李 军

（山西机电职业技术学院，山西长治 046011）

现代矿井防爆组合开关的模块化设计

李 军

（山西机电职业技术学院，山西长治 046011）

防爆组合开关广泛应用于煤矿的井下控制。文章认为，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。

防爆组合开关；模块化；设计

20世纪70年代以前，我国煤矿井下普遍采用380 V供电系统。随着国内工业化程度的提高，煤炭市场需求日益旺盛，煤炭缺口越来越大，而要想弥补煤炭供应上的不足，不但要多建矿井，必须建大型矿井。煤炭产量的提高，要求大型矿井采煤方法的进一步改进。随着大功率电器的使用，用电量也在成倍地增加，原来的供电等级远远不能满足新型大功率电机的要求，这样，煤矿的供电电压由原来的380 V逐步提高到了现在的660 V、1140 V和3300 V，电压等级的提高，对用电保护系统要求更高，使得用电保护设备也逐渐向大型化和自动化方向发展，这样就对供电系统提出要求的同时，对防爆电气的可靠性、操作性等方面提出新的要求。

由于煤矿井下工作环境潮湿，瓦斯煤尘积聚、负荷波动大，工况不稳定，滴水冒顶事故等都会使电气设备绝缘强度逐渐降低。同时井下工人生产过程中操作或维护不当、煤块或运输设备挤压等都会使输电线路的导线断裂，导致漏电或单相接地故障。这些故障若不及时排除，将导致绝缘击穿，发生三相或两相短路事故。短路故障发生时产生的电弧能量会引起瓦斯、煤尘爆炸，直接危及人身安全和矿井生产。为了避免事故的发生，保障人身安全，有效减小事故范围，研究高性能、易操作、可靠性高的保护系统是非常必要的。

根据煤矿井下的环境特点，防爆开关一般应该具有漏电闭锁、短路保护、断相保护、过电压、欠电压保护等功能，同时，为方便防爆开关的维护和安装，更好地提高生产效率，防爆开关还应易操作、易检修。对此，本文在原来防爆开关的基础上对其进行模块化设计，通过一些企业反馈，模块化设计后不但能提高开关的保护性能，而且更易操作，检修，大大提高了生产效率。

在进行模块化设计时，我们根据保护系统的作用，把它分成数据处理单元、信号调理单元、电源单元和人机界面单元四个模块。

（1）数据处理单元。用西门子公司生产的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）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0.00～10.00 V，检测灵敏度可达2～3 A，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2500 V～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。

（3）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。

（4）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。

经过对以上四个模块有机整合，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。

［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.

Abstact：Explosion-proof combination switch is widely used in underground coalmines.This paper talks about that the combination of intelligentmulti-modular based on the original switch can put the short-circuit of the switch，overload，phase，leakage lockout protection，over voltage，under voltage protection，communication and other functions together.It can control a variety of electrical equipment underground through the PLC pre-set programs.with the combination of intelligentmulti-modular，the production of strong function，light weight and high safety will be accomplished and effectively prevent the accidents.Thus it greatly improved the reliability and security.

Keywords：explosion-proof combination switch；modular；design

（责任编辑 单麦琴）

Modular Design on Explosion-proof Combination Switch of Modern Mines

LIJun
（Shanxi Vocational Technical College of Engineering&Electronics，Changzhi Shanxi046011）

TD6

A

1673-2014（2010）02-0055-02

2009—12—14

李 军（1974— ），男，山西沁县人，硕士，主要从事电机与电器理论研究。