侯 勇

(西山煤電(集團(tuán))有限責(zé)任公司安監(jiān)局，山西 太原 030053)

33421工作面是官地礦中的一個重要工作面，使用的設(shè)備主要包括液壓支架、采煤機(jī)、刮板輸送機(jī)、轉(zhuǎn)載破碎機(jī)、皮帶順槽機(jī)、自動移尾機(jī)、頭部帶式輸送機(jī)等。本文主要針對該工作面的電氣設(shè)備的工作特性，設(shè)計相應(yīng)的電氣保護(hù)，保證綜采設(shè)備可以在生產(chǎn)過程中穩(wěn)定工作。

1 井下供電系統(tǒng)設(shè)計

1.1 供電系統(tǒng)擬定原則

33421綜采工作面設(shè)備、正巷皮帶及沿線絞車電源引自北大巷中央變電所。正常運行時，兩回線路分列運行。工作面由兩趟6kV高壓線路送至井下供電系統(tǒng)。供電系統(tǒng)的設(shè)計原則如下：

在保證供電系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行的前提下，將使用開關(guān)、電纜的數(shù)量降至最低。

在某一個生產(chǎn)環(huán)節(jié)中，使用獨立的變壓器，當(dāng)綜采系統(tǒng)出現(xiàn)故障時，方便系統(tǒng)故障的排查，對單電源進(jìn)線的采區(qū)變電所，當(dāng)其變壓器不超過兩臺且無高壓饋出線時，通?？刹辉O(shè)電源斷路器；而當(dāng)其變壓器超過兩臺并有高壓饋出線時，則應(yīng)設(shè)進(jìn)線斷路器。采煤機(jī)是綜采設(shè)備的核心機(jī)械，為了保證其安全可靠的運行，采用兩個變壓器供電，當(dāng)其中一臺變壓器出現(xiàn)故障時，另一回路線路可以正常工作，保證其不斷電。變壓器的運行方式選擇為分列運行方式，因為當(dāng)采用并列運行時，線路對地電流的增加會對安全造成威脅。一個開關(guān)控制一個用電設(shè)備，針對大容量的用電機(jī)械，盡可能地將開關(guān)靠近用電器。

1.2 井下供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

官地礦的煤礦供電系統(tǒng)電源主要來自北大巷中央變電所，通過兩臺變壓器，實現(xiàn)對煤礦綜采工作面設(shè)備、正巷皮帶及沿線絞車的供電，高壓側(cè)的電壓等級為6kV。通過兩臺移動變壓器實現(xiàn)對采煤機(jī)、運輸機(jī)、轉(zhuǎn)載機(jī)、破碎機(jī)、乳化液泵的供電，兩臺變壓器的型號分別為：KBSGZY-3150/3.45（2#移動變電站）、KBSGZY-1250/1.2（1#移動變電站）。轉(zhuǎn)載機(jī)、破碎機(jī)、乳化液泵的電壓等級為1140V，可以由1#移動變電站供電；采煤機(jī)、運輸機(jī)的電壓等級為3300V，由2#移動變電站供電。正巷皮帶及沿線絞車由兩臺干式變壓器供電，兩臺干變位于北四區(qū)集中配電點。供電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖如下圖1所示。

圖1 供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

1.3 短路保護(hù)設(shè)計

本文所設(shè)計的礦井低壓電網(wǎng)綜合保護(hù)系統(tǒng)的三相短路保護(hù)采取相敏保護(hù)原理。在礦井中，供電系統(tǒng)的運行方式為中性點絕緣運行方式，當(dāng)電網(wǎng)中發(fā)生三相短路故障時，三相中的電壓電流大小相等，相位不同。相敏保護(hù)中的相位檢測電路設(shè)計如圖2所示，UBC'經(jīng)過電壓互感器PT，轉(zhuǎn)變?yōu)榈碗妷盒盘枺蠼?jīng)過移相，可以得到B相的相電壓UB，通過波形轉(zhuǎn)換，得到周期為2П的正脈沖序列，B相的電流IB，經(jīng)過電流互感器和電流電壓的轉(zhuǎn)換后，再進(jìn)行波形變換，得到周期為2П的正脈沖序列。兩者經(jīng)過比相后，可以得到周期為П，脈寬為相位差的脈沖序。

圖2 相位檢測硬件電路原理圖

針對礦井低壓電網(wǎng)中的不對稱故障，可以提取出電網(wǎng)中的負(fù)序電流。當(dāng)系統(tǒng)中發(fā)生不對稱短路故障時，電路中的負(fù)序電流的幅值是正常電流幅值的倍。通過對負(fù)序電流值的判斷就可以實現(xiàn)對電路中不對稱短路故障的判斷，進(jìn)而執(zhí)行動作，切斷相關(guān)的斷路器。

2 采煤機(jī)保護(hù)設(shè)計

2.1 常見故障分析

采煤機(jī)電氣部件故障原因主要有短路或者斷路、絕緣下降、電器元器件損壞、接地或者回路內(nèi)連接處的接觸不良甚至斷線脫焊等[1-3]。這些故障原因?qū)е碌墓收现饕凶冾l器不啟動或運行報錯、截割電機(jī)不啟動或在運行時跳閘、傳輸機(jī)不啟動、采煤機(jī)啟動后自動掉電或者保護(hù)開關(guān)誤動作。按照電動機(jī)故障發(fā)生部位的不同，故障可以被分為定子故障、轉(zhuǎn)子故障及軸承故障。

2.2 基于Zigbee的采煤機(jī)保護(hù)流程

采煤機(jī)電機(jī)電氣數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)的軟件設(shè)計主要是對ZigBee組網(wǎng)、網(wǎng)關(guān)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)以及上位機(jī)界面的程序設(shè)計，實現(xiàn)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集、傳輸、顯示等功能。ZigBee是一種短距離低功耗的通訊協(xié)議技術(shù)，在無線數(shù)據(jù)傳輸中，具有可靠性強(qiáng)、抗干擾能力強(qiáng)的優(yōu)點，在媒體訪問層上，IEEE802.15.4采用載波偵聽多點接入/沖突檢測(CSMA/CA)的策略，并且為需要固定帶寬的通信業(yè)務(wù)預(yù)留了專用時隙，有效地減少了數(shù)據(jù)的傳輸碰撞和重試發(fā)送[4-5]。

采集系統(tǒng)的主控芯片采用MSP430芯片，可以用IAR軟件進(jìn)行編程，程序流程圖如圖3所示，ZigBee組網(wǎng)以后，通過協(xié)調(diào)器進(jìn)行數(shù)據(jù)的收發(fā)，最終數(shù)據(jù)是通過GPRS數(shù)據(jù)傳輸上傳給上位機(jī)。

圖3 程序流程圖

2.3 GPRS數(shù)據(jù)發(fā)送模塊

W3100G-EC型GPRS無線數(shù)傳產(chǎn)品采用透明傳輸/協(xié)議傳輸?shù)姆绞?，給用戶提供高速、可靠的虛擬專用數(shù)據(jù)通道網(wǎng)絡(luò)。用戶無需知道復(fù)雜的GPRS通訊原理和TCP/UDP協(xié)議，不用更改程序即可實現(xiàn)原有串口設(shè)備的無線網(wǎng)絡(luò)連接，節(jié)省寶貴的時間和已有投資，可用于長距離通信或控制，透明通訊。支持設(shè)置模式和協(xié)議通訊模式動態(tài)切換?？梢酝ㄟ^撥碼開關(guān)選擇RS-232或者RS-485通訊。

位于DTU后面板的天線接口，為SMA座（阻抗50Ω），用于連接天線，便于無線數(shù)據(jù)的收發(fā)。天線會提高信號發(fā)射強(qiáng)度，保證DTU的通信質(zhì)量。

3 帶式輸送機(jī)保護(hù)設(shè)計

3.1 礦用皮帶保護(hù)總體設(shè)計

礦用皮帶保護(hù)設(shè)計的主要目的是實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集和顯示，通過人機(jī)界面互動操作帶式輸送機(jī)的工作模式，本文設(shè)計的皮帶保護(hù)方案，利用Stm32單片機(jī)作為核心芯片，集成了傳感器模塊、人機(jī)接口模塊和輸出控制模塊、通信擴(kuò)展模塊。系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)圖如圖4所示?？刂葡涞墓╇婋妷簽?4V直流電壓供電，在控制箱的外圍搭載多個傳感器。針對煤礦井下的特殊環(huán)境，所有的元器件的防爆形式選擇為礦用隔爆兼本質(zhì)安全型。當(dāng)電器元件成為點燃源引起爆炸后產(chǎn)生的高溫高壓氣體，通過外殼的間隙減溫減壓排向外界，減溫減壓過的氣體不足以引起殼體外界的爆炸[6]。

圖4 帶式輸送機(jī)保護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計

3.2 跑偏保護(hù)設(shè)計

在官地礦的33421工作面，采用的帶式輸送機(jī)型號為SSJ-1200/2×315伸縮帶式輸送機(jī)，在皮帶的運輸過程中可能會出現(xiàn)跑偏。當(dāng)運輸角度出現(xiàn)偏離，則可能會導(dǎo)致皮帶的異常工作。針對這種異常情況，設(shè)計了帶式輸送機(jī)的跑偏保護(hù)。

當(dāng)跑偏開關(guān)的導(dǎo)桿偏離中心線30°±3°時，跑偏開關(guān)動作并輸入到控制箱一定的電信號，主機(jī)經(jīng)延時實現(xiàn)主機(jī)跑偏故障報警并保護(hù)停車。當(dāng)皮帶需要安裝多組跑偏開關(guān)時，跑偏開關(guān)并聯(lián)安裝并有相應(yīng)的指示燈指示。其跑偏位置如圖5所示。

圖5 跑偏位置

4 結(jié)語

本文針對西山煤礦官地礦的煤礦綜采設(shè)備進(jìn)行保護(hù)設(shè)計，設(shè)計33421工作面的供電結(jié)構(gòu)和供電系統(tǒng)的擬定原則，設(shè)計供電系統(tǒng)的相關(guān)保護(hù)。結(jié)合Zigbee組網(wǎng)技術(shù)，設(shè)計采煤機(jī)的數(shù)據(jù)采集模塊，可以實現(xiàn)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集、傳輸、顯示等功能，利用GPRS無線數(shù)傳產(chǎn)品進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸。利用Stm32單片機(jī)作為核心芯片，集成了傳感器模塊，包括堆煤傳感器、煙霧傳感器、速度傳感器、跑偏傳感器、撕帶傳感器、溫度傳感器、張力傳感器。重點介紹跑偏傳感器的工作原理與實現(xiàn)過程。