長距離輸送機保護開關監測與定位系統設計

李建志

（山西汾西礦業集團柳灣煤礦， 山西 孝義 032300）

引言

傳統的保護開關監測與定位方法對保護開關以及保護開關的工作環境都有較高的要求。目前，長距離輸送機的保護開關的工作環境比較惡劣，使保護開關很容易出現故障，增加了保護開關的更換與維修的頻率，同時也降低了保護開關對輸送系統的監測與保護[1-3]。本文采用了一種使用簡單、耐用、低成本的開關作為保護開關來解決這一問題，并對保護開關進行監測與定位硬件設計[4]。

1 保護開關監測與定位系統的基本組成

保護開關監測與定位系統主要是由控制器、保護開關電路、通訊電路以及相應檢測傳感器電路組成。控制器是系統的核心，它通過電流傳感器和電壓傳感器實時監測并保存保護開關電路的電壓和電流數據，通過檢測到的電流數據并根據相應的控制算法得出為保持保護開關電路恒流所需的占空比，在恒流完成的條件下，根據反饋回來的電壓數據來確定是否有保護開關的狀態發生改變即確定輸送機系統是否有故障發生，并把相應的故障警報通過通訊電路發送到輸送系統的控制中心[5-7]。與此同時控制器根據相應的公式計算出狀態發生改變的保護開關序列號即確定了發生故障位置。功率開關器件控制著整個電路的開通與關斷，使得單片機可以通過它完成對主電路的控制。LED顯示和鍵盤控制實現了人機交流。通訊模塊滿足了保護開關監測與定位裝置與其他設備的通信。整個系統的結構組成如圖1所示。

2 保護開關監測與定位系統功能及原理

圖1 輸送機保護開關監測與定位系統的整體結構圖

保護開關監測與定位系統的主要任務有兩個，一是監測功能。當輸送機開始工作的時候，實時監測著輸送系統的所有保護開關，主要涉及到的有拉繩、跑偏、撕裂、料流等保護開關。當監測到某個保護開關的狀態發生了改變時說明某個部位發生了故障，控制中心做出相應的反映，用以確保沿線工作人員的人身安全和生產線的安全生產。二是定位功能。由于大部分長距離輸送機都工作在隧道、礦井等沒有通訊能力的地方，所以準確定位事故發生地尤為重要。在確定故障發生的同時，保護開關監測與定位裝置會立刻通過設定好的方法計算出故障發生的位置定位出故障發生處，并通過通訊總線將發生故障的位置發送給輸送系統的控制中心。

3 保護開關監測與定位的方法

下面將通過基于恒流源的長距離輸送機保護開關監測與定位的等效電路圖（如圖2所示），詳細地闡述保護開關監測與定位的方法。

圖2 基于恒流源的長距離輸送機保護開關監測與定位的等效電路圖

DC為直流電源，r為標準電阻，△r為每兩個保護開關之間導線的電阻，I0為保護開關監測定位裝置給外部保護開關電路提供的直流恒流源，U為外部保護開關電路的總電壓。k1、k2、k3、…、k11均為普通的開關，它和一個標準電阻r構成一個保護開關。

3.1 保護開關監測的方法

當輸送系統開始工作后，在沒有故障發生位置的保護開關保持常開的狀態，如果某個位置發生故

式中：m為狀態發生改變的保護開關的序號；P為保護開關的總數目；Δr為兩個保護開關之間的導線的電阻。

無論是否有故障發生，保護開關回路中的電流都為I0，那么此時開關監測定位裝置內電壓傳感器監測的電壓U1為：

在公式（2）中，I0為設定的恒定值，所以U1的取值決定于Rm。保護開關監測裝置是根據監測到的電壓U1來判斷輸送機系統是否有故障發生，根據公式（1）和（2）可知，U1的值取決于保護開關回路中的總電阻值Rm的取值。所以當故障發生后，開關監測定位裝置所監測到的電壓與沒有發生故障時是不同的（超出由誤差引起的電壓波動范圍），裝置根據電壓的變化情況向輸送系統的控制端發送故障信號，然后控制輸送機急停并等待故障處理。

3.2 保護開關定位的方法

假設狀態發生改變的保護開關的序號為K，K的計算公式為：障，那么該位置的保護開關的狀態由斷開變為閉合，這將導致保護開關電路所串聯的保護開關數目發生改變，保護開關電路的總阻值發生改變。設整個保護開關回路中串聯的電阻的阻值Rm，保護開關回路中的阻值Rm分為兩種情況。一種是沒有故障發生即沒有保護開關的狀態發生改變，此時保護開關回路阻值為所有標準電阻與導線電阻的和；第二種為故障發生時即有保護開關的狀態由斷開變為了閉合，此時保護開關回路阻值為狀態發生改變的保護開關到開關監測定位裝置之間所有標準電阻和導線電阻的和。由此可知，Rm的表達式為：

式中，I1為保護開關監測定位裝置內的電流傳感器檢測到得電流值；U1為電壓傳感器檢測到的電壓值；R為每個保護開關所等效的電阻值。

R的表達式為：

式中，r為每個保護開關中的標準電阻。假設每個保護開關的等效電阻為開關所帶的標準電阻r與每兩個保護開關之間來回導線阻2Δr之和。

雖然U1是通過開關監測定位裝置內的電壓傳感器測量出來的值，但是它的值是由外部保護開關電路的現在的阻值和電流決定的。

U1的表達式為：

式中，a為保護開關的電阻誤差值。在這里考慮的是總電阻的正、負誤差，也就是誤差的最大范圍。序號最后需要取整數。

由上述方法可知，當某個保護開關的狀態發生了改變，可通過公式（7）計算出狀態發生改變的保護開關的序號，也就定位了故障發生地。

4 仿真分析

通過公式（7）可知，能否準確地定位狀態發生改變的保護開關的位置的準確度取決于設定串聯電阻的誤差值a和回路中電阻的個數n。

本文的仿真中所選取的參數有：r=100 Ω，Δr=0.576 Ω，n=1，2，3，…，70。標準電阻的誤差a取值范圍為1、3、5。下面通過不同誤差值a，來觀察計算結果和真實結果的誤差情況，選擇誤差值最合適的標準電阻。不同的誤差值計算結果和真實結果對比如下面的圖3—圖5所示。

圖3—圖5中k1線為負誤差（所有的標準電阻阻值為r（1-0.01a））時，通過保護開關定位方法計算得出的結果。k2線為正誤差（所有的標準電阻阻值為r（1+0.01a））時，通過保護開關定位方法計算得出的結果。在不同的真實故障發生處與誤差值a的情況下，保護開關定位方法計算得出保護開關序號正、負誤差絕對值越大，證明定位越不準確；越小則證明定位越準確。

式中，R1為外部保護開關電路總阻值的實際值，R1的表達式為：

式中：r1是每個保護開關中的電阻的實際值，r1=（1±0.01a）r。n為保護開關回路中實際串聯電阻的個數，就是狀態發生改變的保護開關的實際序號，也代表故障發生的地址。

通過公式（3）（4）（5）（6）可知狀態發生改變的保護開關的序號K的最終計算公式為：

圖3 a=l時的結果對比

圖4 a=3時的結果對比

圖5 a=5時的結果對比

如上頁圖3所示，當標準電阻誤差值a=l，發生故障處的保護開關序號為m=70。負誤差情況下計算得出保護開關的序號為k1=69，正誤差情況下計算得出保護開關的序號為k2=71。在這種情況下維修人員最多需要檢測3個保護開關就能夠找到故障發生的具體位置，故障范圍縮小。由此可知，標準電阻誤差值為1的情況下就可以滿足工程的需求。

如圖5所示，當標準電阻誤差值a=5，發生故障處的保護開關序號為m=70。負誤差情況下計算得出保護開關的序號為kl=66，正誤差情況下計算得出保護開關的序號為k2=74。在這種情況下維修人員最多需要檢測9個保護開關才能找到故障發生的具體位置，以每兩個保護開關間距為60 m來計算，維修人員就要檢查540 m的距離，造成大量的人力和時間的浪費。由此可知，標準電阻誤差值在大于等于5的情況下是滿足不了工程需求。

5 結論

1）在不同的真實故障發生處以及在誤差值a的情況下，保護開關定位方法計算得出保護開關序號正、負誤差的絕對值越大，證明定位越不準確；開關序號正、負誤差絕對值越小則證明定位越準確。

2）標準電阻誤差值為1的情況下就可以準確地定位故障發生地址。