路、過載、斷相等問題進行保護控制，并具有故障記憶查詢功能。智能型煤電鉆綜合保護裝置的整體結構如圖1所示。

圖1 智能型煤電鉆綜合保護裝置的整體結構

3 智能型煤電鉆綜合保護裝置的主要功能及技術指標

3.1 綜合保護裝置的主要功能

本設計實現的智能型煤電鉆綜合保護裝置要求完成的保護功能齊全，具體功能如下。

（1）采用單片機作為核心控制部件[2]，電路簡單、整機可靠性高、維修量小，控制保護距離可達0～300 m。

（2）額定電壓：660（380）/127 V（空載：133 V）。

（3）具有漏電保護和漏電閉鎖功能。當煤電鉆送電前，三相電纜中若有任何一相對地絕緣電阻下降至4 kΩ（±20%）時，煤電鉆綜合保護裝置實現漏電閉鎖，煤電鉆不能送電；煤電鉆送電運行后，當三相電纜中若有任何一相對地絕緣電阻下降至2 kΩ（±10%）時，漏電保護可靠動作，切斷電源實現保護。

（4）具有短路保護和短路閉鎖功能。在煤電鉆送電前，若煤電鉆負荷側發生兩相短路，綜合保護裝置能實現閉鎖，禁止煤電鉆送電運行；當煤電鉆送電運行后，若負荷側發生兩相短路，短路保護系統能在小于0.06 s內切斷電源。

（5）具有過載保護功能。在煤電鉆電鉆送電后，若煤電鉆工作實際電流超過額定值時，能夠在對設備造成損壞前切斷電源，并有指示燈指示故障。

（6）具有5次故障記憶查詢功能。

（7）要求智能型煤電鉆綜合裝置中的綜合保護器采用插件形式，便于更換。

3.2 綜合保護裝置的主要技術指標

設計完成的煤電鉆綜合保護裝置要求具有過載保護、斷相保護、漏電閉鎖、漏電保護、短路保護等功能[3]，而主要的技術指標如表1所示。

表1 綜合保護裝置技術指標表

4 結 論

為解決煤礦企業生產中出現的問題，經過大量的調查研究，本文設計研制容量6 kVA全數字化輕便鉆機綜合保護裝置，解決瓦斯抽放打孔的需求，并提升輕便鉆機綜合保護裝置的技術水平。

新裝置與原保護裝置相比，在性能上具有如下優點：

（1）新裝置能控制3.0 kW以下各種功率的輕便鉆機，控制范圍廣，而原來的裝置只能控制1臺1.5 kW或2臺1.2 kW的煤電鉆；

（2）新裝置的核心器件——智能保護器采用單片機控制技術，保護齊全，性能穩定；而原來裝置的保護插件則采用模擬電路，性能穩定性差；

（3）新裝置中智能保護器取代了原有裝置中的熱繼電器保護；

（4）新裝置中增加了故障記憶查詢功能；

（5）新裝置不再使用鐵芯電流互感器作為先導回路中的維持功能，而是采用鐵氧體磁芯電流互感器輕便鉆機工作時給出的維持信號，該互感器在電流達到某一值時飽和，輸出電壓不再上升，從而排除了由電流互感器及相關電路引起的故障；

（6）新裝置中漏電閉鎖與保護采用附加直流電源檢測的方法，與原有裝置中從三相電網取電壓信號方式相比，避免了由電壓波動時漏電保護與閉鎖功能的影響。

參考文獻：

[1] 劉俊卿.礦用電動機智能綜合保護裝置的設計[D].太原：中北大學，2006.

[2] 趙德奇.煤電鉆電動機綜合保護裝置的研制[J].山東煤炭科技，2005，（1）：53-54.

[3] 陸士民.煤電鉆綜合保護裝置的改進[J].煤炭技術，2008，27（5）：41-42.