礦用開關保護器維修技術研究

馬勇田

（山西新元煤炭有限責任公司， 山西 晉中 045400）

1 礦用開關保護損壞原因

通過對采礦行業的調研研究發現，礦用開關保護故障率居高不下的原因主要為：第一，采用的防爆類開關的型號不統一，由于保護器在惡劣的條件下工作，保護器極易損壞；第二，存儲的修理原件過少；第三，工作人員操作不當以及維修人員缺少維修經驗；第四，在夏季由于礦井下通風不暢導致溫度過高、潮濕以及粉塵瓦斯等聚集，容易引起各類開關的損壞；第五，由于保護器內部的電子設備受溫度、濕度、運輸振動、電磁輻射、工作環境的粉塵濃度等影響，容易導致電子元器件的溫度過高，使電路老化加快，從而造成元器損壞[1-2]。

2 礦用開關保護裝置技術發展趨勢

目前采礦類的開關保護技術發展大致經歷了四個時期。

第一個時期，我國國內采用的保護器大多為DW10 系列的保護器，它通過斷路或者熱繼電器裝置來進行保護。

第二時期源自20 世紀60 年代的運用數字模擬信號的電子式過電流保護器對內部電源及其他電子元件進行保護，當電流經過處理器后會與保護器中設定的參數進行對比。當電流流入到處理器后會經輸出端到短路、欠壓或過載處理模塊進行檢測。隨后經過處理后的信號進入邏輯電路并觸發執行元件進行脫扣操作，從而實現對保護器的保護。電子式保護器存在的問題較為普遍，大多數都是采集的樣本準確精度低，在高溫環境下不穩定易出現損壞，而且對粉塵、空氣濕度以及電磁場非常敏感導致保護器經常出現故障[3]。

第三代保護器采用微機原理技術，例如智能開關保護器中的移動變電站低壓側饋電開關以及礦用隔爆型真空饋電開關等，此類開關保護器大多由于使用的是單片機或者DSP 作為控制板，達到一定的智能化，此類保護器通常采用專業的軟件進行濾波、采樣、故障分析處理和非線性矯正。因此此類保護器件保護功能較為齊全，采樣的精準度高、信號整定的精確度及故障診斷功能相對較為完善，同時顯示器可以顯示工作的電壓電流以及故障信息，并且可以通過軟件對保護器的參數和功能進行設置。使用此系統可以通過RS485 等數據線實現與上位機通訊的功能，因此擁有遠程通訊的功能[4]。

第四代采用的保護器是目前正在用的也是現在研究的重點，此類保護器較早先的保護器有著更為先進的智能控制和通訊特點，通常采用的技術路線為CAN、MODBUS 以及Profibus 等技術路線。該保護器單元結合模塊化的理念，在數據傳輸方面非常方便，可以支持各種網絡環境比如以太網、環網等網絡對數據進行傳輸，而且還支持TCP/IP 等通信協議。與此同時，該操作環境可以在很多系統中流暢運行，例如WIN7 或者Lunix 等系統，并且此系統的仿真功能強大，支持MATLAB 或者PROTEUS 等仿真軟件，運用此類交換機可實現采礦機械的集中統一運行。現代智能礦用保護器相對早先的控制器有著更為精確的保護功能和精準的仿真測試，使在工程中出現的問題處理更加的智能化、簡潔化。下頁圖1 給出此類某種煤礦用智能開關嵌入式保護網絡結構圖。

3 礦用饋電開關微機保護器關鍵技術

圖1 第四代智能開關保護器網絡框架圖

圖2 礦用低壓饋電保護器網絡結構圖

如下頁圖2 所示，礦用低壓饋電保護器主要結構是由采集結構、光電隔離結構、模擬電路開關結構A/D 轉換器、CPU、液晶屏以及報警器和通訊結構等結構構成。在井下作業時若供電系統出現過載、低壓、漏電等故障，此保護器可提供實時保護。保護器電路主要是將電流或電壓信號傳輸到保護電路中，然后檢測模塊對傳輸信號進行處理后輸出到CPU芯片中，經過處理后的信號會通過控制板控制電路動作。同時把處理完成的信號經過一系列操作顯示到屏幕上或報警器中，通過屏幕所顯示的數據確定是否發出警告信號或者執行停機操作。當保護器運行后會記錄故障并對機器進行自鎖，避免機器在有故障的狀態下進行重啟操作。當故障被修復后可人工進行解除自鎖操作并對保護器進行自檢，保障采礦機的正常運行，并將故障信號實時傳輸到上位機。

3.1 信號采集電路

針對回路中有可能存在的故障判斷可對低壓電網中的電壓（0～1 V）、電流（0～200 mA）、短路電流等模擬信號進行采集判斷其是否出現故障。如圖3 所示的信號為采集電路圖。

3.2 信號調理電路

通過A/D 轉換器將采集的模擬信號轉化為0～5 V的電壓信號，然后通過濾波處理后再次進行放大傳輸到CPU 芯片中，并對放大信號進行最終的處理。

假定計算電壓小于額定電壓的0.75 倍，在顯示屏上會顯示低壓故障；假定三相交流電大于額定電流的8 倍以上，此時會在顯示屏上顯示短路故障，處理器會在極短的時間內迅速自動斷開控制器的電源；如果電流任何一相大于1.2 倍以上并小于8倍以下時系統會限制電路，并在顯示屏上顯示過載故障。

圖3 信號采集電路

3.3 液晶顯示與接口電路

如圖4 所示的系統接口電路為AT89C52 及TC1602EL 液晶模塊接線的示意圖。所使用的液晶顯示模塊具有低功耗、顯示清晰，與人機交互界面操作簡便等優點。

圖4 顯示接口與驅動電路

控制芯片中的P0.0～P0.7 分別與TC1602EL 中的DO-D7 相連接，而圖中的P2.2 和P2.3 以及P2.4的引腳分別與端口RS，RW，E 相連接。

3.4 驅動輸出電路

下頁圖5 為驅動電路，若饋電回路系統出現故障，例如短路、斷路、低壓、失壓、漏電等現象時，輸出電路會根據早先設定的參數，同時CPU 會根據不同的故障輸出不同的指令到P2.5 端口，將高電平轉換為低電平，此時中間繼電器中的輔助電源節點將會被驅動裝置啟動進而切斷存在故障的電源。由于采礦類行業井下的機械設備較多，而保護器多為電子設備易受高壓輸電線所產生的磁場干擾。因此需要在保護器中加入光電隔離設備以此來增加設備的穩定性和安全性。

圖5 驅動電路

4 饋電開關軟件應用及仿真技術

微機式保護器在啟動時首先會對CPU 芯片內部的寄存器、定時模塊、RAM、和外部擴展模塊進行初始化，并為上述模塊提空內存空間。然后對串行通信接口進行參數設置。通常作用于CPU 芯片的串行口波特率，一般通過定時器T1 進行設置；選擇定時器的第二種模式T2，并對波特率進行參數設置，一般將波特率初始化為96 000 bits/s，SMOD 的值設置為1，初始化值為OFDH。

在對保護器進行設計與維修時，經常需要對系統進行仿真。本文采用的程序較為靈活簡潔并且有著高效的編程效率，異步電機負責驅動，變壓器負責改變電壓，示波器負責將電流和電壓進行仿真輸出以及變量參數的存儲，可直接調用MATLAB 中的函數等對示波器中的電流和電壓等電信號進行顯示，并進行仿真。

5 維修試驗與測試

維修保護器完后，需要對保護器的性能進行測試，判斷保護器是否維修成功，并對開關保護器斷開和閉合前后的實驗數據進行比對。控制系統中的最小控制系統經過一系列操作會將處理后的結果顯示到顯示屏，如圖6 所示。

圖6 保護器維修后測試

根據測試的結果，如若在顯示屏上顯示“漏電閉鎖完成”則為維修成功，如若顯示“漏電閉鎖錯誤”，則需要進一步對保護電路的軟硬件進行分析，找出故障原因并維修，再進行測試。

6 結論

隨著機器學習技術的不斷發展，芯片技術和礦用保護器會更加智能化，通訊和檢測會更加簡便，報警和控制以及自檢功能會越來越完善。為了節省采礦成本，積極開展對礦業保護器的研究，設計、維修零件的加工再生產，運用仿真技術解決諸多維修問題，以進一步降低生產成本，提高效率。