井下杂散电流及接缝电阻集成测试仪的设计

王克军 ，程 辉 ，付立华

(河南工程学院 电气信息工程系，河南 郑州 451191)

井下杂散电流的产生及变化直接影响着架线电机车的运行质量，而且还增加电耗.大巷中和轨道平行敷设的铠装电缆和金属管路与大地接触，由于它们的铠装层及管路本身的电阻很小，所以流入地中的杂散电流也可以通过铠装电缆的金属铠装和铅包层以及各种金属管路流回变流所，这不仅会腐蚀电缆和管路，而且会产生明火花，增加引起沼气或煤尘燃烧爆炸的概率.杂散电流也会通过井下的钢轨、电缆或管线流散到采掘工作面，有可能引爆电雷管，引发重大的安全事故.

目前，测试仪多由电工式测量仪表组合而成，不仅操作繁琐，而且体积过大[1].本文设计的是基于微处理器的集成电路，不仅能够测量交流杂散电流与直流杂散电流，而且能直接测量接缝电阻，它使用简单，还具有存贮和通信的功能[2-3].

1 系统组成及工作原理

根据中华人民共和国煤炭行业标准MT 670—1997《煤矿井下牵引网络杂散电流防治技术规范》[4]的要求，设计杂散电流及接缝电阻集成测试仪，系统总体框图见图1.

图1 系统总体框图Fig.1 System general diagram

1.1 工作原理

采样电路由杂散电流采样电路和电压采样电路组成.杂散电流采样后经交直流分离电路，直流成分送直流处理电路处理，得到对应的电压信号送入模拟开关，交流成分送真有效值转换电路转换成对应的电压值送入模拟开关.电压采样电路的采样结果送电压处理电路后送入模拟开关.在单片机的控制下，分别送入单片机内部的模数转换器，实现杂散电流和接缝电阻的计算及测量结果的显示和存储.

1.2 测量方法

1.2.1 杂散电流的测量

杂散电流的主要测量点有采区内各巷道中的轨道对总接地网间，采煤工作面内的金属网假顶对总接地网间，采区内上下山的轨道与运输大巷连接处的第二道绝缘夹板相连接的轨道对总接地网间，掘进工作面与掘进巷道内任何地点的轨道对总接地网间，掘进巷道的轨道与运输大巷连接处的第二道绝缘夹板处的轨道对总接地网间，采区煤仓对轨道间以及井下爆炸材料铁门对轨道间.

1.2.2 接缝电阻的测量

电机车应处于抱闸，并使其处于启动状态(时间不超过1 min).用毫伏表测出1 m钢轨上的电压降V2.然后，用同一块电压表再测出另外1 m钢轨(包括轨缝在内)的电压降V1.

接缝电阻值按式(1)计算：

(1)

式中：R为每米钢轨的电阻值，其数值可查表得到.

2 硬件电路的设计

2.1 采样电路的设计

2.1.1 杂散电流采样电路

杂散电流采样电路如图2所示，由U1和U8组成.其中，U1为TBC25C04霍尔传感器，U8为4053三二选一模拟开关.

图2 杂散电流采样电路Fig.2 Stray current sampling circuit

TBC25C04霍尔传感器可同时进行交直流电流的采集，而且精度高、价格相对较低、电路连接简单、采样电流范围大，完全能满足系统的要求.采样结果中有交流和直流成分，后续电路实现交直流成分的分离，模拟开关在单片机的控制下实现电流档的切换.

2.1.2 接缝电阻的电压采样电路

接缝电阻的电压采样电路如图3所示，由左侧电阻串联电路、CD4052双四选一模拟开关及OP07组成的放大电路组成.

图3 接缝电阻的电压采样电路Fig.3 Voltage of seaming resistance sampling circuit

接缝电阻的电压采样利用电阻串联分压的原理来实现，B1为直流电流采样电压，B2为交流电流采样电压.A，B为模拟开关的选择端，接单片机P1.6和P1.7.在单片机的控制下，实现将杂散电流的采样结果和电压的采样结果送入单片机内部的模数转换器进行转换.接缝电阻使用公式(1)计算.

2.2 杂散电流处理电路

杂散电流交直流分离及直流、交流处理电路如图4所示.左端输入的信号经电路处理之后，B1输出杂散电流直流成分对应的电压信号，送入模拟开关CD4052.R26的输出电压为交流电流对应的电压信号，送入由AD736组成的典型真有效值转换电路，实现真有效值的转换，输出交流电流对应的真有效值电压信号，送入模拟开关CD4052.

2.3 系统接口电路

接口电路如图5所示，主要由单片机STC12C5A60S2、MAX232N、24C02、74LS244和74LS373组成，完成和单片机及其他主要电路的接口功能.

系统核心单片机STC12C5A60S2是一款和51系列单片机完全兼容的单片机，内部集成了8路电压输入型的10位高速A/D转换器，转换速度可达到250 kHz以实现对采样交直流电压的转换和数据处理.它内置两个异步全双工收发器，分别作为12864LCD液晶显示器的接口和USB模块SYM2811MA的接口.

使用内部集成的两路ADC0(P1.0)与ADC1(P1.1)，通过对模拟开关的控制切换实现对杂散电流采样结果和杂散电压采样结果的转换；24C02为I2C总线的存储器，用于存储系统初始复位所需要的参数；K1～K7为4×4矩阵式键盘输入接口，通过按键实现控制命令和系统参数的输入.

图4 交直流分离电流电压变换电路Fig.4 AC/DC separation and current/voltage conversion circuit

图5 单片机模块电路图Fig.5 MCU control module circuit

3 软件设计

系统软件的主流程图如图6所示.本系统软件能够实现交流杂散电流、直流杂散电流、泄露电流和接缝电阻的测量显示以及数据的存储和传输.

图6 主程序流程图Fig.6 Main program flow chart

4 结语

本测试仪目前正处于样机调试阶段，能够测量交流杂散电流与直流杂散电流，并能直接测量接缝电阻，具有存贮功能和通信功能，能以实际测量数据指导杂散电流的防治.

参考文献：

[1] 何立民.单片机技术应用选编[M].北京:北京航空航天大学出版社,1993:150-180.

[2] 赵银明,韩雪华.井下直流牵引网络杂散电流的产生、危害和防治[J].山东煤炭科技，2001(1):11-11.

[3] 肖海红.矿用隔爆型检漏继电器检测仪的设计与实现[J].工矿自动化,2008(3):96-98.

[4] MT 670—1997.煤矿井下牵引网络杂散电流防治技术规范[S].1997.