浅谈智能矿用防爆开关及抗干扰技术研究应用

矿业作为国家能源供应的重要支柱，其智能化改造是提高产能与保障安全的核心途径。井下环境具有甲烷、煤尘等爆炸性介质，并伴随强电磁干扰、振动、高湿和粉尘等复杂工况，因而对电气设备的防爆与抗干扰能力提出了更高要求。现有矿用防爆开关以手动控制为主，普遍缺乏数据采集、远程监测与故障诊断功能且抗干扰设计不足，容易在复杂井下工况下发生误动作或通信中断，进而引发瓦斯爆炸和设备损毁，制约智能化进程。基于此，开展智能矿用防爆开关及其抗干扰技术的研究，优化防爆结构并集成智能化功能，以提升设备运行稳定性与作业安全，对推进矿井智能化具有重要的现实意义。

1.智能矿用防爆开关的核心设计

1.1 防爆结构设计

外壳采用碳钢 Q235A 材质，该材质具有高强度且抗拉强度 ⩾400MPa 、外壳高温静电喷塑，满足井下承重与环境需求。外壳容积设计为 800cm³ ，根据 GB/T 3836.2 要求，容积 V>100cm³ 时，隔爆外壳壁厚需不小于 6mm ，因此确定外壳主体壁厚为 8mm ，接合面、电缆引入处等关键部位壁厚增加至 10mm ，以提升抗爆炸压力能力。

门盖接合面采用平面隔爆结构， _L⩾25mm ， 1gtrsim12.5mm ，接合面长度从外壳内部到外部为 35mm ，接合面间隙控制在 0.15mm 以内，小于 GB/T 3836.2 规定的 0.2mm 上限，可有效阻止爆炸火焰传播。接合面表面粗糙度为 Ra⩽6.3μm ，避免因表面缺陷导致火焰泄漏，且接合面涂抹专用防锈油脂，既防止锈蚀，又保证密封性能。

电缆引入装置采用密封圈式结构，选用 IRHD 硬度 45^∘～55^∘ °的丁腈橡胶密封圈，密封圈内径与电缆外径配合间隙不大于 0.1mm ，外径与电缆引入孔配合间隙不大于 0.2mm ，通过压紧螺母将密封圈压实，实现防爆密封。每个电缆引入装置最多引入 2 根电缆，且电缆外径范围为 8mm～12mm ，适应井下常用电缆规格。此外，外壳设置泄压结构且泄压方向避开人员操作侧，泄压面积与外壳容积比为 0.05m²/m³ ，符合标准要求，可在内部爆炸时快速释放压力，保护外壳不破裂。

1.2 智能控制系统设计

（1）硬件设计

以 STM32H743 微处理器为核心，该处理器基于 ARMCortex-M7 架构，主频高达480MHz ，具备强大的数据处理能力，支持 16 位 ADC 采集且采集精度为 ±0.5% ，可满足多参数实时采集需求，且内置硬件加密模块，保障数据安全。

瓦斯传感器采用 MQ-2 型，其检测范围为 0～4%CH4 、分辨率为 0.01%CH4 、响应时间 ⩽10s ，且具备抗一氧化碳、硫化氢干扰能力。温度传感器采用 DS18B20，检测范围为- .55^∘C～+125^∘C ，在- 10‰ 温度区间内精度为 ±0.5^c ，且支持单总线通信，可简化布线。电流电压传感器采用 ACS712-20A 型号，其电流检测范围为- 20A～+20A 、电压检测范围为 0~30V、线性度误差 ⩽1.5% ，输出的模拟信号经处理器 ADC 转换为数字量。

通信模块采用型号为 KTC102-1 的矿用本安型 CAN 总线模块，符合 CAN2.0B 协议，传输速率 500kbps ，传输距离可达 2km 且无中继，抗干扰能力强，适应井下长距离通信。同时预留本安型 5G 模块接口且该接口兼容 NSA/SA 模式，可在井下 5G 覆盖区域实现高速数据传输，支持视频监控与远程操控。

真空接触器选用 CKJ11-80 型交流真空接触器，其额定电压为 1140V/660V、额定电流为 80A、机械寿命达 100 万次、电寿命达 60 万次，内置过载保护模块且当过载电流达到 1.2 倍额定电流时模块动作，可根据主控单元指令实现开关通断，且具备状态反馈功能，能将接触器吸合或断开状态传回主控单元。

（2）软件设计

基于 FreeRTOS 实时操作系统开发，确保多任务高效调度。数据采集程序采用定时中断方式，采集周期设定为 100ms ，采集的瓦斯浓度、温度、电流电压等原始数据经卡尔曼滤波算法处理，滤除随机干扰，提升数据准确性，针对电流信号中的高频噪声，卡尔曼滤波可将信噪比提升 20dB 以上。

远程控制程序采用“指令校验-状态反馈-执行确认”流程：地面监控系统发送控制指令，如“合闸”“分闸”，主控单元接收后先校验指令完整性与权限，校验通过后向执行机构发送控制信号，执行机构动作后将状态反馈至主控单元，主控单元再将执行结果回传地面，形成闭环控制，避免误操作。

故障诊断程序建立故障数据库，包含过流、过压、瓦斯超限、接触器拒动等 12 类常见故障，其中过流指电流超过 1.5 倍额定电流，过压指电压超过 1.1 倍额定电压，瓦斯超限指 CH4 浓度超过 1.0% ，接触器拒动指指令发送后 500ms 内无状态反馈，通过实时对比采集数据与故障阈值，识别故障类型，并触发相应保护动作：如瓦斯超限立即发送分闸指令，切断负载电源，同时启动外壳上的红色声光报警器且报警器声压级⩾85dB 、闪光频率为 1Hz～3Hz ，并将故障信息上传地面。

数据存储与上传程序采用 16GB 工业级 SD 卡存储关键数据，如故障记录、电流电压曲线，存储周期为 1 分钟/条，数据保留时间不低于 3 个月。同时每 5 分钟将瓦斯浓度、温度、电流、电压、设备状态等实时数据通过 CAN 总线上传至地面监控系统，实现远程监测。

2.井下抗干扰技术研究与实现

2.1 井下干扰源分析

（1）电磁干扰

最主要的干扰源，大型设备（采煤机、刮板输送机）启动时产生浪涌电流且峰值可达额定电流的 5～8 倍，形成强电磁辐射。变频器运行时输出电压含大量高次谐波，主要为 3 次、5 次、7 次谐波且谐波含量可达基波的 20%～30% ，通过电源线与空间辐射干扰周边设备。10kV 等高压电缆传输时产生的电磁感应，对邻近的低压信号电缆形成串扰，导致信号失真。

（2）机械干扰

井下采煤机、破碎机等设备运行时产生持续震动且振幅为 0.5mm～2mm ，可能导致开关内部元器件松动、接线端子接触不良。运输设备转载时产生冲击，如煤块撞击开关外壳，可能损坏外壳结构或内部电路板。

（3）环境干扰

井下湿度高且可达 95% ，易导致电路板受潮短路、金属部件锈蚀。粉尘颗粒，如煤尘、岩尘，进入开关内部，可能覆盖元器件表面，影响散热与绝缘性能。温度波动大且昼夜温差可达 20°C ，导致元器件参数漂移，如电容容量变化、电阻值偏差，影响系统稳定性。

2.2 抗干扰技术实现

（1）电磁抗干扰技术

采用“外壳屏蔽 内部屏蔽”双重结构，外壳对电磁波的屏蔽效能在 100MHz～1 GHz 频段可达 40dB～60dB，内部关键电路用 0.2mm 厚紫铜箔包裹并可靠接地且接地电阻 ⩽1Ω 。传感器信号线与通信线采用屏蔽电缆，电缆屏蔽层为镀锡铜网且覆盖率≥90% ，屏蔽层一端接地。

（2）滤波技术从电源与信号两端入手

电源端接入 CW2B-6A 型 EMI 滤波器，可滤除 10kHz～30MHz 频段干扰且插入损耗 ⩾30dB 传感器信号端采用 RC 低通滤波电路，电路中电阻为 1kΩ金属膜电阻、电容为 0.1μF 陶瓷电容，截止频率约 159kHz 。主控单元电源端加去耦电容。接地技术采用“单点接地+分类接地”方案，内部设接地铜排，数字地与模拟地分别连接至铜排不同点，再连接至井下接地极且接地电阻 ⩽2Ω 。布线遵循“强电弱电分离”原则，强电与弱电线路间距不小于 15cm ，强电线路穿金属管并接地。

（3）机械抗干扰技术

传感器模块通过 5mm 厚丁腈橡胶垫固定，橡胶垫压缩量控制在 20%～30%_⨀ 。主控电路板用金属螺钉固定在绝缘支架上，支架与外壳间加 3mm 厚硅胶垫。接线端子选用带防松结构的型号，拧紧力矩控制在 0.8N⋅m～1.2N⋅m 。外壳拐角采用圆弧过渡设计且圆弧半径为 10mm ，底座用 M8 高强度螺栓连接并加防松垫圈，外壳表面喷 2mm 厚聚氨酯涂层吸能。

（4）环境抗干扰技术

内部安装 CS-01 型本安除湿器，当湿度超过 60%RH 时除湿器启动，将湿度控制在 40%RH～60%o 。电路板涂覆 20μm～30μm 厚的三防漆。通风口采用迷宫式结构并加装 100 目防尘网，内部元器件覆聚四氟乙烯防尘罩。外壳先镀锌且镀锌层厚度 ⩾80 μm ，再喷环氧树脂粉末且粉末涂层厚度为 60μmm～80μm 。内部金属部件镀镍且镍层厚度 ⩾10μm ，以实现防腐效果。

结束语

本文针对井下复杂环境，开展智能矿用防爆开关及抗干扰技术研究，细化防爆结构与智能控制系统设计，提出多维度抗干扰方案。应用验证表明，开关防爆性能达标、智能化完善、抗干扰能力强，能提升设备稳定性、降低故障与维修成本。未来可探索AI 故障预测，优化自适应滤波抗干扰技术，结合 5G 与物联网实现全域监控，为矿业智能化安全发展提供更强支撑。

参考文献

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