具有自诊断功能的矿用断电器设计

黄 春

（中煤科工集团重庆研究院有限公司，重庆 400039）

馈电传感器主要用于煤矿井下馈电状态检测，判断隔爆开关是否可靠断电，馈电传感器的运行可靠性直接关系安全监控系统运行稳定性，是保障瓦斯矿井安全生产的重要环节[1-2]。

煤矿井下馈电状态检测技术主要有3 种：接触式馈电、感应式馈电和触点检测馈电。接触式馈电直接感知隔爆开关负荷侧线缆电压变化，即在电气上将传感器与被控开关负荷侧线缆直接联接，实现馈电状态检测[3]，该馈电技术原理简单，井下已广泛应用，目前只能实现1 140 VAC 及以下电压等级馈电状态检测，随着馈电电压等级升高，势必增大传感器体积以提高传感器的绝缘强度，传感器的安装维护将会极其复杂，同时还可能存在不安全因素。电场感应式馈电[4-7]针对3 300 VAC 及以上电压等级设计，传感器将探头插入负荷侧线缆接线腔，感应腔内电场变化识别负荷线缆的馈电状态。触点检测馈电感知井下开关辅助触点状态变化，实现隔爆开关负荷侧线缆馈电状态检测[8-10]，该方式可应用到煤矿井下所有电压等级馈电状态检测，但该方式接线错误可能导致安全风险，如果将断电仪断电输出触点与自身触点馈电接口直接连接，系统将无法正确感知断电指令是否执行。因此，开发具有自诊断功能的触点检测馈电断电器，实时感知断电仪是否正确接入被控设备，对于提高触点检测馈电断电器可靠性，提升煤矿安全监控系统智能化水平，保障煤矿安全生产，具有重要意义。

1 触点检测馈电断电器工况

1）触点检测馈电断电器工作原理。触点检测馈电断电器利用继电器的无源触点控制隔爆开关的脱扣线圈，隔爆开关执行脱扣动作实现断电操作；断电器检测防爆开关的无源辅助触点状态，实现隔爆开关负荷侧线缆馈电状态检测。触点检测馈电断电器工作原理框图如图1。

图1 触点检测馈电断电器原理框图Fig.1 Principle block diagram of contact detection feed breaker

2）问题分析。触点检测馈电断电器馈电输入对象是防爆开关的无源触点，断电器自身的断电输出也是无源触点，如果将断电器自身的断电输出作为断电器的馈电输入，断电器将与被控对象防爆开关脱离。安全监控系统仍可展示断电器实时工作状态，给监察监管人员带来断电动作执行假象，存在安全风险。触点检测馈电断电器脱离被控对象工作框图如图2。

图2 触点检测馈电断电器脱离被控对象工作框图Fig.2 Principle block diagram of contact detection feed breaker separating from controlled object

3）自诊断功能需求。针对触点检测馈电断电器接线错误，导致煤矿安全监控系统无法准确感知被控对象的断电状态问题。亟需研发具有自诊断功能的触点检测馈电断电器，实时检测馈电线路接线准确性，提升馈电检测可信度。

2 自诊断功能电路

2.1 自诊断功能电路原理

针对触点检测馈电断电器断电输出为无源触点，引入固定频率直流脉冲信号，加载至断电器断电输出无源触点，当断电器馈电状态检测电路检测到固定频率直流脉冲信号，则判断馈电断电器接线错误。自诊断电路原理框图如图3。

图3 自诊断电路原理框图Fig.3 Principle block diagram of self-diagnosis circuit

2.2 固频直流脉冲信号发生器

固定频率脉冲发生器电路原理图如图4。

图4 固定频率脉冲发生器电路原理图Fig.4 Circuit schematic diagram of fixed frequency pulse generator

固定频率脉冲发生器电路主要由微控制单元（MCU）、光耦、隔离电源模块、金属-氧化物半导体场效应晶体管（MOS 管）等组成。MCU 产生固定频率脉冲信号，经MOS 管Q1驱动光耦U1，光耦驱动Q3，实现固定频率脉冲信号的驱动输出；R1起限流目的，避免MOS 管Q3漏极直接接地导致隔离电源模块DC1烧毁；隔离电源模块DC1和光耦U1形成隔离屏障，实现固定频率脉冲信号由本安侧至非本安侧的隔离转换。

2.3 触点脉冲融合信号检测电路

触点脉冲融合信号检测电路原理如图5。

图5 触点脉冲融合信号检测电路原理图Fig.5 Schematic diagram of contact pulse fusion signal detection circuit

触点脉冲融合信号检测电路主要由微控制单元、光耦、MOS 管、二极管、电阻等构成，主要实现触点馈电信号检测及固定频率脉冲信号检测功能。无源触点馈电检测过程，MCU 供电控制口输出低电平，开通光耦U1、驱动MOS 管Q1，接通隔离电源ISO-VCC，MCU 将通过馈电检测口检测到触点馈电接点的闭合或断开状态。固定频率脉冲信号检测过程，MCU 供电控制口通过光耦U1、驱动MOS 管Q1，断开隔离电源ISO-VCC，MCU 将在继电器闭合状态，通过馈电检测口检测是否存在固定频率脉冲信号。

3 自诊断断电器程序

3.1 馈电断电检测

馈电断电检测流程如图6。

图6 馈电断电检测流程Fig.6 Feeder & breaker detection flow

触点检测馈电断电器上电启动后，执行开机闭锁延时，断电器输出断电状态。延时结束若无断电器断电指令，执行复电操作，判断继电器工作状态，闭合状态，启动接线状态自诊断，诊断完成进入馈电状态检测，断开状态，直接进入馈电状态检测。

3.2 接线状态自诊断

接线状态自诊断流程如图7。

图7 接线状态自诊断流程Fig.7 Wiring state self-diagnosis flow

当继电器工作在闭合状态，启动固频直流脉冲信号发生器，MCU 检测馈电检测口是否存在固定频率脉冲，有固定频率脉冲则判断断电器输出接线错误，反之则接线正常，检测完毕关闭固频直流脉冲信号发生器。

4 结 语

介绍了煤矿井下馈电检测技术，重点分析触点检测馈电断电器工作原理，接线错误可能导致的安全风险问题。针对该问题，引入固定频率直流脉冲信号，加载至断电器断电输出无源触点，当断电器馈电状态检测电路检测到固定频率直流脉冲信号，则判断断电器接线错误，实现断电器错误接线自诊断。自诊断电路可有效识别断电器接线错误，保证馈电信号准确可信。