高壓防爆開關控制器的缺陷分析及改進措施

丁忠彥

(河南平煤神馬電氣股份有限公司，河南 平頂山 467000)

0 引言

高壓防爆開關在煤礦行業中屬于常用的電氣設備，能夠有效地保護井下電氣設備的安全。而在高壓防爆開關中控制器是核心，隨著科技的不斷進步，控制器的功能越來越多。由于控制器更新比較快，使得廠家在質檢過程中沒有對其進行充分檢測，導致一些控制器不合格，因此煤礦電氣故障中控制器事故率比較高，表現為控制故障或者功能不全等，給煤礦開采帶來極大的安全隱患。

1 問題概況

調研某礦，其設計年生產量350萬t/年，屬于大型煤礦的范疇。其中井下使用的高壓防爆開關總數量達到1 500部，通過統計發現，高壓防爆開關控制器維修費用可以達到20萬元，同時由于控制問題導致損失的工作時間為50 h/年。此外，由于公司采購的控制器并不是同一家供應商，即使同一批的高壓防爆開關控制器內元件也存在一定的差異性，因此大量的高壓防爆開關未被使用就已經廢棄，給公司帶來極大的資源浪費。

2 傳統控制器存在的缺陷

在對不同煤礦選用的高壓防爆開關控制器進行調查時發現，傳統的控制器存在如下幾個缺點。

1)依據《煤礦安全規程》發現，煤礦井下設置的高壓防爆控制開關必須能夠應對短路以及過載的現象。而現行的控制器選用瞬時性的速斷失壓脫扣器，往往出現錯誤的動作。

2)在控制器的電源中未設置相應的諧波設計，從而不能對高壓系統中出現的濾波進行相應的控制。在井下使用的過程中，往往出現濾波的原因導致電源電路以及模擬信號處理電路被擊穿的現象。

3)在控制器設置的單片機中，未進行諧波設計。假如電路中出現過大的濾波時，那么單片機將會因為濾波發出錯誤的指令。其主要表現為在顯示器中出現亂碼，這樣將誤導維修人，以為顯示器出現了問題，進而更換顯示器，從而導致不必要的經濟損失。

4)通過分析《煤礦安全規程》可以發現，當井下再次出現短路時，高壓控制器必須在0.001s內實現短路保護。控制器單片機中只能同時識別一個信號，可是在實際工況情況下，往往出現多個信號。

5)由于每一個公司的控制器的接口以及通信協議不同，同時即便是型號相同的控制器內部元件也存在差異性，因此維修人員在進行維修的過程中往往會由于型號以及內部元的不同，而更換元件，這樣不僅會增加維修時間，還會帶來不必要的經濟損失。

3 控制器的優化

1)改造欠電壓脫扣線圈。通常，在失壓線圈對應的回路中設置儲能電容，可以有效延遲欠壓脫扣時間，進而避免由于電壓波動出現誤動作。

可以使用直流欠電壓脫扣電磁鐵替換傳統的交流欠壓脫扣電磁鐵，同時設置電阻以及儲能器，這樣能夠起到時間延遲的作用。經過優化設計的電路，當電壓低于額定電壓的35%時，可以實現穩定脫扣；當電壓超過額定電壓的80%時，可以實現穩定的吸合鐵芯。

當電路電壓處于正常的狀態時，電流依次通過整流器以及電阻，同時設置的電容處于充電狀態，欠電壓脫扣線圈的電壓與額定電壓相近，則鐵芯處于吸合狀態。假如電路中的電壓出現大幅度的壓降，電容開始放電，同時電流依次通過電阻，以及對應的欠電壓脫扣線圈的電壓和額定電壓近，使得欠電壓脫扣線圈實現放電。而相應的欠電壓脫扣線圈放電時間與欠電壓以及相應的電阻與電容量有直接的關系。

2)改造控制器電源的電路。通常在應對供電系統電壓波動形成的濾波時，可以選用合適的控制器電源電流濾波元件，為此，對電源控制電路進行優化顯得非常重要。一般需要在原電原電路中設置如下幾個電路元件：①電阻。②濾波器。③整流橋和濾波電容。④輸入/輸出緩沖等，這樣能夠把高壓變頻器的交流電轉化成為直流高壓。

3)轉化信號傳輸方式。通常情況下，電信號往往受到濾波的影響，而相應的光信號沒有此方面的限制。為此需要在輸入以及相應的輸入端設置一個光電發生器與接收器，皆可實現信號轉換，這樣能夠進行輸入與輸出的隔離。以往所使用的防爆開關欠電保護設備會發生一系列影響電路的連鎖反應，使電路出現斷電問題。因此，改良就是根據以往發生反應的機理來調節斷電形式，使供電系統不會因短期斷電或電壓發生改變而觸發斷電開關。

4)采用雙線程CPU。現在，由于控制器采用CPU實現信息的傳輸比較慢，與此同時僅僅能夠同時處理一個信號。筆者采用DSP TMS320VC5402作為控制單元，實現信號的處理。同時采用CPLD XC95144XL實現邏輯控制。這樣能夠同時處理多個信號，因此能夠有效避免外部信號的影響，也可以有效避免因信號堆積而出現電路延遲的現象。

5)對控制器內的接口以及通信協議進行統一化處理，在選用電器元件時，統一使用電氣防爆協會批準的控制器，包括：①各接口的硬件結構。②信號的接入以及輸出位置。③配套電源等。對于控制器內部的元件都選用1ZS-485串行總線標準。這樣可以構建完善的井下供電遠程控制網絡，從而使得相關人員能夠在地面進行控制，對各個電氣的工作過程以及出現的問題進行及時監控，并且能夠采集各個環節的數據，進行風險評估。當系統出現故障之后，可以立即發現故障位置，并對其進行及時的維護，極大地提高工作效率。

4 現場應用

經過優化設計的高壓防爆開關控制器在出廠之前，生產廠商的技術人員對其進行實驗，模擬煤礦井下的工況環境對其相關參數進行檢測，如下所示：①當控制器處于失電壓2 s內，能夠使得欠電壓脫扣線圈鐵芯吸合。②對于控制器而言，其對電路出現故障時的處理時間可以達到0.005 s的水平，能夠滿足相關規定。③通常控制信號不會因為電壓諧波而出現誤動作的現象。使用優化的控制器之后，2019年4—10月，僅僅出現1起由于防爆開關控制器的故障，經過維修人員調查發現，故障是由于安裝控制器固定，相關工作人員在工作時觸動，致使控制器失效。由工程實踐發現經過優化之后的防爆開關控制器具有可靠的控制效果。

5 結語

經過對防爆開關控制器進行相應的優化設計，諸如欠電壓脫扣線圈、控制器電源的電路以及相應的轉換信號傳輸方式等，同時構建RS-485串行總線標準對其進行專業的測試。在工程實踐的過程中發現，經過優化設計的控制器具有穩定的功能，可以為井下電氣控制提供良好的安全保障，同時能夠有效降低維修人員的勞動強度以及維修費用。