翟博士

（山西焦煤霍州煤电集团晋北煤业公司，山西 忻州 035100）

引言

近些年，一些主要的产煤国在机械化开采不断提高的情况下，加大开采工作面强度，随着工作面开采速度的大幅提高，对掘进机性能要求也相应提高，然而电气装置的状况直接影响和决定着掘进机的工作运转，故此，开发和研究掘进机保护综合装置是保护掘进机的重要举措[1]。

1 掘进机保护综合装置的一般保护方式

掘进机保护综合装置的主要保护对象是电动机，煤矿业常用的隔爆型异步三相电动机构成掘进机的电气控制系统中重要部分，结合液压控制系统可以完成整机作业。电动机作为掘进机电气系统的主设备是否能够正常运行，关系着掘进机的整体性能，需要加以重视，该系统不但可以保护电机，还有其他很多保护功能。掘进机故障及主要保护方式如下：

1）瓦斯的闭锁自动保护：是指瓦斯的检测结果显示其含量到1%的时候报警，当含量达到1.5%的时候，保护综合装置利用程序断停电源前级。

2）黏连自动保护：是指开机之前与停机之后，掘进机保护综合装置对真空触接器的主触点进行检测，确定是否为断开状态[2]。

3）漏电自动闭锁保护：是指掘进机的电气装置主电路对地单相绝缘型电阻值低于标准值（AC1140V 标准值是40 kΩ、AC660V 标准值是22 kΩ）时不可以启动电机。

4）线路低压的漏电自动保护：是指在AC120 V、AC24 V 和AC220 V 线路低压时地单相绝缘性能下降至标准值（AC220 标准值是5 kΩ、AC120V 标准值是3 kΩ、AC24V 标准值是2 kΩ）时，系统开启保护，显示24 V 漏电、120 V 漏电、220 V 漏电。

5）电机的温度自动保护：是指如果冷却控制系统发生故障，或是环境的温度特别高，油泵及截割机的线圈温度高达155 ℃，此时，电机的定子线圈内的继电器开启动作，保护电机装置根据程序对油泵进行控制或是截割停止电机运转，待电机已经冷却以后自动归位。相对应的电阻热敏的阻值是1.8～2 kΩ。

6）门闭锁自动保护：煤炭开采掘进机设备的电气装置开关箱的左右门都设置有门闭锁自动保护开关，确保门已关严之后再送电、开机，避免在井下进行违章式作业。

7）联锁自动保护：是指只有将掘进机上的油泵式电机启动之后，才可以进行其他电机进行启动，在启动油泵式电机之后，“报警”即会被截割的电机启动，警报声响过5～10 s，截割的电机被启动[3]。

8）对称性故障的保护：所谓对称性故障一般包括堵转、对称短路及过载，这些故障的主要原因是增强的电流引起了热效应及机械性应力，让线圈发热，严重会造成设备损坏。

9）不对称性故障的保护：造成电动机产生不对称性故障的原因分别是匝间出现短路、断相、运行不平衡、接地型短路、相间型短路等。这些不对称性故障给电动机造成损害的不仅是增强的电流导致的发热，还因为这些不对称故障导致负序性效应使电动机危险运行。所以，电动机隐患问题早期发现对掘进机整机安全至关重要。

2 保护综合装置相关硬件的设计

掘进机保护综合装置所属硬件部分就是让整机实现各项功能的承载。要求硬件部分的设计简单实用，确保工作运行的稳定可靠。该保护综合装置使用的是模块化思维设计，其控制中心选用C8051F020单片式微型处理器，外围装置电路选取独立模块同控制中心相连，使各模块功能得以实现。该保护综合装置选用CYGNAL 美国公司出产混合型信号ISPFLASH 微型C8051F020 控制器来作主CPU，管理模拟量信息采集及计算、判断及保护、开关量输进及输出[4]。因为系统实时性要求较高，配置的功能也很多，为分担其主CPU 处理量，加装一块8051，以实现CPU 人机的对话，键盘处理扫描、LCD 显示、同主CPU的通迅等要求实时性不高的功能。如此即能满足该装置继电性保护的可靠性、选择性、速动性要求，又能实现系统实时进行测量的精准度。本论文在介绍系统硬件整体设计部分之前，要先对该装置所属的硬件系统基本原理进行了解，图1 为硬件工作原理的总框图。

图1 保护综合装置的硬件工作原理的总框图

硬件系统基本原理为：凭借电压及电流互感器对电动机自身三相线电流及电压进行实时的监督检测；采用粘连性漏电监督检测其电路、接触性是否存在管漏电，触头是否存在粘连、电机是否绝缘等；采用低压式漏电监督检测电路、电铃、照明灯等处是否存在漏电；采用瓦斯类断电仪及甲烷类传感器对井下瓦斯含量监督检测，同时对电机的液位、温度、位移、油温等信息进行监测，把所有信息通过调理器转换以后传送到单片机转换器A/D 模拟通道，采用相应运算法，运算得出信号数据，然后把所得信号数据同预先设置的整定值对比判断，如果在时限内的采样有效信息值都处于故障的设定范围值内，就可判断出现了故障，单片机C8051F020 则会生成故障信号，同时对电机采取断电跳闸并报警，切断所有电铃及照明电源，完成电控整个系统的安全保护。如果没有发生故障，系统会循环进行采样和显示、进行电压存储及电流显示。全部信息都在计算机显示屏上显示，个别信息在操作箱上的液晶屏显示[5]。

3 保护综合装置系统软件的设计

保护综合装置系统软件包括保护控制软件、人机交互接口应用软件构成。其中保护用模件选取8051F020型芯片设计，人机交互接口的模件选取8051型单片机，系统软件选用的是A51 和C51 语言。

3.1 保护控制软件的设计

保护控制软件部分的构成主要包括主程序管理模块、采样中断模块、输出继电器模块。系统通过所有模块的有机结合，实现对模拟量信息采集、处理、换算及各项保护与输出。

3.2 人机交互接口软件设计

人机交互接口软件部分主要负责完成键盘录入、显示器屏显、上位机等通信任务，可以实现定值定整、故障排查、信息采样、上位机的信息传递等项功能。

3.3 主程序的相关模块

综合保护装置主程序应用模块包括初始化数据模、循环自检模块、处理信息模块、障碍处理及保护模块构成。该装置初始化分为：转换器A/D 初始化、功能中断初始化、所有标志位及内存数据初始化；其中自检功能模块完成的主要是硬件的功能自检，涵盖片内RAM 区的读写功能检查，通过对开口下达跳闸断电指令，对光耦的输出回路反馈电平情况，完成开出的回路检测。采集电压及电流信号是在程序中断的状况下完成，对电动机进行绝缘及温度的检测是通过电压及电流采样数据运用温升及阻值计算得出。采用各通道的数据采集，通过预设保护程序完成计算，在出现故障时系统会进入保护自动程序，在没有出现故障时系统会自动进入循环保护检测程序。

4 矿用专用保护综合装置电磁的兼容性

矿用综合保护装置由于系统电磁的环境比较复杂，内部及外部干扰都较多，要想保证装置能够可靠、稳定的运行，需要在设计系统时对其结构的构成、零部件的选用、装配、工艺、外部的环境等各方面影响因素加以考虑。本论文在充分考虑各种因素后，对系统软、硬件抗干扰功能设计做了着重介绍，实现降低和减少因不良环境影响到专用煤矿掘进机电机保护综合装置的正常生产和安全运行。

5 结语

由于掘进机专用保护综合装置采用了综合集成设计，具有体积小、功耗低、操作简单、使用方便、节约成本等特点，可实现对煤炭掘进机全方位、综合性自动保护，有效保障了煤炭生产的安全稳定，其应用和发展前景广阔。