CN112421935A - 一种煤矿巷道用的易燃易爆场所照明防爆电源及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种煤矿巷道用的易燃易爆场所照明防爆电源及方法，属于煤矿巷道照明设备防爆技术领域。技术方案是：电流检测传感器检测照明负载电路电流的状况；根据过载电路强度与持续时间判断出过载以致短路的全过程，控制高速关断电路迅速关断防爆电源对外部供电传输线路及用电设备的供电。本发明电流检测传感器在金属防爆壳体内完成照明负载电路电流的检测，并通过金属防爆壳体内的大功率MOS开关管切断照明电源，整个过程全部在金属防爆壳体内进行，不会在煤矿巷道产生任何电气火花。同时对过载及短路情况进行准确分析和判断，区分过载和短路并及时处理，保证煤炭生产安全有有序进行。

Description

一种煤矿巷道用的易燃易爆场所照明防爆电源及方法

技术领域

本发明涉及一种煤矿巷道用的易燃易爆场所照明防爆电源及方法，特别是以大电流群组照明设备的电气高速关断为目标，研究煤矿巷道及化工、油库等区域照明设备在意外短路时可能造成重大爆炸事故的预防的方法及专用设备，同时对大容量本安电源的研究及应用进行探讨，属于煤矿巷道照明设备防爆技术领域。

背景技术

目前，矿用照明隔爆类开关只是开关壳体防爆，而壳体外的照明设备及照明线路不具有真正的防爆功能，若是意外短路或其他原因造成瞬间大电流，则极易产生电火花，可能导致发生重大灾难性事故。国内煤矿巷道照明用电源及开关多为隔爆型照明综保装置，其隔爆原理为：将照明用电源及开关置于金属防爆壳体内，金属防爆壳体密封闭合后才能对外供电，所以，该类隔爆型照明综保只是在金属防爆壳体内对相关电气开关、设备等具有物理防爆功能，发生爆炸时不会波及外部。而对于壳体外的照明设备、照明线路的保护则是应用继电器触点的断开来切断电路过载大电流或短路电流的，由于继电器的动作过程中有电感线圈存在，使得继电器的动作时间较长（0.13-0.36s），不能及时阻断短路时瞬间电火花的产生。而在金属防爆壳体外的照明设备、照明线路若是意外短路或被采煤设备、工作面支护等金属物砸断而短路造成瞬间大电流，则极易产生电火花，可能导致发生重大灾难性事故。因此已有技术的大量煤矿巷道用隔爆型照明综保装置不具有真正的整体性防爆功能。另外，煤矿巷道内的照明负载情况复杂，有的时候只是出现了短暂的过载，并没有出现短路的风险，有的时候过载波动较大，有的时候过载可能会引发短路，有的时候是出现了短路事故，但是，已有技术无法准确的区分，很容易造成误操作和操作不及时，给煤炭生产带来不利影响。

发明内容

本发明目的是提供一种煤矿巷道用的易燃易爆场所照明防爆电源及方法，可使得煤矿巷道照明用电源及开关不但本体具有防爆功能（置于金属防爆壳体内），而且金属防爆壳体外部置于易燃易爆场所的照明线路、照明设备也都具备真正的整体性防爆功能，不产生电火花，可防止发生重大灾难性事故，同时，对过载及短路情况进行准确分析和判断，区分过载和短路并及时处理，保证煤炭生产安全有有序进行，即使解决已有技术中存在的上述问题。

本发明的技术方案是：

一种煤矿巷道用的易燃易爆场所照明防爆电源，包含金属防爆壳体、开关、变压器、整流桥、大功率MOS开关管、电流检测传感器、单片机、A/D转换电路和高速关断电路，金属防爆壳体构成防爆电源本体防爆部分，变压器、开关、整流桥、大功率MOS开关管、电流检测传感器、单片机、A/D转换电路和高速关断电路置于金属防爆壳体内，共同构成防爆电源外部传输线路及用电设备的防爆部分；在金属防爆壳体内，开关及变压器提供127V交流电源，整流桥和大功率MOS开关管组成无触点开关电路为照明负载提供电源，电流检测传感器检测照明电路电流状况， A/D转换电路将电流检测传感器检测的电流信号转换为数字信号送入单片机处理，高速关断电路高速输出关断信号；电流检测传感器在金属防爆壳体内完成照明负载电路电流的检测，并通过金属防爆壳体内的大功率MOS开关管切断照明电源，整个过程全部在金属防爆壳体内进行，不会在煤矿巷道产生任何电气火花。

本发明硬件组成包括检测控制系统、输入部分和输出部分；

检测控制系统由带有A/D转换的单片机作为CPU组成控制系统，单片机及A/D转换电路完成电路检测的控制；

输入部分为电流检测传感器，与单片机连接；

输出部分：由主电路和控制电路两部分组成；主电路由连接到交流电源的整流桥、大功率MOS开关管、电流检测传感器及照明负载组成，电流检测传感器检测照明负载电流信号，大功率MOS开关管执行关断负载或过载电流的任务；控制电路为高速关断电路，高速关断电路由比较器和两个光电耦合电路构成，完成对大功率MOS开关管的控制。

本发明还设有相关的辅助设备和测量工具，包括散热器、辅助电流检测传感器、辅助状态检测电子开关电路、检测用继电器、状态指示灯等。

所述的辅助状态检测电子开关电路，包含晶体管9013及电阻构成，状态指示灯为带有限流电阻的LED发光二极管。

一种煤矿巷道用的易燃易爆场所照明电源防爆方法，采用上述防爆电源，包含如下内容：

将开关、变压器、整流桥、大功率MOS开关管、电流检测传感器、单片机A/D转换电路、高速关断电路置于金属防爆壳体内，构成防爆电源本体防爆部分；将电流检测传感器串联接入金属防爆壳体内对外部供电的传输线路及照明负载的电路回路中形成检测电路，检测照明负载电路电流的状况；A/D转换电路负责将电流检测传感器检测到的电路电流异动形成的电压信号转换成数字信号送至单片机，单片机进行计算判断，根据过载电路强度与持续时间判断出过载以致短路的全过程，若有短路现象发生，则发出控制指令，控制高速关断电路迅速关断防爆电源对外部供电传输线路及用电设备的供电，短路时间极短，< 1mS，短路点处不产生火花。

所述单片机判断是否发生过载以致短路的过程如下：

①首先单片机根据照明额定负载计算出实际的额定电流，当检测照明负载电流超出额定值的30%且小于50%时，开始增加检测次数，若持续5秒后照明负载电流仍超出额定值的30%，则给出警告并显示过载信息，若持续时间大于1分钟，则关断照明负载并显示过载信息。

②当检测照明负载电流超出额定值的50%及以上时，单片机开始连续检测输出电流，若持续10秒后照明负载电流仍超出额定值的50%及以上，则单片机声光报警并关断照明负载、显示过载信息。

③当检测照明负载电流超出额定值的100%及以上时，单片机开始全力检测输出电流，若持续2秒后照明负载电流仍超出额定值的100%及以上，则单片机声光报警并关断照明负载、显示过载信息。

④当照明负载电流突然增加至超出额定值的200%及以上时，单片机对上述信号连续采集10次以上，经软件分析及滤波处理后，连续采集值均超出额定值的200%及以上，则给出短路的结论，发出指令，控制高速关断电路完成关断电路的任务，总执行时间远少于1ms。

高速关断电路由比较器、光电耦合器和三极管驱动电路构成，电流检测传感器与无触点开关电路中的无触点开关电路串联，输出信号连接比较器，比较器连接两个光电耦合器及三极管驱动电路，三极管驱动电路的输出连接大功率MOS开关管。所述高速关断电路设有复位开关S2和复位指示灯DS1；高速关断电路动作后用于复位。所述电流检测传感器为外附的分流器JR。所述光电耦合器数量为两个，分别为光电耦合器一U2和光电耦合器二U3，起对地隔离作用。所述三极管驱动电路由两个三极管构成，两个三极管分别是三极管一Q1和三极管二Q2。照明负载ZM为2500W；光电耦合器一U2和光电耦合器二U3型号为4503，三极管一Q1型号为9103和三极管二Q2型号为9102。

本发明的创新点：

1、电流检测传感器在金属防爆壳体内完成照明负载电路电流的检测，并通过金属防爆壳体内的大功率MOS开关管切断照明电源，整个过程全部在金属防爆壳体内进行，不会在煤矿巷道产生任何电气火花，整个过程真正具有防爆功能。

2、对过载及短路情况进行准确分析和判断，根据过载电路强度与持续时间分别进行处理，同时，区分过载与短路并及时处理，保证煤炭生产安全有有序进行。

本发明的有益效果是：本发明是针对煤矿巷道、化工、油库等区域照明设备在意外短路时可能造成重大爆炸事故的预防方法，突破了目前国内易燃易爆区域照明隔爆类开关只是开关壳体具有防爆功能，而对开关壳体外的照明设备、照明线路不具备防爆功能的瓶颈，使得易燃易爆场所的安全照明得到极大改观，明亮的环境提升了操作现场的安全性，易于推广应用，同时，对过载及短路情况进行准确分析和判断，区分过载和短路并及时处理，保证煤炭生产安全有有序进行。

附图说明

图1为本发明功能结构示意图；

图2为本发明电气原理图，因电气开关、变压器为通用标准部件，未在本图中画出。

具体实施方式

以下结合附图，通过实施例对本发明作进一步说明。

一种煤矿巷道用的易燃易爆场所照明防爆电源，包含金属防爆壳体、开关、变压器、整流桥、大功率MOS开关管、电流检测传感器、单片机、A/D转换电路和高速关断电路，金属防爆壳体构成防爆电源本体防爆部分，变压器、开关、整流桥、大功率MOS开关管、电流检测传感器、单片机、A/D转换电路和高速关断电路置于金属防爆壳体内，共同构成防爆电源外部传输线路及用电设备的防爆部分；在金属防爆壳体内，开关及变压器提供127V交流电源，整流桥和大功率MOS开关管组成无触点开关电路为照明负载提供电源，电流检测传感器检测照明电路电流状况， A/D转换电路将电流检测传感器检测的电流信号转换为数字信号送入单片机处理，高速关断电路高速输出关断信号；电流检测传感器在金属防爆壳体内完成照明负载电路电流的检测，并通过金属防爆壳体内的大功率MOS开关管切断照明电源，整个过程全部在金属防爆壳体内进行，不会在煤矿巷道产生任何电气火花。

本发明还设有相关的辅助设备和测量工具，包括散热器、辅助电流检测传感器、辅助状态检测电子开关电路、检测用继电器、状态指示灯等。

所述的辅助状态检测电子开关电路，包含晶体管9013及电阻构成，状态指示灯为带有限流电阻的LED发光二极管。

一种煤矿巷道用的易燃易爆场所照明电源防爆方法，采用上述防爆电源，包含如下内容：

将开关、变压器、整流桥、大功率MOS开关管、电流检测传感器、单片机A/D转换电路、高速关断电路置于金属防爆壳体内，构成防爆电源本体防爆部分；将电流检测传感器串联接入金属防爆壳体内对外部供电的传输线路及用电设备的电路回路中形成检测电路，检测电路电流的状况；A/D转换电路负责将电流检测传感器检测到的电路电流异动形成的电压信号转换成数字信号送至单片机，单片机进行计算判断，根据过载电路强度与持续时间判断出过载以致短路的全过程，若有短路现象发生，则发出控制指令，控制高速关断电路迅速关断防爆电源对外部供电传输线路及用电设备的供电，短路时间极短，< 1ms，短路点处不产生火花。

在实施例中，本发明硬件组成及工作原理：

硬件组成包括检测控制系统、输入部分和输出部分。

见图1、图2，检测控制系统的负载能力参数为：电压 AC 127V（220V）, 电流10--20A，电流电压参数可调整。由51系列带有A/D转换的单片机STC89C51作CPU组成控制系统，单片机及A/D转换电路完成电路检测的控制。

输入部分：JR为300mv/30A 的Q53型外附分流器，作检测主电路电流的电流检测传感器，其一端接至STC89C51 CPU的P1.0，另一端接至STC89C51 CPU的ANGND端。

输出部分：由主电路和控制电路两部分组成；主电路由连接到AC127V（220V）的整流桥（D1-D4）KPB5010、ATP10050型MOSFET开关管Q3、JR及照明负载ZM1000-2500W组成；用于提供负载电流及检测信号，并能执行关断负载或过载电流的任务；控制电路由STC89C51输出端接入光耦电路4503的输入端，经光电耦合电路4503完成对主电路的控制。

本发明的软件及控制过程：

软件：检测控制系统采用C语言进行软件编程。

控制过程如下：

①首先单片机根据照明额定负载计算出实际的额定电流为20A，在单片机STC89C51的A/D输入端产生约200mV的电压，A/D转换后变成数字量为20左右，当检测照明负载电流超出额定值的30%且小于50%时，A/D转换后变成数字量为26--30左右，开始增加检测次数，若持续5秒后照明负载电流仍超出额定值的30%，则给出警告并显示过载信息，若持续时间大于1分钟，则关断照明负载并显示过载信息。

②当检测照明负载电流超出额定值的50%及以上时，A/D转换后变成数字量为30以上，单片机开始连续检测输出电流，若持续10秒后照明负载电流仍超出额定值的50%，则单片机发出声光报警并关断照明输出、显示过载信息。

③当检测照明负载电流超出额定值的100%及以上时，A/D转换后变成数字量为60以上，单片机开始连续检测输出电流，若持续2秒后照明负载电流仍超出额定值的100%，则单片机发出声光报警并关断照明输出、显示过载信息。

④当照明负载电流突然增加至超出额定值的200%及以上时，A/D转换后变成数字量为90以上，单片机对上述信号连续采集10次以上，经软件分析及滤波处理后，连续采集值均超出额定值的200%，则给出短路的结论，发出指令，控制高速关断电路完成关断电路的任务，使照明输出被关断，总执行时间远少于1ms。

高速关断电路由比较器、光电耦合器和三极管驱动电路构成，电流检测传感器与无触点开关电路中的无触点开关电路串联，输出信号连接比较器，比较器连接两个光电耦合器及三极管驱动电路，三极管驱动电路的输出连接大功率MOS开关管。所述高速关断电路设有复位开关S2和复位指示灯DS1；高速关断电路动作后用于复位。所述电流检测传感器为外附的分流器JR。所述光电耦合器数量为两个，分别为光电耦合器一U2和光电耦合器二U3，起对地隔离作用。所述三极管驱动电路由两个三极管构成，两个三极管分别是三极管一Q1和三极管二Q2。照明负载ZM为2500W；光电耦合器一U2和光电耦合器二U3型号为4503，三极管一Q1型号为9103和三极管二Q2型号为9102。

所述单片机检测到短路现象发生，发出控制指令，完成迅速关断防爆电源对外部供电传输线路及用电设备供电的过程如下：

①单片机发出控制指令使得P1.0为1。

②比较器LT1713的-IN为1，则OUT端为0，导致U2的V0端为0，使得三极管Q1关断，Q2导通。

③大功率MOS开关管Q3的G端为-15V，S端为+8V，迅速关断，ZM负载断电。U3功能为保持断电状态。

本发明检测控制系统按图2连线，表1为图2电路元件功能及参数。

表1

实施例中加载照明负载2500W,在负载间或线路间，用导线在黑暗处碰击短路时，关断照明电路且不产生火花，重复上述动作亦无火花，达到预期目标，同时该检测控制系统在启动时亦能检测线路是否短路。

Claims (8)

1.一种煤矿巷道用的易燃易爆场所照明防爆电源，其特征在于：包含金属防爆壳体、开关、变压器、整流桥、大功率MOS开关管、电流检测传感器、单片机、A/D转换电路和高速关断电路，金属防爆壳体构成防爆电源本体防爆部分，变压器、开关、整流桥、大功率MOS开关管、电流检测传感器、单片机、A/D转换电路和高速关断电路置于金属防爆壳体内，共同构成防爆电源外部传输线路及用电设备的防爆部分；在金属防爆壳体内，开关及变压器提供127V交流电源，整流桥和大功率MOS开关管组成无触点开关电路为照明负载提供电源，电流检测传感器检测照明电路电流状况， A/D转换电路将电流检测传感器检测的电流信号转换为数字信号送入单片机处理，高速关断电路高速输出关断信号；负责电流检测的传感器在金属防爆壳体内完成照明负载电路电流的检测，并通过金属防爆壳体内的大功率MOS开关管切断照明电源，整个过程全部在金属防爆壳体内进行，不会在煤矿巷道产生任何电气火花。

2.根据权利要求1所述的一种煤矿巷道用的易燃易爆场所照明防爆电源，其特征在于：包括检测控制系统、输入部分和输出部分；

检测控制系统由带有A/D转换的单片机作为CPU组成控制系统，单片机及A/D转换电路完成电路检测的控制；

输入部分为电流检测传感器，与单片机连接；

输出部分：由主电路和控制电路两部分组成；主电路由连接到交流电源的整流桥、大功率MOS开关管、电流检测传感器及照明负载组成，电流检测传感器检测照明负载电流信号，大功率MOS开关管执行关断负载或过载电流的任务；控制电路为高速关断电路，高速关断电路由比较器和两个光电耦合电路构成，完成对大功率MOS开关管的控制。

3.根据权利要求1或2所述的一种煤矿巷道用的易燃易爆场所照明防爆电源，其特征在于：所述高速关断电路设有复位开关S1和复位指示灯DS1。

4.根据权利要求1或2所述的一种煤矿巷道用的易燃易爆场所照明防爆电源，其特征在于：所述电流检测传感器为外附的分流器JR。

5.根据权利要求1或2所述的一种煤矿巷道用的易燃易爆场所照明防爆电源，其特征在于：所述光电耦合器数量为两个，分别为光电耦合器一U2和光电耦合器二U3。

6.根据权利要求1或2所述的一种煤矿巷道用的易燃易爆场所照明防爆电源，其特征在于：所述三极管驱动电路由两个三极管构成，两个三极管分别是三极管一Q1和三极管二Q2。

7.一种煤矿巷道用的易燃易爆场所照明电源防爆方法，采用权利要求1-6任意一项所限定的防爆电源，其特征在于包含如下内容：

将开关、变压器、整流桥、大功率MOS开关管、电流检测传感器、单片机A/D转换电路、高速关断电路置于金属防爆壳体内，构成防爆电源本体防爆部分；将电流检测传感器串联接入金属防爆壳体内对外部供电的传输线路及用电设备的电路回路中形成检测电路，检测电路电流的状况；A/D转换电路负责将电流检测传感器检测到的金属防爆壳体外部的照明设备、照明线路的负载电路电流异动形成的电压信号转换成数字信号送至单片机，单片机进行计算判断，根据负载电路电流强度与持续时间判断出过载以致短路的全过程，若有短路现象发生，则发出控制指令，控制高速关断电路迅速关断防爆电源对外部供电传输线路及用电设备的供电，短路时间极短，< 1ms，短路点处不产生火花。

8.根据权利要求7所述的一种煤矿巷道用的易燃易爆场所照明电源防爆方法，其特征在于所述单片机判断是否发生过载以致短路的过程如下：

①首先单片机根据照明额定负载计算出实际的额定电流，当检测照明负载电流超出额定值的30%且小于50%时，开始增加检测次数，若持续5秒后照明负载电流仍超出额定值的30%，则给出警告并显示过载信息，若持续时间大于1分钟，则关断照明负载并显示过载信息；

②当检测照明负载电流超出额定值的50%及以上时，单片机开始连续检测输出电流，若持续10秒后照明负载电流仍超出额定值的50%及以上，则单片机声光报警并关断照明负载、显示过载信息；

③当检测照明负载电流超出额定值的100%及以上时，单片机开始全力检测输出电流，若持续2秒后照明负载电流仍超出额定值的100%及以上，则单片机声光报警并关断照明负载、显示过载信息；

④当照明负载电流突然增加至超出额定值的200%及以上时，单片机对上述信号连续采集10次以上，经软件分析及滤波处理后，连续采集值均超出额定值的200%及以上，则给出短路的结论，发出指令，控制高速关断电路完成关断电路的任务，总执行时间远少于1ms。

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