具有自診斷功能的礦用斷電器設(shè)計(jì)

黃 春

（中煤科工集團(tuán)重慶研究院有限公司，重慶 400039）

饋電傳感器主要用于煤礦井下饋電狀態(tài)檢測(cè)，判斷隔爆開關(guān)是否可靠斷電，饋電傳感器的運(yùn)行可靠性直接關(guān)系安全監(jiān)控系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性，是保障瓦斯礦井安全生產(chǎn)的重要環(huán)節(jié)[1-2]。

煤礦井下饋電狀態(tài)檢測(cè)技術(shù)主要有3 種：接觸式饋電、感應(yīng)式饋電和觸點(diǎn)檢測(cè)饋電。接觸式饋電直接感知隔爆開關(guān)負(fù)荷側(cè)線纜電壓變化，即在電氣上將傳感器與被控開關(guān)負(fù)荷側(cè)線纜直接聯(lián)接，實(shí)現(xiàn)饋電狀態(tài)檢測(cè)[3]，該饋電技術(shù)原理簡(jiǎn)單，井下已廣泛應(yīng)用，目前只能實(shí)現(xiàn)1 140 VAC 及以下電壓等級(jí)饋電狀態(tài)檢測(cè)，隨著饋電電壓等級(jí)升高，勢(shì)必增大傳感器體積以提高傳感器的絕緣強(qiáng)度，傳感器的安裝維護(hù)將會(huì)極其復(fù)雜，同時(shí)還可能存在不安全因素。電場(chǎng)感應(yīng)式饋電[4-7]針對(duì)3 300 VAC 及以上電壓等級(jí)設(shè)計(jì)，傳感器將探頭插入負(fù)荷側(cè)線纜接線腔，感應(yīng)腔內(nèi)電場(chǎng)變化識(shí)別負(fù)荷線纜的饋電狀態(tài)。觸點(diǎn)檢測(cè)饋電感知井下開關(guān)輔助觸點(diǎn)狀態(tài)變化，實(shí)現(xiàn)隔爆開關(guān)負(fù)荷側(cè)線纜饋電狀態(tài)檢測(cè)[8-10]，該方式可應(yīng)用到煤礦井下所有電壓等級(jí)饋電狀態(tài)檢測(cè)，但該方式接線錯(cuò)誤可能導(dǎo)致安全風(fēng)險(xiǎn)，如果將斷電儀斷電輸出觸點(diǎn)與自身觸點(diǎn)饋電接口直接連接，系統(tǒng)將無(wú)法正確感知斷電指令是否執(zhí)行。因此，開發(fā)具有自診斷功能的觸點(diǎn)檢測(cè)饋電斷電器，實(shí)時(shí)感知斷電儀是否正確接入被控設(shè)備，對(duì)于提高觸點(diǎn)檢測(cè)饋電斷電器可靠性，提升煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)智能化水平，保障煤礦安全生產(chǎn)，具有重要意義。

1 觸點(diǎn)檢測(cè)饋電斷電器工況

1）觸點(diǎn)檢測(cè)饋電斷電器工作原理。觸點(diǎn)檢測(cè)饋電斷電器利用繼電器的無(wú)源觸點(diǎn)控制隔爆開關(guān)的脫扣線圈，隔爆開關(guān)執(zhí)行脫扣動(dòng)作實(shí)現(xiàn)斷電操作；斷電器檢測(cè)防爆開關(guān)的無(wú)源輔助觸點(diǎn)狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)隔爆開關(guān)負(fù)荷側(cè)線纜饋電狀態(tài)檢測(cè)。觸點(diǎn)檢測(cè)饋電斷電器工作原理框圖如圖1。

圖1 觸點(diǎn)檢測(cè)饋電斷電器原理框圖Fig.1 Principle block diagram of contact detection feed breaker

2）問題分析。觸點(diǎn)檢測(cè)饋電斷電器饋電輸入對(duì)象是防爆開關(guān)的無(wú)源觸點(diǎn)，斷電器自身的斷電輸出也是無(wú)源觸點(diǎn)，如果將斷電器自身的斷電輸出作為斷電器的饋電輸入，斷電器將與被控對(duì)象防爆開關(guān)脫離。安全監(jiān)控系統(tǒng)仍可展示斷電器實(shí)時(shí)工作狀態(tài)，給監(jiān)察監(jiān)管人員帶來斷電動(dòng)作執(zhí)行假象，存在安全風(fēng)險(xiǎn)。觸點(diǎn)檢測(cè)饋電斷電器脫離被控對(duì)象工作框圖如圖2。

圖2 觸點(diǎn)檢測(cè)饋電斷電器脫離被控對(duì)象工作框圖Fig.2 Principle block diagram of contact detection feed breaker separating from controlled object

3）自診斷功能需求。針對(duì)觸點(diǎn)檢測(cè)饋電斷電器接線錯(cuò)誤，導(dǎo)致煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)無(wú)法準(zhǔn)確感知被控對(duì)象的斷電狀態(tài)問題。亟需研發(fā)具有自診斷功能的觸點(diǎn)檢測(cè)饋電斷電器，實(shí)時(shí)檢測(cè)饋電線路接線準(zhǔn)確性，提升饋電檢測(cè)可信度。

2 自診斷功能電路

2.1 自診斷功能電路原理

針對(duì)觸點(diǎn)檢測(cè)饋電斷電器斷電輸出為無(wú)源觸點(diǎn)，引入固定頻率直流脈沖信號(hào)，加載至斷電器斷電輸出無(wú)源觸點(diǎn)，當(dāng)斷電器饋電狀態(tài)檢測(cè)電路檢測(cè)到固定頻率直流脈沖信號(hào)，則判斷饋電斷電器接線錯(cuò)誤。自診斷電路原理框圖如圖3。

圖3 自診斷電路原理框圖Fig.3 Principle block diagram of self-diagnosis circuit

2.2 固頻直流脈沖信號(hào)發(fā)生器

固定頻率脈沖發(fā)生器電路原理圖如圖4。

圖4 固定頻率脈沖發(fā)生器電路原理圖Fig.4 Circuit schematic diagram of fixed frequency pulse generator

固定頻率脈沖發(fā)生器電路主要由微控制單元（MCU）、光耦、隔離電源模塊、金屬-氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管（MOS 管）等組成。MCU 產(chǎn)生固定頻率脈沖信號(hào)，經(jīng)MOS 管Q1驅(qū)動(dòng)光耦U1，光耦驅(qū)動(dòng)Q3，實(shí)現(xiàn)固定頻率脈沖信號(hào)的驅(qū)動(dòng)輸出；R1起限流目的，避免MOS 管Q3漏極直接接地導(dǎo)致隔離電源模塊DC1燒毀；隔離電源模塊DC1和光耦U1形成隔離屏障，實(shí)現(xiàn)固定頻率脈沖信號(hào)由本安側(cè)至非本安側(cè)的隔離轉(zhuǎn)換。

2.3 觸點(diǎn)脈沖融合信號(hào)檢測(cè)電路

觸點(diǎn)脈沖融合信號(hào)檢測(cè)電路原理如圖5。

圖5 觸點(diǎn)脈沖融合信號(hào)檢測(cè)電路原理圖Fig.5 Schematic diagram of contact pulse fusion signal detection circuit

觸點(diǎn)脈沖融合信號(hào)檢測(cè)電路主要由微控制單元、光耦、MOS 管、二極管、電阻等構(gòu)成，主要實(shí)現(xiàn)觸點(diǎn)饋電信號(hào)檢測(cè)及固定頻率脈沖信號(hào)檢測(cè)功能。無(wú)源觸點(diǎn)饋電檢測(cè)過程，MCU 供電控制口輸出低電平，開通光耦U1、驅(qū)動(dòng)MOS 管Q1，接通隔離電源ISO-VCC，MCU 將通過饋電檢測(cè)口檢測(cè)到觸點(diǎn)饋電接點(diǎn)的閉合或斷開狀態(tài)。固定頻率脈沖信號(hào)檢測(cè)過程，MCU 供電控制口通過光耦U1、驅(qū)動(dòng)MOS 管Q1，斷開隔離電源ISO-VCC，MCU 將在繼電器閉合狀態(tài)，通過饋電檢測(cè)口檢測(cè)是否存在固定頻率脈沖信號(hào)。

3 自診斷斷電器程序

3.1 饋電斷電檢測(cè)

饋電斷電檢測(cè)流程如圖6。

圖6 饋電斷電檢測(cè)流程Fig.6 Feeder & breaker detection flow

觸點(diǎn)檢測(cè)饋電斷電器上電啟動(dòng)后，執(zhí)行開機(jī)閉鎖延時(shí)，斷電器輸出斷電狀態(tài)。延時(shí)結(jié)束若無(wú)斷電器斷電指令，執(zhí)行復(fù)電操作，判斷繼電器工作狀態(tài)，閉合狀態(tài)，啟動(dòng)接線狀態(tài)自診斷，診斷完成進(jìn)入饋電狀態(tài)檢測(cè)，斷開狀態(tài)，直接進(jìn)入饋電狀態(tài)檢測(cè)。

3.2 接線狀態(tài)自診斷

接線狀態(tài)自診斷流程如圖7。

圖7 接線狀態(tài)自診斷流程Fig.7 Wiring state self-diagnosis flow

當(dāng)繼電器工作在閉合狀態(tài)，啟動(dòng)固頻直流脈沖信號(hào)發(fā)生器，MCU 檢測(cè)饋電檢測(cè)口是否存在固定頻率脈沖，有固定頻率脈沖則判斷斷電器輸出接線錯(cuò)誤，反之則接線正常，檢測(cè)完畢關(guān)閉固頻直流脈沖信號(hào)發(fā)生器。

4 結(jié) 語(yǔ)

介紹了煤礦井下饋電檢測(cè)技術(shù)，重點(diǎn)分析觸點(diǎn)檢測(cè)饋電斷電器工作原理，接線錯(cuò)誤可能導(dǎo)致的安全風(fēng)險(xiǎn)問題。針對(duì)該問題，引入固定頻率直流脈沖信號(hào)，加載至斷電器斷電輸出無(wú)源觸點(diǎn)，當(dāng)斷電器饋電狀態(tài)檢測(cè)電路檢測(cè)到固定頻率直流脈沖信號(hào)，則判斷斷電器接線錯(cuò)誤，實(shí)現(xiàn)斷電器錯(cuò)誤接線自診斷。自診斷電路可有效識(shí)別斷電器接線錯(cuò)誤，保證饋電信號(hào)準(zhǔn)確可信。