爆炸环境下定时断电延时装置的技术开发

赵 鹏 任木尧

（中海油天津化工研究设计院有限公司）

0 引言

众所周知，煤矿井下的大型设备电气设计都是采用动力回路与设备控制回路相结合的方式，设备控制回路的电力由设备内部的动力回路供电变压后供应，所以一旦动力回路因故障引起设备供电突然中断，设备控制回路也会同时失去电力供应而停止工作，导致设备故障及之后的系统环境参数信息无法被监测、记录及保存，工作人员不能通过系统的记录准确定位信息，不利于设备故障的分析与快速维修，因而为了煤矿井下大型设备的安全运行及可持续运行，煤矿井下供电系统是需要必要的投入和研究的。

1 总体方案

爆炸环境下定时断电延时系统如图1所示，由两部分组成：一部分为带有电网电压检测功能的自动旁路及控制系统，另一部分为电池供电系统，其中电池供电系统包括充电装置、电池、放电控制系统、逆变升压系统、电池电压检测系统和电池管理系统[1]。自动旁路及控制系统位于电网和设备控制回路之间，并且与电池管理系统相连，当自动旁路及控制系统检测到电网有电时，自动旁路及控制系统将电网的电力输送给设备控制回路，提供设备控制回路用电，同时电池管理系统接收到自动旁路及控制系统发送的电网的带电信号，控制放电控制系统、逆变升压系统不动作，当检测到电网断电时，控制自动旁路及控制系统内部电路截住，防止设备控制回路电力反向流回电网，同时电池管理系统接收到自动旁路及控制系统发送的电网的断电信号，控制放电控制系统、逆变升压系统动作，切换为电池供电系统，为断电后的设备控制回路提供延续电力供给[2]。

图1 爆炸环境下定时断电延时装置框图

充电装置与电池和电网相连，用于电网带电时电池的充电工作，内部设计有降压、整流、滤波及保护等功能，同时充电装置为单向导通，防止在电网断电时，电池中的电能向电网流失。

电池管理系统是整个电池供电系统的控制逻辑中心，接收自动旁路及控制系统发送的电网带/断电信号并控制放电控制系统、逆变升压系统不动作/动作：当电池管理系统接收到自动旁路及控制系统发送的电网带电信号时，控制放电控制系统、逆变升压系统不动作，保持截止状态；当电池管理系统接收到电网断电信号时，控制放电控制系统导通、逆变升压系统工作，将电池释放的低压直流转换为设备控制回路所用高压交流，为设备控制回路持续供电。

电池管理系统中还设置有定时系统，通过电池电压检测系统反馈的电池储能状态信息，计算电池的可续航时间，为定时系统提供设定时间上限。在电池续航时间内，保证能够自由设置电网断电后电池供电系统的工作时间，并在记录足够的有用信息后，停止对设备控制回路的持续电力供应，避免了电池的持续损耗。

当电网供电突然中断，大型设备的设备控制回路可以通过电池供电系统继续工作，并记录故障后设备的运行参数，为工作人员准确定位故障信息、进行快速维修提供了便利条件。

2 电池管理系统设计

此管理系统是基于 DSPTMS320LF2407A的铅酸蓄电池管理系统[4-5]。笔者采用的电池管理系统方案设计包括电池相关的电流检测设计、电压检测设计及温度检测设计等。电池管理系统组成框图如图 2所示。电压采样通道采用12路设计，可以使用多路模拟电路开关分时，控制不同单株电池的电压输入TMS320。采样保持电路作用是将电压与电流采样保持功能，是为了确保电池管理系统中单株电池同步采样。电池的温度采用热敏电阻检测，通过DSP分析电池温度的数据，以便判断电池安全性及稳定性[6]，在设计中还使用了环境温度的检测，采用红外温度感应传感器。所有这些电池信息采入 DSP后进行数据的分析、处理，并通过CAN总线和控制系统通信，将电池状态信息传输至控制系统并通过液晶显示屏进行显示。该设计还设置有存储器，应用了集成数据存储功能。以上这些管理系统主要作用是为了确保电池在充放电过程中，因单株电池性能或质量的不同而致使电池组过充或过放电，进而影响电池的使用寿命[7]。

图2 电池管理系统框图

3 采样电路设计

3.1 电压检测电路设计

蓄电池使用过程中电池电压稳定性是衡量电池优劣的主要参数之一[6]，那么电压检测电路精度设计在蓄电池组均衡管理显得额外重要。因此本设计采用H380高精度、稳定性好、功能强大的芯片，它根据采样电压不但能估算出电池的节余电量大小，同时对比当前电压是否超出电压极限值，还可以比较电池组各单体电压均衡性。因此，电池电压的准确测量是非常重要的。本方案的电池组是由12节12V铅酸蓄电池单体串联制成，所以电压检测电路测量单体电池电压范围为7～14V。为实现耐压隔离度要求，要求所有电池不能共地，所以采用光耦隔离设计，光耦隔离芯片采用稳定性较好的TLP785。电池电压经过H380芯片处理后，再经由处理器A/D转换的测量范围（0～3.3V），电压检测电路如图3所示。

图3 采样保持及保护电路

3.2 电流检测电路设计

蓄电池使用过程中电池电流输出是衡量电池容量的主要参数之一[8]，单体电池电流测量精度直接决定了电池SOC计算的精度。所以电流采样电路设计的精度、抗干扰能力、零漂、温漂和线性度误差等都需要考虑。在本方案中采用高精度霍尔电流传感器对蓄电池充放电采集电流。设计电路如图4所示。霍尔电流传感器的型号采用 CHB-100SF，其一次电流与二次电流也同样采用电气隔离，可测量直流、交流和脉冲电流。频率范围：DC 100kHz，供电电压为±15V，测量范围是0～±150A，匝数比1∶1000，精度±0.3%～1%，线性度0.1%，响应时间：＜1μs，电流消耗10mA，绝缘电压2～6kV/50Hz/lmin，工作温度0～+70℃。

图4 电流采集电路

4 结束语

经过测试表明，本装置增加电池供电系统模块设计后，当电网供电突然中断，大型设备的控制回路可以通过电池供电系统继续工作，并记录故障后设备的运行参数，且准确定位故障信息，为现场快速维修提供了便利条件。