现代矿井防爆组合开关的模块化设计

刘向明

国家能源集团神东煤炭公司设备维修中心内蒙古鄂尔多斯017200

摘要：我国经济建设的快速发展带动我国各行业发展迅速。防爆组合开关广泛应用于煤矿的井下控制。在原来防爆开关的基础上，通过PLC强大的功能，将开关的短路、过负荷、断相、漏电闭锁保护、过电压、欠电压保护、通讯等功能进行有效的模块化，通过PLC预先设定的程序对井下的各种用电设备进行控制，通过对不同功能的保护系统进行模块化设计，可使防爆组合开关功能强、重量轻，大大提高防爆开关的可靠性和安全性，有效防止意外事故的发生，实现安全生产。

关键词：现代矿井防爆组合开关；模块化设计

引言

煤工程的快速发展为我国经济建设奠定了非常坚实的基础。随着煤矿类企业的飞速发展，矿井在规模方面也逐渐地变大，矿井的生产运行环境方面也显得更为复杂。由于在矿井综采方面，其所主要应用的6千伏电源，大多由煤矿采区的变电所以及中央变电所等直接提供。但是，鉴于综采区的工作环境通常较为恶劣，则高压电缆在使用中，常常被来回拖拽也是正常现象，一旦在不经意间受到损害，就很有可能导致电缆的绝缘被击穿，从而最终形成短路现象。

1数据处理单元

用S7-200作为数据处理中心，因它本身即系模块化结构，由CPU、DI、DO、AI、AO和通讯等模块构成，它们按系统功能要求，由不同的数量的各类模块安装在35㎜导轨上而组成数据处理单元。由于PLC是专门为工业环境下应用而设计的要求，PLC在软、硬件上采取了一系列的抗干扰措施。目前PLC产品已系列化、模块化，有各种硬件供用户选用，可以组成满足各种要求的控制系统，而用户不必自己设计和制作硬件，只需要根据用电系统的要求进行编程设计，就能有效地对输入信号进行有效处理，并输出动作指令，这样它就具有了良好的通用性。

2矿井防爆泵的结构数值优化设计仿真及分析

叶轮和蜗壳中的液体流动基于雷诺平均N-S方程进行模拟，K-§模型，有限体积法和结构化网格。六面体结构化网格被选为水网格化叶轮和蜗壳，同时GGI拼接网格技术用于叶轮和蜗壳之间。对于给定负载下的强度分析，最为有效的方法是有限元方法。有限元方法首先需要确定刚度矩阵和每个单元的质量矩阵，然后重新连接每个单元与原来的结构，使之变成一个整体的有限元方程，使用动态平衡条件和边界条件包括结构质量矩阵、结构阻尼矩阵、结构刚度矩阵、离心式力载荷矢量、等效节点在结构表面上载荷向量、等效的节点初始结构力引起的载荷矢量、节点集中力量矢量等参数。通过Pro/E软件制作蜗壳的三维模型，并且该三维模型通过使用四面体网格进行网格划分。蜗壳的选择材料是QT600-3，其弹性模量为150GPa，泊松比为0.3，密度为7300kg/m3，屈服强度为370MPa。通过计算可以看出，随着计算中阶的增加，蜗壳的振动频率逐渐增加，并且二阶频率接近三阶，而频率之间也有很大的差异。通过使用差值法分析流固耦合，在设计流程中表面上的压力是通过稳定分析得到的，蜗壳通过螺栓连接，因此部件的组合表面作为固定侧处理。反映了最大压力大约为36.12MPa并发生在连接处之间蜗壳舌板和叶轮盖板上，而从径向到轴向角落方向存在更大的压力。

3改进高压保护器，准确、有选择地切断故障

在高压保护器的设计中，电流的三段保护机制必须予以高度重视，并且要保护定值，从而实现依照计算值的任意整定功能；并且将时间延时进一步细化，争取在0和3秒之间任意调整；同时，也可以是采用光纤材料，通过光纤与控制点之间的断路器保护装置实现相互通讯，但要求各个断路器间的保护装置，必须具备保护的所有功能，这样才可以保证安全，而在其单独的对故障进行处理时，系统通过分析各监测点出现的故障和实时参数，并在了解故障的原因以及发生点之后，合理的断开故障；本级的断路器不动时，可以根据之前在系统中做的设定观察具体情况，并随着启动上一级的断路器后，一直往上级追溯，一直到完全解决故障为止；在通讯出现中断以及保护系统产生故障的时候，该断路器可以启动保护装置，并且可以实现独立的保护作用与功能。

4信号调理单元

电流、电压、漏电电阻及控制输出等功能均以插板形式安装于防爆开关的主腔内，并按顺序插于19吋机架框架内而构成调理单元。包括以下四个模块：①先导单元：每块先导单元插板包括多回路所需的开关量信号的输入变换。其中每一回路本安部分均由独立的本安电源供电以满足防爆技术要求。②电流检测模块：每块电流检测板包括两个回路的电流检测信号调理单元、两个回路的断相监视单元和两个回路的漏电闭锁检测单元。可完全满足目前生产中对各类电机检测保护的要求。其三相信号整流电路是采用运算放大器构成，输出动态范围为0.00~10.00V，检测灵敏度可达2~3A，这不但可以满足小功率电动机检测保护要求，同时亦可确保动作值准确。模块中各个漏电闭锁检测单元均由独立的附加直流电源供电，该电源与系统间的绝缘耐压可达2500V~以上并采取有效的电磁兼容性设计措施，故可以确保控制系统工作安全和具有良好的抗干扰能力。③电压检测模块：电压检测板包括一路交流电网电压检测单元、电流短路模拟试验和漏电闭锁模拟试验功能。④输出控制模块：每块输出控制板安装有多功率控制继电器，其控制绕组由PLC的数字量输出信号控制，而各继电器接点则可以按需要分别控制主接触器中间继电器或漏电闭锁继电器等。一般系统装有两块输出控制模块，分别用以控制主接触器和漏电闭锁继电器。

5利用网络化的技术完成煤矿井底高压供电网络的保护闭锁

为了更好地解决井下高压防爆开关的越级跳闸的问题，通常可以附加综合的保护性装置，利用专门的防止越级跳闸的通信接口，以及专用的通信网络技术来实现，同时，还可以利用线路光纤的差动保护特性，并在网络智能识别技术的基础上而加以保护，这样就可以在一定的程度上解决掉越级跳闸的问题。利用网络的通信技术，将供电网络上级与下级之间的信息进行相互快速传递，从而实现高压线路保护系统之间的闭锁功能，在根源上就能达到解决矿井高压供电系统中异常的越级跳闸等相关问题。

6人机界面单元

由7吋彩色显示器和6个控制按钮构成。操作人员按需要控制装于防爆壳上的六个隔爆型按钮，可以方便地实现显示内容的翻页、修改参数等功能，并经防爆玻璃窗口观察显示器的各相关画面，了解系统运行参数和工况等信息。

7电源单元

由电源变压器、滤波器、熔丝保护以及直流稳压电源等构成。该电源单元严格按电磁兼容性要求设计，具有十分优异的抗脉冲列干扰、浪涌干扰等恶劣工业环境干扰的能力，可确保系统工作高度安全、可靠。

8结语

经过对以上几个模块有机整合，使之结构简单，成本低廉、性能可靠，在一些防爆开关生产企业得到广泛推广，并在煤矿企业生产中运用。实践证明，此开关不仅可以对井下设备进行有效保护，而且有效地提高生产效率。

参考文献：

［1］多回路矿用真空电磁起动器的控制器研究.刘勇.天津大学硕士学位论文，2007.

［2］高压防爆开关微机综合保护系统的研究.刘忠富.太原理工大学硕士学位论文，2003.

［3］矿用隔爆型高压开关智能综合保护系统的开发.陈伟.河北工业大学硕士学位论文，2007.

［4］MamoruSuzuki，RyoichiTsukui.DevelopmentofSubstationDigitalProtectionandControlSystemusingFiber-OpticalLocalAreaNet－work.IEEETransactionsonPowerDelivery，2014（3）：735.