西山煤礦官地礦綜采設備保護設計

侯 勇

(西山煤電(集團)有限責任公司安監局，山西 太原 030053)

33421工作面是官地礦中的一個重要工作面，使用的設備主要包括液壓支架、采煤機、刮板輸送機、轉載破碎機、皮帶順槽機、自動移尾機、頭部帶式輸送機等。本文主要針對該工作面的電氣設備的工作特性，設計相應的電氣保護，保證綜采設備可以在生產過程中穩定工作。

1 井下供電系統設計

1.1 供電系統擬定原則

33421綜采工作面設備、正巷皮帶及沿線絞車電源引自北大巷中央變電所。正常運行時，兩回線路分列運行。工作面由兩趟6kV高壓線路送至井下供電系統。供電系統的設計原則如下：

在保證供電系統安全穩定運行的前提下，將使用開關、電纜的數量降至最低。

在某一個生產環節中，使用獨立的變壓器，當綜采系統出現故障時，方便系統故障的排查，對單電源進線的采區變電所，當其變壓器不超過兩臺且無高壓饋出線時，通常可不設電源斷路器；而當其變壓器超過兩臺并有高壓饋出線時，則應設進線斷路器。采煤機是綜采設備的核心機械，為了保證其安全可靠的運行，采用兩個變壓器供電，當其中一臺變壓器出現故障時，另一回路線路可以正常工作，保證其不斷電。變壓器的運行方式選擇為分列運行方式，因為當采用并列運行時，線路對地電流的增加會對安全造成威脅。一個開關控制一個用電設備，針對大容量的用電機械，盡可能地將開關靠近用電器。

1.2 井下供電系統結構

官地礦的煤礦供電系統電源主要來自北大巷中央變電所，通過兩臺變壓器，實現對煤礦綜采工作面設備、正巷皮帶及沿線絞車的供電，高壓側的電壓等級為6kV。通過兩臺移動變壓器實現對采煤機、運輸機、轉載機、破碎機、乳化液泵的供電，兩臺變壓器的型號分別為：KBSGZY-3150/3.45（2#移動變電站）、KBSGZY-1250/1.2（1#移動變電站）。轉載機、破碎機、乳化液泵的電壓等級為1140V，可以由1#移動變電站供電；采煤機、運輸機的電壓等級為3300V，由2#移動變電站供電。正巷皮帶及沿線絞車由兩臺干式變壓器供電，兩臺干變位于北四區集中配電點。供電系統的結構示意圖如下圖1所示。

圖1 供電系統結構圖

1.3 短路保護設計

本文所設計的礦井低壓電網綜合保護系統的三相短路保護采取相敏保護原理。在礦井中，供電系統的運行方式為中性點絕緣運行方式，當電網中發生三相短路故障時，三相中的電壓電流大小相等，相位不同。相敏保護中的相位檢測電路設計如圖2所示，UBC'經過電壓互感器PT，轉變為低電壓信號，之后經過移相，可以得到B相的相電壓UB，通過波形轉換，得到周期為2П的正脈沖序列，B相的電流IB，經過電流互感器和電流電壓的轉換后，再進行波形變換，得到周期為2П的正脈沖序列。兩者經過比相后，可以得到周期為П，脈寬為相位差的脈沖序。

圖2 相位檢測硬件電路原理圖

針對礦井低壓電網中的不對稱故障，可以提取出電網中的負序電流。當系統中發生不對稱短路故障時，電路中的負序電流的幅值是正常電流幅值的倍。通過對負序電流值的判斷就可以實現對電路中不對稱短路故障的判斷，進而執行動作，切斷相關的斷路器。

2 采煤機保護設計

2.1 常見故障分析

采煤機電氣部件故障原因主要有短路或者斷路、絕緣下降、電器元器件損壞、接地或者回路內連接處的接觸不良甚至斷線脫焊等[1-3]。這些故障原因導致的故障主要有變頻器不啟動或運行報錯、截割電機不啟動或在運行時跳閘、傳輸機不啟動、采煤機啟動后自動掉電或者保護開關誤動作。按照電動機故障發生部位的不同，故障可以被分為定子故障、轉子故障及軸承故障。

2.2 基于Zigbee的采煤機保護流程

采煤機電機電氣數據獲取系統的軟件設計主要是對ZigBee組網、網關數據轉發以及上位機界面的程序設計，實現系統的數據采集、傳輸、顯示等功能。ZigBee是一種短距離低功耗的通訊協議技術，在無線數據傳輸中，具有可靠性強、抗干擾能力強的優點，在媒體訪問層上，IEEE802.15.4采用載波偵聽多點接入/沖突檢測(CSMA/CA)的策略，并且為需要固定帶寬的通信業務預留了專用時隙，有效地減少了數據的傳輸碰撞和重試發送[4-5]。

采集系統的主控芯片采用MSP430芯片，可以用IAR軟件進行編程，程序流程圖如圖3所示，ZigBee組網以后，通過協調器進行數據的收發，最終數據是通過GPRS數據傳輸上傳給上位機。

圖3 程序流程圖

2.3 GPRS數據發送模塊

W3100G-EC型GPRS無線數傳產品采用透明傳輸/協議傳輸的方式，給用戶提供高速、可靠的虛擬專用數據通道網絡。用戶無需知道復雜的GPRS通訊原理和TCP/UDP協議，不用更改程序即可實現原有串口設備的無線網絡連接，節省寶貴的時間和已有投資，可用于長距離通信或控制，透明通訊。支持設置模式和協議通訊模式動態切換。可以通過撥碼開關選擇RS-232或者RS-485通訊。

位于DTU后面板的天線接口，為SMA座（阻抗50Ω），用于連接天線，便于無線數據的收發。天線會提高信號發射強度，保證DTU的通信質量。

3 帶式輸送機保護設計

3.1 礦用皮帶保護總體設計

礦用皮帶保護設計的主要目的是實現數據采集和顯示，通過人機界面互動操作帶式輸送機的工作模式，本文設計的皮帶保護方案，利用Stm32單片機作為核心芯片，集成了傳感器模塊、人機接口模塊和輸出控制模塊、通信擴展模塊。系統的整體結構圖如圖4所示。控制箱的供電電壓為24V直流電壓供電，在控制箱的外圍搭載多個傳感器。針對煤礦井下的特殊環境，所有的元器件的防爆形式選擇為礦用隔爆兼本質安全型。當電器元件成為點燃源引起爆炸后產生的高溫高壓氣體，通過外殼的間隙減溫減壓排向外界，減溫減壓過的氣體不足以引起殼體外界的爆炸[6]。

圖4 帶式輸送機保護結構設計

3.2 跑偏保護設計

在官地礦的33421工作面，采用的帶式輸送機型號為SSJ-1200/2×315伸縮帶式輸送機，在皮帶的運輸過程中可能會出現跑偏。當運輸角度出現偏離，則可能會導致皮帶的異常工作。針對這種異常情況，設計了帶式輸送機的跑偏保護。

當跑偏開關的導桿偏離中心線30°±3°時，跑偏開關動作并輸入到控制箱一定的電信號，主機經延時實現主機跑偏故障報警并保護停車。當皮帶需要安裝多組跑偏開關時，跑偏開關并聯安裝并有相應的指示燈指示。其跑偏位置如圖5所示。

圖5 跑偏位置

4 結語

本文針對西山煤礦官地礦的煤礦綜采設備進行保護設計，設計33421工作面的供電結構和供電系統的擬定原則，設計供電系統的相關保護。結合Zigbee組網技術，設計采煤機的數據采集模塊，可以實現系統的數據采集、傳輸、顯示等功能，利用GPRS無線數傳產品進行數據的傳輸。利用Stm32單片機作為核心芯片，集成了傳感器模塊，包括堆煤傳感器、煙霧傳感器、速度傳感器、跑偏傳感器、撕帶傳感器、溫度傳感器、張力傳感器。重點介紹跑偏傳感器的工作原理與實現過程。