西山煤矿官地矿综采设备保护设计

侯 勇

(西山煤电(集团)有限责任公司安监局，山西 太原 030053)

33421工作面是官地矿中的一个重要工作面，使用的设备主要包括液压支架、采煤机、刮板输送机、转载破碎机、皮带顺槽机、自动移尾机、头部带式输送机等。本文主要针对该工作面的电气设备的工作特性，设计相应的电气保护，保证综采设备可以在生产过程中稳定工作。

1 井下供电系统设计

1.1 供电系统拟定原则

33421综采工作面设备、正巷皮带及沿线绞车电源引自北大巷中央变电所。正常运行时，两回线路分列运行。工作面由两趟6kV高压线路送至井下供电系统。供电系统的设计原则如下：

在保证供电系统安全稳定运行的前提下，将使用开关、电缆的数量降至最低。

在某一个生产环节中，使用独立的变压器，当综采系统出现故障时，方便系统故障的排查，对单电源进线的采区变电所，当其变压器不超过两台且无高压馈出线时，通常可不设电源断路器；而当其变压器超过两台并有高压馈出线时，则应设进线断路器。采煤机是综采设备的核心机械，为了保证其安全可靠的运行，采用两个变压器供电，当其中一台变压器出现故障时，另一回路线路可以正常工作，保证其不断电。变压器的运行方式选择为分列运行方式，因为当采用并列运行时，线路对地电流的增加会对安全造成威胁。一个开关控制一个用电设备，针对大容量的用电机械，尽可能地将开关靠近用电器。

1.2 井下供电系统结构

官地矿的煤矿供电系统电源主要来自北大巷中央变电所，通过两台变压器，实现对煤矿综采工作面设备、正巷皮带及沿线绞车的供电，高压侧的电压等级为6kV。通过两台移动变压器实现对采煤机、运输机、转载机、破碎机、乳化液泵的供电，两台变压器的型号分别为：KBSGZY-3150/3.45（2#移动变电站）、KBSGZY-1250/1.2（1#移动变电站）。转载机、破碎机、乳化液泵的电压等级为1140V，可以由1#移动变电站供电；采煤机、运输机的电压等级为3300V，由2#移动变电站供电。正巷皮带及沿线绞车由两台干式变压器供电，两台干变位于北四区集中配电点。供电系统的结构示意图如下图1所示。

图1 供电系统结构图

1.3 短路保护设计

本文所设计的矿井低压电网综合保护系统的三相短路保护采取相敏保护原理。在矿井中，供电系统的运行方式为中性点绝缘运行方式，当电网中发生三相短路故障时，三相中的电压电流大小相等，相位不同。相敏保护中的相位检测电路设计如图2所示，UBC'经过电压互感器PT，转变为低电压信号，之后经过移相，可以得到B相的相电压UB，通过波形转换，得到周期为2П的正脉冲序列，B相的电流IB，经过电流互感器和电流电压的转换后，再进行波形变换，得到周期为2П的正脉冲序列。两者经过比相后，可以得到周期为П，脉宽为相位差的脉冲序。

图2 相位检测硬件电路原理图

针对矿井低压电网中的不对称故障，可以提取出电网中的负序电流。当系统中发生不对称短路故障时，电路中的负序电流的幅值是正常电流幅值的倍。通过对负序电流值的判断就可以实现对电路中不对称短路故障的判断，进而执行动作，切断相关的断路器。

2 采煤机保护设计

2.1 常见故障分析

采煤机电气部件故障原因主要有短路或者断路、绝缘下降、电器元器件损坏、接地或者回路内连接处的接触不良甚至断线脱焊等[1-3]。这些故障原因导致的故障主要有变频器不启动或运行报错、截割电机不启动或在运行时跳闸、传输机不启动、采煤机启动后自动掉电或者保护开关误动作。按照电动机故障发生部位的不同，故障可以被分为定子故障、转子故障及轴承故障。

2.2 基于Zigbee的采煤机保护流程

采煤机电机电气数据获取系统的软件设计主要是对ZigBee组网、网关数据转发以及上位机界面的程序设计，实现系统的数据采集、传输、显示等功能。ZigBee是一种短距离低功耗的通讯协议技术，在无线数据传输中，具有可靠性强、抗干扰能力强的优点，在媒体访问层上，IEEE802.15.4采用载波侦听多点接入/冲突检测(CSMA/CA)的策略，并且为需要固定带宽的通信业务预留了专用时隙，有效地减少了数据的传输碰撞和重试发送[4-5]。

采集系统的主控芯片采用MSP430芯片，可以用IAR软件进行编程，程序流程图如图3所示，ZigBee组网以后，通过协调器进行数据的收发，最终数据是通过GPRS数据传输上传给上位机。

图3 程序流程图

2.3 GPRS数据发送模块

W3100G-EC型GPRS无线数传产品采用透明传输/协议传输的方式，给用户提供高速、可靠的虚拟专用数据通道网络。用户无需知道复杂的GPRS通讯原理和TCP/UDP协议，不用更改程序即可实现原有串口设备的无线网络连接，节省宝贵的时间和已有投资，可用于长距离通信或控制，透明通讯。支持设置模式和协议通讯模式动态切换。可以通过拨码开关选择RS-232或者RS-485通讯。

位于DTU后面板的天线接口，为SMA座（阻抗50Ω），用于连接天线，便于无线数据的收发。天线会提高信号发射强度，保证DTU的通信质量。

3 带式输送机保护设计

3.1 矿用皮带保护总体设计

矿用皮带保护设计的主要目的是实现数据采集和显示，通过人机界面互动操作带式输送机的工作模式，本文设计的皮带保护方案，利用Stm32单片机作为核心芯片，集成了传感器模块、人机接口模块和输出控制模块、通信扩展模块。系统的整体结构图如图4所示。控制箱的供电电压为24V直流电压供电，在控制箱的外围搭载多个传感器。针对煤矿井下的特殊环境，所有的元器件的防爆形式选择为矿用隔爆兼本质安全型。当电器元件成为点燃源引起爆炸后产生的高温高压气体，通过外壳的间隙减温减压排向外界，减温减压过的气体不足以引起壳体外界的爆炸[6]。

图4 带式输送机保护结构设计

3.2 跑偏保护设计

在官地矿的33421工作面，采用的带式输送机型号为SSJ-1200/2×315伸缩带式输送机，在皮带的运输过程中可能会出现跑偏。当运输角度出现偏离，则可能会导致皮带的异常工作。针对这种异常情况，设计了带式输送机的跑偏保护。

当跑偏开关的导杆偏离中心线30°±3°时，跑偏开关动作并输入到控制箱一定的电信号，主机经延时实现主机跑偏故障报警并保护停车。当皮带需要安装多组跑偏开关时，跑偏开关并联安装并有相应的指示灯指示。其跑偏位置如图5所示。

图5 跑偏位置

4 结语

本文针对西山煤矿官地矿的煤矿综采设备进行保护设计，设计33421工作面的供电结构和供电系统的拟定原则，设计供电系统的相关保护。结合Zigbee组网技术，设计采煤机的数据采集模块，可以实现系统的数据采集、传输、显示等功能，利用GPRS无线数传产品进行数据的传输。利用Stm32单片机作为核心芯片，集成了传感器模块，包括堆煤传感器、烟雾传感器、速度传感器、跑偏传感器、撕带传感器、温度传感器、张力传感器。重点介绍跑偏传感器的工作原理与实现过程。