礦用掘進機專用綜合保護裝置的研究

翟博士

（山西焦煤霍州煤電集團晉北煤業公司，山西 忻州 035100）

引言

近些年，一些主要的產煤國在機械化開采不斷提高的情況下，加大開采工作面強度，隨著工作面開采速度的大幅提高，對掘進機性能要求也相應提高，然而電氣裝置的狀況直接影響和決定著掘進機的工作運轉，故此，開發和研究掘進機保護綜合裝置是保護掘進機的重要舉措[1]。

1 掘進機保護綜合裝置的一般保護方式

掘進機保護綜合裝置的主要保護對象是電動機，煤礦業常用的隔爆型異步三相電動機構成掘進機的電氣控制系統中重要部分，結合液壓控制系統可以完成整機作業。電動機作為掘進機電氣系統的主設備是否能夠正常運行，關系著掘進機的整體性能，需要加以重視，該系統不但可以保護電機，還有其他很多保護功能。掘進機故障及主要保護方式如下：

1）瓦斯的閉鎖自動保護：是指瓦斯的檢測結果顯示其含量到1%的時候報警，當含量達到1.5%的時候，保護綜合裝置利用程序斷停電源前級。

2）黏連自動保護：是指開機之前與停機之后，掘進機保護綜合裝置對真空觸接器的主觸點進行檢測，確定是否為斷開狀態[2]。

3）漏電自動閉鎖保護：是指掘進機的電氣裝置主電路對地單相絕緣型電阻值低于標準值（AC1140V 標準值是40 kΩ、AC660V 標準值是22 kΩ）時不可以啟動電機。

4）線路低壓的漏電自動保護：是指在AC120 V、AC24 V 和AC220 V 線路低壓時地單相絕緣性能下降至標準值（AC220 標準值是5 kΩ、AC120V 標準值是3 kΩ、AC24V 標準值是2 kΩ）時，系統開啟保護，顯示24 V 漏電、120 V 漏電、220 V 漏電。

5）電機的溫度自動保護：是指如果冷卻控制系統發生故障，或是環境的溫度特別高，油泵及截割機的線圈溫度高達155 ℃，此時，電機的定子線圈內的繼電器開啟動作，保護電機裝置根據程序對油泵進行控制或是截割停止電機運轉，待電機已經冷卻以后自動歸位。相對應的電阻熱敏的阻值是1.8～2 kΩ。

6）門閉鎖自動保護：煤炭開采掘進機設備的電氣裝置開關箱的左右門都設置有門閉鎖自動保護開關，確保門已關嚴之后再送電、開機，避免在井下進行違章式作業。

7）聯鎖自動保護：是指只有將掘進機上的油泵式電機啟動之后，才可以進行其他電機進行啟動，在啟動油泵式電機之后，“報警”即會被截割的電機啟動，警報聲響過5～10 s，截割的電機被啟動[3]。

8）對稱性故障的保護：所謂對稱性故障一般包括堵轉、對稱短路及過載，這些故障的主要原因是增強的電流引起了熱效應及機械性應力，讓線圈發熱，嚴重會造成設備損壞。

9）不對稱性故障的保護：造成電動機產生不對稱性故障的原因分別是匝間出現短路、斷相、運行不平衡、接地型短路、相間型短路等。這些不對稱性故障給電動機造成損害的不僅是增強的電流導致的發熱，還因為這些不對稱故障導致負序性效應使電動機危險運行。所以，電動機隱患問題早期發現對掘進機整機安全至關重要。

2 保護綜合裝置相關硬件的設計

掘進機保護綜合裝置所屬硬件部分就是讓整機實現各項功能的承載。要求硬件部分的設計簡單實用，確保工作運行的穩定可靠。該保護綜合裝置使用的是模塊化思維設計，其控制中心選用C8051F020單片式微型處理器，外圍裝置電路選取獨立模塊同控制中心相連，使各模塊功能得以實現。該保護綜合裝置選用CYGNAL 美國公司出產混合型信號ISPFLASH 微型C8051F020 控制器來作主CPU，管理模擬量信息采集及計算、判斷及保護、開關量輸進及輸出[4]。因為系統實時性要求較高，配置的功能也很多，為分擔其主CPU 處理量，加裝一塊8051，以實現CPU 人機的對話，鍵盤處理掃描、LCD 顯示、同主CPU的通迅等要求實時性不高的功能。如此即能滿足該裝置繼電性保護的可靠性、選擇性、速動性要求，又能實現系統實時進行測量的精準度。本論文在介紹系統硬件整體設計部分之前，要先對該裝置所屬的硬件系統基本原理進行了解，圖1 為硬件工作原理的總框圖。

圖1 保護綜合裝置的硬件工作原理的總框圖

硬件系統基本原理為：憑借電壓及電流互感器對電動機自身三相線電流及電壓進行實時的監督檢測；采用粘連性漏電監督檢測其電路、接觸性是否存在管漏電，觸頭是否存在粘連、電機是否絕緣等；采用低壓式漏電監督檢測電路、電鈴、照明燈等處是否存在漏電；采用瓦斯類斷電儀及甲烷類傳感器對井下瓦斯含量監督檢測，同時對電機的液位、溫度、位移、油溫等信息進行監測，把所有信息通過調理器轉換以后傳送到單片機轉換器A/D 模擬通道，采用相應運算法，運算得出信號數據，然后把所得信號數據同預先設置的整定值對比判斷，如果在時限內的采樣有效信息值都處于故障的設定范圍值內，就可判斷出現了故障，單片機C8051F020 則會生成故障信號，同時對電機采取斷電跳閘并報警，切斷所有電鈴及照明電源，完成電控整個系統的安全保護。如果沒有發生故障，系統會循環進行采樣和顯示、進行電壓存儲及電流顯示。全部信息都在計算機顯示屏上顯示，個別信息在操作箱上的液晶屏顯示[5]。

3 保護綜合裝置系統軟件的設計

保護綜合裝置系統軟件包括保護控制軟件、人機交互接口應用軟件構成。其中保護用模件選取8051F020型芯片設計，人機交互接口的模件選取8051型單片機，系統軟件選用的是A51 和C51 語言。

3.1 保護控制軟件的設計

保護控制軟件部分的構成主要包括主程序管理模塊、采樣中斷模塊、輸出繼電器模塊。系統通過所有模塊的有機結合，實現對模擬量信息采集、處理、換算及各項保護與輸出。

3.2 人機交互接口軟件設計

人機交互接口軟件部分主要負責完成鍵盤錄入、顯示器屏顯、上位機等通信任務，可以實現定值定整、故障排查、信息采樣、上位機的信息傳遞等項功能。

3.3 主程序的相關模塊

綜合保護裝置主程序應用模塊包括初始化數據模、循環自檢模塊、處理信息模塊、障礙處理及保護模塊構成。該裝置初始化分為：轉換器A/D 初始化、功能中斷初始化、所有標志位及內存數據初始化；其中自檢功能模塊完成的主要是硬件的功能自檢，涵蓋片內RAM 區的讀寫功能檢查，通過對開口下達跳閘斷電指令，對光耦的輸出回路反饋電平情況，完成開出的回路檢測。采集電壓及電流信號是在程序中斷的狀況下完成，對電動機進行絕緣及溫度的檢測是通過電壓及電流采樣數據運用溫升及阻值計算得出。采用各通道的數據采集，通過預設保護程序完成計算，在出現故障時系統會進入保護自動程序，在沒有出現故障時系統會自動進入循環保護檢測程序。

4 礦用專用保護綜合裝置電磁的兼容性

礦用綜合保護裝置由于系統電磁的環境比較復雜，內部及外部干擾都較多，要想保證裝置能夠可靠、穩定的運行，需要在設計系統時對其結構的構成、零部件的選用、裝配、工藝、外部的環境等各方面影響因素加以考慮。本論文在充分考慮各種因素后，對系統軟、硬件抗干擾功能設計做了著重介紹，實現降低和減少因不良環境影響到專用煤礦掘進機電機保護綜合裝置的正常生產和安全運行。

5 結語

由于掘進機專用保護綜合裝置采用了綜合集成設計，具有體積小、功耗低、操作簡單、使用方便、節約成本等特點，可實現對煤炭掘進機全方位、綜合性自動保護，有效保障了煤炭生產的安全穩定，其應用和發展前景廣闊。