ВЗРЫВОБЕЗОПАСНЫЙ ШАХТНЫЙ ИСТОЧНИК ПИТАНИЯ

Полезная модель относится к горной промышленности, в частности, к взрывобезопасным при ведении горных работ и переработки твердых полезных ископаемых шахтным источникам питания для автоматизированных систем оперативно-диспетчерского управления, систем управления технологическими процессами, систем автоматического управления и контроля, систем связи в нормальных и аварийных условиях, которые используют в наземных помещениях, в подземных выработок шахт и рудников, в том числе, опасных по газу (метану), пыли и внезапным выбросам.
Известен искробезопасный шахтный источник питания (Патент RU 2652729, публ. 28.04.2018), содержащий аккумуляторную батарею (АКБ), преобразователь (DC-DC) стабилизации выходного напряжения при изменении напряжения на клеммах АКБ в процессе разряда, гальваническую развязку цепи АКБ и цепи нагрузки, к выходу которого подсоединен блок контроля напряжения и тока участка искробезопасной цепи, имеющий датчик тока, операционный усилитель (ИОУ), микроконтроллер (МК), полупроводниковый ключ и выход источника питания.
Устройство работает следующим образом: в случае если в преобразователе (DC-DC) возникает неисправность, приводящая к росту тока и напряжения на выходе, а, следовательно, увеличится напряжение на выходе датчика тока. Это напряжение усиливается инвертирующим операционным усилителем и подается на вход A/D0 аналогового входа микроконтроллера. При достижении напряжения и тока пороговых значений, задаваемых программой управления микроконтроллера, на цифровом выходе РВ0 формируется управляющее напряжение, запирающее ключ. После запирания ключа выход источника питания оказывается обесточен, что и требуется для обеспечения искробезопасности.
Недостатком устройства являются низкие потребительские параметры и необходимость постоянного обслуживания аккумуляторной батареи и ее замены, что ограничивает технологические возможности использования данного источника питания в системах оперативно-диспетчерского управления, систем управления технологическими процессами в нормальных и аварийных условиях наземных помещений и в подземных выработок шахт и рудников.
Известно техническое решение, в соответствии с которым предлагается взрывобезопасный шахтный источник питания, содержащий защитный корпус, взрывонепроницаемую металлическую оболочку, аккумуляторный и сетевой блоки, сетевой блок имеет два кабельных ввода питающего переменного тока, электронную плату с функциональными элементами на основе интерфейса с информационными выходами к внешнему устройству, преобразователя переменного напряжения в импульсное постоянное, преобразователь импульсного постоянного напряжения в стабилизированное постоянное, систему диодов, кабельный выход к потребителю через искрозащитные элементы, аккумуляторный блок имеет аккумулятор, соединенный с зарядным устройством, электрически связанным каналами ввода питающего переменного тока, выход напряжения аккумулятора к потребителю через искрозащитные элементы (см. патент РФ №97879 ПМ, публ. 20.09.2010 г.). Данное техническое решение является ближайшим аналогом заявляемой полезной модели.
Характерной особенностью данного технического решения является использование защитного корпуса с расположенной в нем единой взрывонепроницаемой оболочкой для монтажа аккумуляторного и сетевого блока с отдельным герметизированным компаундом монолитным блоком для искрозащитных элементов, что усложняет процесс демонтажа искрозащитных элементов, что усложняет процесс демонтажа аккумуляторного блока, имеющего ограниченный ресурс эксплуатации по сравнению с ресурсом эксплуатации сетевого блока, что в целом снижает ресурс эксплуатации и надежность работы устройства и ограничивает технологические возможности шахтного источника питания по обеспечению нагрузочными устройствами различных потребителей, как при нормальных, так и при аварийных ситуациях работы.
При реализации данного технического решения кабельные вводы питающего переменного тока соединены с преобразователями импульсного переменного тока в импульсное постоянное с информационными выходами ко входу интерфейса, расположение которого в металлической оболочке противоположно кабельным вводам питающего переменного тока и соединенных с ними преобразователями, что приводит к усложнению электромонтажной схемы устройства и ее эксплуатационной надежности. Предусмотренное в известном техническом решении электрическое соединение зарядного устройства с преобразователем импульсного переменного тока в импульсное постоянное приводит к нестабильности заряда и к наличию искроопасных ситуаций, что может привести к нарушению работы устройства в целом. В используемом устройстве интерфейса информационные выводы подсоединены к внешнему информационному устройство, что не обеспечивает получения оперативной информации в зоне эксплуатации источника питания.
В целом выявленные недостатки известного устройства снижают его эксплуатационную надежность и ограничивают технологические возможности его работы в туннелях, подземных хранилищах и в зонах выработки подземных полезных ископаемых, в том числе, как при нормальных, так и при аварийных ситуациях работы.
Технический результат полезной модели заключается в повышении эксплуатационной надежности работы взрывобезопасного шахтного источника питания на предприятиях с подземной добычей полезных ископаемых, в различных туннелях, подземных хранилищах и других объектах, в том числе, как при нормальных, так и при аварийных ситуациях работы, обеспечении энергоснабжения искробезопасного электрооборудования, находящегося на удалении от источников сетевого напряжения, и ретрансляции потока информации при построении протяженных цифровых каналов связи.
Для достижения поставленного технического результата предложен взрывобезопасный шахтный источник питания, содержащий защитный корпус, взрывонепроницаемую металлическую оболочку, аккумуляторный и сетевой блоки, сетевой блок имеет два кабельных ввода питающего переменного тока, электронную плату с функциональными элементами на основе интерфейса с информационными выходами к внешнему устройству, преобразователь переменного напряжения в импульсное постоянное, преобразователь импульсного постоянного напряжения в стабилизированное постоянное, систему диодов, кабельный выход к потребителю через искрозащитные элементы, аккумуляторный блок имеет аккумулятор, соединенный с зарядным устройством, электрически связанным каналами ввода питающего переменного тока, выход напряжения аккумулятора к потребителю через искрозащитные элементы, и плату ретрансляции потока цифровых данных, согласно полезной модели, металлическая защитная оболочка выполнена из двух частей в виде разъемно соединяемых между собой сетевого и аккумуляторного модулей, каждый из которых герметизирован компаундом, в сетевом модуле смонтирован сетевой блок, кабельные вводы переменного тока для подключения питающих искроопасных напряжений сетевого модуля соединены с интерфейсом электронной платы, имеющего информационные выходы к светодиодным индикаторам, расположенным на внешней поверхности защитного корпуса, и выход через диод к преобразователю импульсного переменного напряжения в импульсно постоянные, выходы последнего соединены с преобразователями импульсного постоянного напряжения в выходные стабилизированные напряжения, выход одного из которых через диод соединен с автоматом искрозащитных элементов, соединенного через диод с кабельным вводом к клеммам сетевого питания нагрузочных устройств потребителей, а выход другого преобразователя импульсного постоянного напряжения в выходные стабилизированные напряжения соединен с автоматом искрозащитных элементов, выход которого через клеммные разъемы сетевого модуля и аккумуляторного модуля соединен через диод с зарядным устройством аккумуляторного модуля, аккумулятор которого через диод и преобразователь импульсного напряжения в стабилизированное постоянное соединен с автоматом искрозащитных элементов, который через диод соединен с вводом питающего напряжения аккумулятора к клеммам для питания потребителей и без диода с вводом питающего напряжения встроенного модуля ретрансляции потока цифровых данных.
Выполнение взрывобезопасного шахтного источника питания на основе двух модулей соответственного для монтажа сетевого и аккумуляторного блоков, электрически взаимносвязанных между собой, значительно повышает эксплуатационную надежность работы шахтного источника питания, расширяются технологические возможности по обеспечению питанием нагрузочных устройств потребителей, в том числе автономных и мобильных, при этом сетевой блок используется как зарядное устройство для аккумуляторного блока, как при нормальной работе сетевого обеспечения, так и при аварийных ситуациях, аккумуляторный блок может использоваться как ретранслятор цифрового потока данных при построении протяженных цифровых каналов связи при отсутствии источников сетевого электроснабжения. При этом также обеспечивается высокая готовность источника питания за счет упрощения ремонта аккумуляторного блока путем его замены.
Полезная модель поясняется графическими материалами, где на:
Фиг. 1 показана структурная схема построения сетевого и аккумуляторного модулей взрывобезопасного шахтного источника питания;
Фиг. 2 - внешний вид (вид спереди) взрывобезопасного шахтного источника питания.
Для реализации полезной модели используют традиционно известные для электротехнического оборудования, в том числе, для условий его работы в наземных помещениях и подземных выработках шахт и рудников опасных по газу (метану), пыли и внезапным выбросам, конструктивные изделия, материалы, электронные компоненты, измерительные, управляющие и информационные системы.
Взрывобезопасный шахтный источник питания содержит защитный металлический корпус, в котором расположены металлические оболочки на основе двух разъемно соединяемых между собой модулей соответственно сетевого 1 и аккумуляторного 2, каждый из которых выполнен в виде стального корпуса с крышкой (не показано). Для конструктивного соединения модулей по их разъему используют традиционные соединительные средства, например, болтовое соединение, фланцы 3, при этом в процессе эксплуатации шахтного источника питания при выходе из строя, снижения технических характеристик аккумуляторного модуля 2 осуществляют его замену.
Сетевой и аккумуляторный модули 1 и 2 после монтажа электрических схем герметизированы диэлектрическим теплопроводным кремнийорганическим компаундом.
Расположенные в металлических модулях 1 и 2 все электротехнические элементы, соединительные колодки, клеммы, провода, электронные платы, искробезопасные элементы защищены термореактивным компаудом, что соответствует требованиям к конструкции электрооборудования, предназначенного для применения во взрывоопасных газовых средах, а также электрооборудования, предназначенного для подключения к искробезопасным цепям, которые находятся в таких средах.
Сетевой модуль 1 имеет два кабельных ввода 4 и 5 переменного тока, соответственно для подключения питающего искроопасного основного и резервного сетевых напряжений, электронную плату с функциональными элементами. Электронная плата АВР имеет микропроцессорное устройство с информационными портами 6 для мониторинга работы источника питания. Интерфейс имеет информационные выходы для внешнего операционного устройства и информационные выходы через датчики тока о режиме работы «замкнут/разомкнут» (не показаны) к светодиодным индикаторам (или дисплею) 7 (Фиг. 2), расположенным на внешней поверхности защитного корпуса. При работе интерфейса обеспечивается:
- оперативная визуализация и контроль (в зоне эксплуатации источника питания) состояния основного, резервного источников переменного тока и аккумулятора, визуализация и контроль степени заряда-разряда аккумулятора посредством световых диодных индикаторов (СДИ) 7, соединенных с датчиками светового напряжения и соответствующими информационными выходами интерфейса;
- контроль и телеконтроль каналов искробезопасного питания потребителей, контроль и телеконтроль информации по цифровому каналу связи в шахтную систему диспетчеризации.
Выходы питающих напряжений электронной платы АВР 6 через диоды соединены с преобразователем 8 импульсного переменного напряжения в импульсное постоянное с выходами через диод к преобразователю 9 импульсного постоянного напряжения в стабилизированное постоянное (DC/DC). Преобразователь 9 импульсного постоянного напряжения в стабилизированное постоянное (DC/DC) модуля 1 соединяют с автоматом 10 искрозащитных элементов, который через диоды подсоединяют к кабельным вводам клемм для сетевого питания нагрузочных устройств 11 потребителей. Преобразователь 8 импульсного переменного напряжения в импульсное постоянное через предохранитель 12 соединен с преобразователем 13 импульсного постоянного напряжения в стабилизированной постоянное (DC/DC), на выходе данного преобразователя формируется повышенное питающее напряжение заряда. Преобразователь 13 через автомат 14 искрозащитных элементов и диод подсоединен к клеммным разъемам сетевого модуля 1, с которым соединяют клеммный разъем 15 аккумуляторного модуля 2 для ввода питающего напряжения к зарядному устройству 16 аккумулятора ВАТ, выход из которого соединен с преобразователем 17 постоянного напряжения в стабилизированное постоянное (DC/DC) модуля 2. Выход преобразователя 17 подсоединен через автомат 18 искрозащитных элементов к плате ретрансляции цифрового потока данных 19, которая через клеммы подсоединена к источнику и приемнику потока цифровых данных 11, и к клеммам аккумуляторного модуля 2 для питания нагрузочных устройств 11 потребителей. Аккумулятор ВАТ модуля 2 имеет ключ S для переключения его в режим «работа/хранение»
Автоматы 10, 14 и 18 с искрозащитными элементами обеспечивают защиту выхода питающих напряжений внешних нагрузок от тока короткого замыкания и повышенного напряжения, минимизируют выход энергии в искровом промежутке. Схема искрозащитных элементов выполнена по принципу порогового устройства, при котором величина установленного порога определяет величину тока ограничения при перегрузке и коротком замыкании и максимального напряжения. При превышении тока нагрузки тока ограничения, нагрузочные устройства потребителей отключаются.
Работа взрывобезопасного шахтного источника питания осуществляется в режимах его функционирования при нормальных условиях эксплуатации и при аварийных ситуациях.
Функционирование взрывобезопасного шахтного источника питания в нормальном режиме осуществляется при использовании основного и резервного переменного тока в одном диапазоне питающих напряжений от 27 до 140 В.
Выходное искробезопасное стабилизированное напряжение постоянного тока с аккумуляторной поддержкой и без нее составляет 12 В.
Функционирование источника питания в нормальном режиме осуществляется следующим образом:
в варианте работы сетевого модуля 1 с аккумуляторным модулем 2 (режим «работа») датчик основного питающего искроопасного напряжения или датчик резервного питающего напряжения интерфейса 5 замкнуты, при этом подсоединенный к соответствующему датчику светодиодный индикатор 7 светится и на выходных клеммах модуля 1 при наличии питающих напряжений и на клеммах аккумуляторного модуля 2 формируются стабилизированные искробезопасные напряжения для питания потребителей с подзарядкой аккумулятора ВАТ. При этом сетевой блок 1 может обеспечивать питание нагрузочных устройств 11 потребителей без подключенного аккумуляторного блока 2;
в варианте нормального режима функционирования сетевого модуля 1 в состоянии аккумуляторного модуля 2 (режим «хранение») на выходных кабельных клеммах модуля 1 при соответствующем питающем напряжении формируются стабилизированные искробезопасные напряжения для питания потребителей и происходит зарядка аккумулятора ВАТ, с которого напряжение питания не подается на нагрузочные устройства 11 потребителей.
Функционирование взрывобезопасного шахтного источника питания при отсутствии основного и резервного сетевого питания при аварийных ситуациях датчики питающего искроопасного напряжения модуля 1 разомкнуты и происходит формирование стабилизированных искробезопасных напряжений для питания потребителей на клеммах аккумуляторного модуля 2 (при заряженном аккумуляторе). Запас энергии в аккумуляторной батарее составляет ориентировочно 300 Вт·ч.
При функционировании взрывобезопасного шахтного источника питания при аварийных ситуациях не исключается возможность использования только аккумуляторного модуля 2 для обеспечения питания внешних устройств (датчиков, устройств сигнализации, связи и др.) в том числе в удалении от сетевого блока 1, на транспортных средствах и подвижном оборудовании, в том числе для ретрансляции цифрового потока данных между устройствами 1 с помощью платы ретранслятора (на чертежах не указана).
Взрывобезопасный шахтный источник питания был апробирован на мощностях центра по сертификации взрывозащищенного и рудничного оборудования (НАНИО ЦСВЭ) и в испытательной лаборатории ИЛ Ех ТУ. Получены положительные результаты, подтверждающие его эксплуатационную надежность в различных режимах функционирования.
Таким образом, взрывобезопасный шахтный источник питания на основе разъемно соединяемых между собой сетевого и аккумуляторного блоков повышает эксплуатационную надежность работы шахтного источника питания, как при нормальной работе сетевого обеспечения, так и при аварийных ситуациях.