煤矿安全监控系统浪涌防护技术研究.pdf

第 4 4卷 第 1 期 2 0 1 8年 1 月 工矿 自 动化 I n du s t r y a nd M i ne Au t oma t i o n Vo L 4 4 NO ． 1 J a n ．2 0 1 8 文章编 号 1 6 7 1 2 5 1 X 2 0 1 8 0 1 0 0 4 0 0 4 D OI 1 0 ． 1 3 2 7 2 ／ j ． i s s n ． 1 6 7 1 2 5 1 x ． 1 7 2 7 5 煤矿安全监控系统浪涌防护技术研究 张子 良 。 1 ． 煤炭科学技术研究院有 限公司，北京1 0 0 0 1 3 ；2 ． 煤炭资源高效开采与洁净利用国家重点实验室 ， 北 京1 0 0 0 1 3 ；3 ． 北 京市煤矿 安全 工程 技术研 究 中心 ， 北 京 1 0 0 0 1 3 摘要 介绍了常规浪涌防护技术 ， 基于煤矿安全监控 系统 电磁兼容浪涌防护技术的理论研 究和标准试验 测试 ， 指出常规浪涌防护技术对煤矿产品存在一定的不适用性 ， 重点就常规浪涌防护设计与煤矿设备绝缘耐 压要 求及 常规 系统 级浪 涌防护设 计 与煤矿 电 气设备 本 质安 全要 求两 大冲 突 问题 进 行 了研 究 ， 并 结合 实际进 行 了原 理性 分析 ， 最后给 出了冲 突问题解 决方案 。 关 键词 煤矿 安全监控 系统 ；电磁 兼容 ；本质 安全 ； 浪 涌防 护 ；系统级 浪 涌防护 ；绝缘 耐压 ；过 流保护 中图分类 号 T D 7 6 文献 标志码 A 网络 出版 时 间 2 0 1 7 1 2 1 5 1 7 2 5 网络 出版 地址 h t t p ／ ／ k n s ． c n k i ． n e t ／ k c ms ／ d e t a i l ／ 3 2 ． 1 6 2 7 ． T P ． 2 0 1 7 1 2 1 5 ． 0 9 2 4 ． 0 0 2 ． h t ml Re s e a r c h o n s ur ge p r o t e c t i o n t e c hn o l o g y o f c o a l mi ne s a f e t y mo ni t o r i n g s y s t e m ZH ANG Zi l i a n g ， 。 ， 。 1 ． Ch i n a Co a l Re s e a r c h I n s t i t u t e ，Be i j i n g 1 0 0 0 1 3 ，Ch i n a ；2 ． Na t i o n a l Ke y La b o r a t o r y o f Hi g h Ef f i c i e n t a n d Cl e a n Ut i l i z a t i o n o f Co a l Re s o u r c e s ，Be i j i n g 1 0 0 0 1 3 ，Ch i n a ； 3 ． Be i j i n g Co a l Mi n e S a f e t y En g i n e e r i n g Te c h n o l o g y Re s e a r c h Ce n t e r ，Be i j i n g 1 0 0 0 1 3，Ch i n a Abs t r a c t The c o nv e n t i o na l s u r g e p r ot e c t i o n t e c hn ol o g y wa s i nt r o d uc e d．Ba s e d o n t he or e t i c a l r e s e a r c h a nd s t a n da r d t e s t o f e l e c t r o m a g ne t i c c omp a t i b i l i t y s ur g e p r ot e c t i o n t e c hno l o gy i n c o a l mi ne s a f e t y m o n i t o r i ng s ys t e m ， i t wa s i nd i c a t e d t ha t t h e c o nv e n t i o na l s u r ge p r ot e c t i o n t e c hn ol og y ha d c e r t a i n u n s u i t a b i l i t y t o c o a l mi n e p r o d u c t s ．T wo ma j o r c o n f l i c t s we r e f o c u s e d o n ，wh i c h we r e b e t we e n t h e c o nv e nt i on a l c o m mo n mod e s u r ge p r o t e c t i o n t e c hno l o g y a nd i ns ul a t i o n wi t hs t a n d v o l t a g e r e q u i r e me n t s o f c o a l mi n e e q u i p me n t s a s we l l a s t h e c o n v e n t i o n a l s y s t e m- l e v e l s u r g e p r o t e c t i o n d e s i g n a n d i n t r i n s i c s a f e t y r e q u i r e me n t s o f c o a l mi n e e l e c t r i c a l e q u i p me n t s ． Th e t wo c o n f l i c t s we r e a n a l y z e d i n p r i n c i p l e a n d c o r r e s po n di n g s o l ut i o ns we r e gi ve n f i n a l l y． Ke y wo r d s c o a l m i n e s a f e t y mon i t o r i n g s y s t e m ；e l e c t r o ma g ne t i c c o mpa t i b i l i t y；i n t r i ns i c s a f e t y；s u r g e pr o t e c t i on；s ys t e m- l e v e l s u r g e p r ot e c t i o n；i ns ul a t i o n wi t hs t a nd v o l t a g e；ov e r c u r r e nt pr o t e c t i on 0 引言 随着煤矿井下大型电气设备逐步增多 ， 井下电 磁环境 日趋复杂， 对煤矿电气设备特别是安全监控 系统设 备 的抗 电磁 干扰 性 能 提 出 了更 高要 求 。 国 家煤 矿安监 局关 于 印发 煤 矿 安 全监 控 系 统 升级 改 造技术方案 的通知 煤安监函E 2 0 1 6 5号 已正式 将增强抗电磁干扰能力列入煤矿安全监控系统升级 收稿 日期 2 0 1 7 - 0 9 2 8 ； 修 回日期 2 0 1 7 - 1 2 0 1 ； 责任编辑 李明 。 基金项目 国家重点研发计划资助项 目 2 0 1 6 YF C 0 8 0 1 4 0 5 。 作者简介 张子 良 1 9 8 5 一 ， 男， 河北邢 台人 ， 助理研究员 ， 硕士 ， 主要从事煤矿安全监控技术、 电磁兼容等方 面的研发工 作， E ma i l 1 5 1 5 8 4 1 4 qq．c orn 。 引用格式 张子 良． 煤矿安全监控系统浪涌防护技术研究 [ J ] ． 工矿 自动化 ， 2 0 1 8 ， 4 4 1 4 0 4 3 ． Z HA NG Z i l i a n g ． Re s e a r c h o n s u r g e p r o t e c t i o n t e c h n o l o g y o f c o a l mi n e s a f e t y mo n i t o r i n g s y s t e m[- J ] ． I n d u s t r y a n d Mi n e Au t o ma t i o n ， 2 0 1 g， 4 4 1 4 O 4 8 ． 2 0 1 8年 第 1 期 张子 良 煤矿 安 全监控 系统浪 涌 防护技 术研 究 4 1 改造 技 术 。 浪涌冲击作为常见的井下 电磁干扰形式 ， 可导 致煤矿安全监控系统设备重启复位 、 通信 中断等现 象 ， 严重时可造成设备损坏 ， 甚至整个系统瘫痪 ， 对 煤矿安全生产造成严重影响。本文着重对煤矿安全 监控 系统 的浪涌 防 护技 术 进 行 研 究 ， 提 出常 规 浪 涌 防护技术与文献 [ 1 3 ] 等 以下简称煤矿安规 要求 的冲突点 ， 并针对这些冲突点提出相应的解决方案 。 1 常规 浪涌 防护 技术 常 规 浪涌 防护 技术 包 括 浪 涌抑 制 器 件 、 浪 涌 接 地技术 、 浪涌过流保护技术等[ 4 ] 。 1 浪涌抑制器件 。当电子设备受到大能量浪 涌冲击时， 为了避免其损坏， 可采用浪涌抑 制器件 。 浪涌抑制器件并联在被保护设备两端 ， 可对浪涌冲 击进行有效吸收或能量转移 ， 防止其进入设备内部 对 电路 形 成危 害 。 常见 的 浪 涌 抑 制 器 件 有TVs Tr a n s i e n t Vo l t a g e S u p p r e s s o r ， 瞬 态 抑 制 二 极 管 、 GD T G a s Di s c h a r g e Tu b e s ， 气体放电管 、 M0V Me t a l 0 x i d e V a r i s t o r ， 金属氧化 物压敏 电阻 等， 选择合 适 的参 数 ， 将其设计在被保护设备电源和信号端 口处 ， 可有 效抑制浪涌冲击 。 2 浪涌接地技术 。浪涌接地技术是防止浪涌 共模 干 扰 的 重 要 技 术。E MC E l e c t r o Ma g n e t i c 变共模 电流方向， 即改变共模干扰传输路径 ， 避免干 扰 电流流 过敏感 电路 。 任何 信号都会选择最小 阻抗 路径返 回信号源 端 ， 因此 ， 浪涌接地技术要保证人地阻抗足够小 ， 并 需注意选择接地位置。 3 浪涌过流保护技术 。浪涌 防护措施 中除了 过压保护 ， 过流防护也不可缺少 。在 电路 中串人保 险丝、 P TC P o s i t i v e Te mp e r a t u r e C o e f f i c i e n t ， 正温 度 系 数 热 敏 电阻等 限流 器件 ， 或 者设 计 基 于 M0S 管的限流 保护 电路等 ， 都 可起 到有 效 的过流保 护 作 用 。 2 常规 浪 涌 防护技 术对煤 矿 安规 的不 适用 性 民用产品的浪涌防护技术 已非常成熟 ， 甚至一 些惯用的方法或成型的防浪涌 电路可在一般的工业 产品设计中直接借鉴 。但煤矿井下环境特殊 ， 所有 下井设备都必须符合煤矿安规 的要求 ， 常规浪涌防 护技 术 往往 表现 出一 定 的不适 用性 。 2 ． 1 常规浪 涌防护设 计 与绝缘 耐 压要 求的 冲 突 以煤矿安全监控系统中分站的直流 电源端 口浪 涌防护设计为例 ， 说明常规 浪涌防护设计与煤矿安 全监控系统绝缘耐压之间的冲突。常规浪涌防护电 路如图 1所示 。电源正负极并 联的 D R， D0 ， D o 等实现了差模浪涌防护 ， 电源正负极与外壳 P E 参 考接地平面 之间分别并联 D 。 。 ， D o ， 以实现共模浪 C o mp a t i b i l i t y ， 电磁兼容性 中接地的主要 目的是改 涌防护。 R O≤ K 0．0 K 1N5819 1N5819 K Do i } sMd i SMC 26CA A A 一 一 ’一 c c K K 2，2nF／3 kVT D o2 } { D o3 l SM _CJ26C A A SM CJ26C A A 图 1 常规 浪涌防护电路 Fi g ．1 Co nve nt i ona l s ur ge p r o t e c t i on c i r c ui t 煤 矿安 全监 控 系统 中 的分 站属 于 煤矿本 质 安全 以下简称本安 设备 ， 须满足本安设备绝缘耐压试 验要求 本安 电路与外 壳 间应 能承受 交流 5 0 Hz ， 5 0 0 V， 历 时 1 mi n的 工频 耐 压 试 验 ， 且 无 击 穿 和 闪 络现象 ， 其漏 电流不大 于 5 mA。试验方法是将正 极和负极接在一起为一极 ， 外壳为另一极 ， 在两极间 加 5 0 0 V测试电压 ， 测试其漏 电流 。在试验过程 中 如果 没有 发生 绝缘 击穿 、 表 面 闪络 、 泄漏 电流 明显 增 大或电压突然下降等现象 ， 则认为合格l 7 _ 1 o ] 。 若 常规 浪 涌 防 护 电路 直 接 用 于分 站 电源 端 口， 在进行绝缘耐压试验 时 ， 其共模 T VS会 因施加 的 5 0 0 V测试电压而瞬间导通 ， 导致试验失败 。因此 ， 常规浪涌防护电路不具备煤矿本安设备要求的绝缘 耐压性能 。从原理上分析 ， 浪涌 防护 电路的作用是 4 2 工矿 自动化 2 0 1 8年 第 4 4卷 将 浪涌 能量 在产 品 的端 口处 泄 放 或 转 移 ， 是 “ 主通 ” 的 ； 而绝 缘耐 压 则需 要 电路 与 外壳 之 间有 一 定 的耐 压性 能 ， 是“ 主 隔” 的 。浪 涌泄 放 的“ 主 通 ” 与 绝 缘 耐 压 的“ 主隔” 形成 了矛 盾 。 2 ． 2 常规 系统级 浪 涌防 护 设 计 与煤 矿 电 气设 备 本 安 要 求的 冲 突 系 统级 浪 涌 抗 扰 度试 验 不 同于单 机 设 备试 验 ， 其 关联设 备 作为辅 助 设备 时 的反应 往往 会影 响试 验 结 果 。其常 规浪 涌防 护设 计是 在被试 设 备端 口加 入 浪 涌防 护电路 的同 时 ， 利 用储 能元 件 解 决 因反 射 引 起 的短 时断 电等 问题 。本 文 以煤矿安 全 监控 系统 系 统级 浪 涌抗 扰度试 验项 目中分 站 电源端 口的浪涌 抗 扰度试验为研究对象进行分析 ， 其示意如图 2所示 。 分站作为被试设备， 隔爆兼本安 电源箱作为辅助设 备提 供 直流 电源 。试 验施 加 的浪涌 干扰 方式 为发 生 器直接注入 ， 按照文献[ 1 1 1 2 ] 要求进行试验 。 电 源 l采 样 电 阻 l 浪 涌 发 生 器 升 传 悬 器 I I 图 2煤 矿 安 全 监 控 系 统 分 站 电源 端 口浪 涌 抗 扰 度 试 验 Fi g． 2 Su r g e i mm u ni t y t e s t f o r p owe r s uppl y p or t of s u b s t a t i o n i n c o a l mi n e s a f e t y mo n i t o r i n g s y s t e m 隔爆兼本安电源箱的设计符合 MT／ T 1 O 7 8 2 0 0 8 矿用本质安全输出直流电源 要求 ， 其本安输 出具 有过 压 、 过流 和短 路保 护功 能 。 对 分站 电源 端 口进 行 浪 涌抗 扰 度 试 验 时 ， 发 生 器模 拟 浪涌 高压 注 入 ， 分 站 电 源端 口的浪 涌 防 护 器 件 TVS瞬 间钳 位 ， 引起 回路 大 电流 ， 从 而 引 发 电 源 箱本 安端 过 压或 过 流保 护 ， 使 得 本 安 输 出短 时 不 予 供 电 ， 造 成分 站 短 时 断 电重 启 。常 规 方 法 是 在 分 站 电路 中加入储 能 电 容或 电感 续 流 ， 以维 持 用 电设 备 短 时供 电 。 分 站 及 传 感 器 均 为 本 安 设 备 。 根 据GB 3 8 3 6 ． 4 2 O 1 O要求 ， 本安设备对 内部电容或 电感的 参数有一定 限制， 并且对 短路 电流也有相应 限制 。 本 文 介 绍 的煤 矿 安 全 监 控 系 统 直 流 供 电 电 压 为 2 2 ． 5 V， 允 许 的 最 大储 能 电容 为 5 ． 4 F， 最 大 电感 为 1 ． 5 mH， 最 大允 许短 路 电流 为 8 O O mA。在 浪 涌 冲击干 扰过 程 中 ， 电 源供 电暂 时 中断 。假 设 分 站 完 全 依靠 储能 电容 维 持 工 作 ， 分 站 电 源模 块 最 小 输 入 电压 为 9 V， 则储能 电容最大 可 用容量 为 W c 一 i C ⋯ U 一 U 1 “ “ 一 厶 式 中 C 为允 许 的最大 储 能 电容 ； U⋯ ， U i 分 别为 储 能 电容最 大 、 最小 供 电 电压 。 1 将相关数值代入式 1 ， 得 W 一寺 X 5 ． 4 X n 1Rx ／ 1 0 2 2 ． 5 。 一 9 。 J ≈ 0 ． 0 0 1 1 5 J 。 设 电容 在 不考 虑其 他损 耗 的理想状 态 下储 能为 W 一一 UI t 2 式中 L ， 为电容供电电压 ； J为允许的最大 电流； t 为 维 持 时间 。 令 式 1 与式 2 相 等 ， 得 t ≈ 6 4肚 s 。 电源 箱 过 流 保 护 从 断 电 到 恢 复 供 电 需 要 5 0 0 ms ， 理想 状态 下最 大 储 能 电容供 电仅 能维 持 用 电设备 工作 6 4 s ， 所 以依 靠储 能 元件 维持 设备 短时 供 电 的方案 不适 用 于煤矿 本安 设备 。以下 尝试 从过 流 保护 电路 上进 行分 析 ， 寻找 解决 方案 。 目前隔爆 兼本安 电源箱常用的过流、 过压保护 电路多采用电源保护芯片来实现 。就过流保护电路 而 言 ， 设 计 者多 追 求 保 护 芯 片 的 响应 速 度 。现 有 的 电源 保 护 芯 片 响应 速 度 已达 1 s [ 1 I 。对 于本 安 性 能 来说 ， 这 是有 利 的。而 对 于 本 安设 备 的 浪涌 防护 设 计来 说 ， 电源 保护 芯 片微秒 级 的快速 瞬 间响应 ， 在 遭 受 浪涌干 扰 时会造 成 用 电设 备 短时 断 电 。受 本安 要求限制 ， 不能使用大的储能元件实现续流。可见 ， 常规系统级浪涌防护设计与煤矿电气设备本安要求 是 冲 突的 。 3 冲 突解 决方 案 3 ． 1 常规 浪 涌 防护与 绝缘 耐压 的调 和 煤 矿产 品 在设计 时需 同时满 足浪 涌 防护 和绝缘 耐 压要 求 ， 需要 调 和“ 主 通 ” 和“ 主 隔 ” 这 一 矛 盾 。本 安 电路设计 的关键 是如 何在 满 足 5 0 0 V 工 频耐 压 的 前 提 下 ， 更 好地 实现 浪 涌能量 的 泄放 。 对常 规 浪 涌 防护 电路 进 行 改造 ， 得 到 煤 矿 安全 监控系统专用浪涌防护 电路 ， 如图 3所示 。该 电路 实 现 了浪 涌 两级 防护。第 1级 防护 采用 大 功率 TVS并联 于 电源 两 极 之 间 实 现 差 模 防 护 ， V C C 和 GND分 别 接 MOV R ， R ， 之 后 与 GD T 串联 后 接 外壳 P E， 实 现 共 模 防 护 ， C 为 X 电 容 ， C z ， C 。为 Y 电容且 采 用 煤 矿 安 规 电 容 。 第 2级 防 护 采 用 T Vs继续降低残压 ， 采用 自恢复保险丝 F进行过流 保 护 。第 1 级 与第 2 级 防护 之 间 采用 差模 电感 I 2 0 1 8年 第 1 期 张 子 良 煤矿 安全 监控 系统浪 涌 防护技 术研 究 4 3 L 做缓冲延时， 控制导通时序 。 1 I C 1 。 D2 一 T G N D 2 R 肌 L 2 c L _ _ J C 3 l 图 3煤 矿 安 全 监 控 系 统专 用 浪 涌 防 护 电 路 Fi g ． 3 De d i c a t e d s u r g e p r o t e c t i o n c i r c u i t f o r c o a l mi n e s a f e t y mo n i t o r i n g s y s t e m 图 3 中 ， M0V 和 GD T 的 耐 压 加 起 来 超 过 5 0 0 V即可 同 时实现 工频 耐压 和 浪涌抗 扰 度测试 。 3 ． 2 常规本 安过流 保护 与浪 涌防护 的综合 平衡 设 计 在无法利用储能元件等措施弥补本安电源箱短 时中断的前提下 ， 电源箱要求快 速响应 的本安过流 保护措施导致浪涌冲击 时系统重启 ， 难 以实现判据 A 试 验 期 间 ， 被 试 系 统 功 能 和性 能 水 平 无 任 何 异 常 。要解 决该 问题 ， 必 须缓 解 常规本 安 过流保 护设 计与浪涌防护设计的冲突 ， 进行整体综合平衡设计 。 首先对 电源箱本安 电路进行改造 ， 降低其过流 保 护 电路 的敏感 性 ， 将 电源 保 护 芯 片 响 应 敏 感度 从 微秒级调整至毫秒级 ， 使其对微秒级 的过流干扰不 予响应 。其次采用小 电容 吸收瞬态微秒 级过压 干 扰 。最 后采 用软 件 滤波 方式 进一 步处 理微 秒级 及 以 下 干扰 。 采用上述综合平衡设计方案既能够实现对浪涌 冲击的防护 ， 又可满足本 安要求 。电源箱本安过流 保护电路经改造后 ， 配合后级设备的浪涌防护电路 ， 即可 以性能 判据 A 通 过浪 涌抗 扰度 试验 。 4结语 针对煤矿设备的特殊性 ， 从煤矿安规要求出发 ， 重点说明了常规浪涌防护设计 与绝缘耐压要求、 常 规系统级浪涌防护设计与煤矿 电气设备本安要求的 冲突问题 ， 并通过分析给出了解决方案 ， 实现 了煤矿 安 规与 E MC 防 护 兼 顾 。相 关 浪 涌 防 护 技 术 已 在 KJ 8 3 N A 煤矿安全监控系统 中得 到应用， 并通过 了安标认证 ， 以性能判据 A通过了浪涌抗扰度严酷 等 级 三级 士2 k V [ 试 验 。 参 考文献 R e f e r e n c e s [1] MT 2 O 9 1 9 9 O煤 矿通 信 、 检测 、 控制用 电工 电子产 品通用技术要求 [ S ] ． [2 ] MT 2 1 O l 9 9 O煤 矿通 信 、 检 测、 控 制用 电工 电子产 品基本试验方法 [ s ] ． [ 3] 国家煤矿安全监察局． 煤矿安全规程 [ M] ． 北京 煤炭 工业 出版社 ， 2 0 0 5 ． [ 4] 朱文立 ， 陈燕 ， 肖猛 ， 等． 电磁兼 容设计 与整 改对 策及 案例分析[ M] ． 北京 电子工业 出版社 ， 2 0 1 2 ． [ 5] 沙斐． 机 电一体化 系统 的电磁兼容技 术[ M] ． 北京 中 国电力出版社 ， 1 9 9 9 ． [ 6] 陈穷 ． 电磁兼容性 工程设计 手册[ M] ． 北京 国防工业 出版社 ， 1 9 9 3 ． [ 7] 钱 振 宇． 3 C认 证 中 的电磁 兼 容测 试 与对 策 [ M] ． 北 京 电子工业 出版社 ， 2 0 0 4 ． [8] WI L L I AMS T． 电磁 兼容设 计 与测试 [ M] ． 李 迪 ， 译． 4版。 北京 电子工业 出版社 ， 2 0 0 8 ． [9 ] WI L L I AMS T． 产品设计 中的 E MC技术[ M] ． 李迪， 译． 3 版． 北京 电子工业 出版社 ， 2 0 0 4 ． [ 1 O ] 孙继平 ， 彭霞 ， 王 涛 ， 等 ． AQ 6 2 0 1 --2 0 0 6煤矿 安全监 控系 统 通 用 技 术 要 求 [ M] ． 北 京 煤 炭 工 业 出 版 社 ， 2 0 0 6 ． [ 1 1 ] G B ／ T 1 7 6 2 6 ． 5 2 0 O 8电磁兼容试验和测量技术浪涌 冲击 抗扰度试验I s ] ． [ 1 2 ] I E C 6 1 0 0 0 4 5 e d 3 2 0 1 4 T e s t i n g a n d me a s u r e me n t t e c h n i q u e s s u r g e i mmu n i t y t e s t i S ] ． [ 1 3 ] L i n e a r T e c h n o l o g y ． L TM4 6 4 1 d a t a s h e e t [ E B ／ O L] ． [ 2 0 1 7 0 5 1 6 ] ．h t t p ／ ／ c d s ． 1 i n e a r ． c o m／ d o c s ／ e n ／ d a t a - s h e e t ／ 4 6 4 1 I e ． p d f ． [ 1 4 ] 孙 继平． 矿井监控 与通 信设 备电磁兼容性试验 的严酷 等级[ J ] ． 煤炭科学技术 ， 1 9 9 9 ， 2 7 6 2 3 2 4 ． S UN J i p i n g ． Ha r s h c l a s s i f i c a t i o n o n e l e c t r o ma g n e t i c c ompa t i bi l i t y o f mi ne mon i t o r i ng a nd mi n e c o mmu n i c a t i o n e q u i p me n t[ J ] ．C o a l S c i e n c e a n d Te c h n o l o g y， 1 9 9 9 ， 2 7 6 2 3 2 4 ．