吳 波

(臨汾市煤炭設(shè)計院有限公司，山西 臨汾 041000)

0 引 言

組合開關(guān)是煤礦中重要的電氣控制設(shè)備，在煤礦的電氣設(shè)備啟動、停止運行、或者電力系統(tǒng)發(fā)生故障時，都發(fā)揮著重要的作用。當(dāng)前，組合開關(guān)的運行均存在性能不穩(wěn)定，對負(fù)載電機保護不完善等問題[1]，導(dǎo)致故障時有發(fā)生。此外，由于井下環(huán)境惡劣復(fù)雜，常常充斥著可燃?xì)怏w，而普通開關(guān)在開合時會產(chǎn)生火花，因此必須采用安全可靠的本安電路[2]?；诜治雒旱V地下工作面的漏電保護、本質(zhì)安全電路、短路保護等硬件保護電路的基礎(chǔ)上，設(shè)計了礦井隔爆兼本質(zhì)安全型電路保護電路方案，所提出的保護電路措施可以有效地保護電氣系統(tǒng)，保證煤礦生產(chǎn)的安全。

1 本質(zhì)安全電路及原理

煤礦含有高濃度的氣體，如果發(fā)生電火花，發(fā)生爆炸事故的可能性很大。隨著煤礦機械化的發(fā)展，煤礦內(nèi)電氣設(shè)備越來愈多，電氣設(shè)備的隔爆變得極為緊迫[3]。本質(zhì)安全電路是指在正常運行或在規(guī)定的試驗條件下不能點燃爆炸性氣體混合物的電路。值得注意的是，當(dāng)使用本質(zhì)安全電路時，還需要注意外部電路對其的影響[4]。當(dāng)前，一般采用電氣隔離和機械隔離的方法隔離外部電路以避免外部電路的影響[5]。文中設(shè)計的礦山防爆組合開關(guān)保護電路主要采用了一種基于繼電器隔離的本質(zhì)安全電路，該本質(zhì)安全電路如圖1所示。

圖1 本質(zhì)安全電路圖

首先，變壓器TC1用于將主回路的輸入高電壓降低到9～12V的低電壓。然后通過整流器濾波器電路中的全橋式整流，將輸入的交流電源轉(zhuǎn)換為直流電源。最后，通過電容器C1平滑后，后續(xù)電路可以獲得穩(wěn)定的直流功率。當(dāng)按下SB1按鈕時，繼電器XJ1通電，常開觸點XJ關(guān)閉，電氣設(shè)備可以正常啟動。

2 保護電路設(shè)計

2.1 漏電保護電路

漏電故障是指三相供電系統(tǒng)中一相、兩相或三相對地的絕緣值降至危險的絕緣值的情況。由于地下存在大量的危險氣體和粉塵，一旦發(fā)生漏電故障，不僅會危及人身安全，還會造成意外事故，導(dǎo)致停產(chǎn)，煤礦生產(chǎn)遭受巨大損失[6]。為防止漏電故障引起的各種事故，漏電電流應(yīng)限于危險觸電電流。目前，煤礦供電設(shè)備有幾種保護方法，包括零序電壓保護、零級電流檢測保護、零序電流方向保護和附加的直流電源檢測保護。提出的保護電路采用了基于附加直流電源的漏電檢測電路。附加直流電源檢測的電路圖如圖2所示。

圖2 附加直流電源檢測的電路圖

其中，Ra，Rb，Rc為對地集中電阻，Ca，Cb，Cc對地集中電容，LK為零級電抗，SK為三相電抗，kΩ為千歐級電阻測量儀，ZJ為直流繼電器。三相電網(wǎng)對地的總絕緣電阻可根據(jù)安全要求進行確定。當(dāng)總絕緣電阻達(dá)到系統(tǒng)的設(shè)定值時，將切斷電源，并采取漏電保護。當(dāng)測量的接地絕緣電阻小于漏電鎖定值時，需要進行漏電保護，避免人身傷害。

2.2 相位故障保護電路

遲相運行是指由于電源的相斷而引起的電機的異常運行狀態(tài)。大部分遲相運行發(fā)生在以斷路器作為短路保護的電源系統(tǒng)中。遲相運行狀態(tài)是由單相熔絲的熔化造成的。少數(shù)是由一相導(dǎo)體斷開或接觸點脫落引起的。在長期退相運行過程中，定子和轉(zhuǎn)子的溫度會急劇升高，導(dǎo)致電機燒壞。

電機相位故障保護的一般方法是畫出相位線電流的不對稱信號，并通過振幅檢測電流。如果相位線電流超過指定值，在固定延遲幾秒到幾十秒后，推送觸發(fā)器以實現(xiàn)保護。提出的斷相檢測電路如圖3所示。當(dāng)組合開關(guān)接通時，三相電流互感器的二次側(cè)的電流在R1、R2、R3上產(chǎn)生電壓降U1、U2、U3。通過對U1、U2、U3進行整流和濾波，可以得到三個直流信號?？删幊踢壿嬁刂破魍ㄟ^檢測三個直流信號來判斷電路是否存在相位故障。如果電路有相位故障，可編程邏輯控制器將切斷相應(yīng)電氣設(shè)備的電源，以實現(xiàn)相位故障保護。

圖3 斷相檢測電路

2.3 過壓保護電路

配電線路和電氣設(shè)備在地下供電系統(tǒng)中與地面絕緣，因此它們暴露在相位電壓下。如果受控電氣設(shè)備的實際電壓大于規(guī)定的額定電壓，則為過壓故障。過壓可分為瞬態(tài)過壓和穩(wěn)態(tài)過壓。這兩種過壓故障具有維護時間短、電壓值大、頻率高等特點，很容易導(dǎo)致設(shè)備的絕緣材料發(fā)生擊穿。因此，為了避免電氣設(shè)備絕緣介質(zhì)的高壓擊穿，必須采用過壓保護來限制過壓。組合開關(guān)中的瞬態(tài)過壓的保護是通過吸收RC和變阻器來實現(xiàn)的。

因此，采用了一種RC吸收保護電路來抑制過壓。該電路如圖4所示，它將電容器和電阻與電阻并聯(lián)，然后連接到開關(guān)的負(fù)載側(cè)。由于真空接觸器具有良好的滅弧特性，所以在系統(tǒng)電流從最大值降至零之前，滅弧就會熄滅。電流的突然變化使得組合開關(guān)的負(fù)載側(cè)的感應(yīng)負(fù)載產(chǎn)生電磁能量，從而給電機繞組中的電容器充電然后變成電場能。電阻-電容吸收器件能有效抑制過壓的瞬時振蕩和高頻電流，減緩過壓的波形，降低著陸度和振幅程度。因此，它可以在一定程度上減少對電氣設(shè)備的損壞。在正常工作狀態(tài)下，變阻器的電阻值很高，因此外部變阻器對整個電路沒有影響。當(dāng)發(fā)生過壓故障時，由于電壓值超過了變速器的臨界擊穿值，因此電阻器的電阻會迅速下降。因此，電流可以通過變速器快速放電，從而保護組合開關(guān)的負(fù)載側(cè)的裝置，有效地保護過壓。

圖4 RC吸收保護電路

2.4 過載保護電路

過載是電路中的實際電流大于電氣設(shè)備的允許值。在煤礦低壓供電系統(tǒng)中，當(dāng)電網(wǎng)過載、單相運行、雙相短路、電網(wǎng)電壓嚴(yán)重抵消時，會導(dǎo)致電路中的電路過大，甚至超過電路電流尺寸的正常工作。

當(dāng)電路處于過載狀態(tài)時，過載電流會導(dǎo)致電網(wǎng)內(nèi)的電纜加熱。當(dāng)電路長時間處于過載狀態(tài)時，熱量繼續(xù)積累，最終導(dǎo)致設(shè)備電路的燃燒或電機的燃燒。為了解決這一問題，系統(tǒng)需要實時檢測組合開關(guān)的三相工作電流。當(dāng)檢測到的電流值大于設(shè)定值時，過載保護工作或報警。目前，組合開關(guān)的過載保護主要采用兩種保護原則，一種是時限保護原則，另一種是逆時限保護原則。根據(jù)明確時間保護的原則，保護動作時間與故障電流無關(guān)；根據(jù)逆時間極限保護原理，動作時間極限與電流大小成反比?；谀鏁r限保護的原理設(shè)計了一種過載保護電路，并根據(jù)過載保護電流的大小設(shè)置了保護時限。當(dāng)達(dá)到保護時間值時，組合開關(guān)將切斷電源以保護電路。

圖5為所提出的過載保護電路。電流互感器產(chǎn)生電壓降，通過交流電壓信號濾波整流成直流信號進行處理，并與存儲的設(shè)定電流值進行比較?？删幊踢壿嬁刂破鞲鶕?jù)比較結(jié)果發(fā)出指令，并斷開故障電路。

圖5 過載保護電路

3 保護電路的應(yīng)用效果分析

為驗證保護電路的各項性能，針對所應(yīng)用的組合開關(guān)進行各種模塊功能試驗。

對漏電實驗的模擬是通過調(diào)節(jié)系統(tǒng)線路的對地電阻來模擬線路的對地絕緣性能，經(jīng)驗證，當(dāng)電壓為660 V，絕緣電阻為20.5 k時從系統(tǒng)檢測到絕緣故障經(jīng)過73 ms，繼電器斷開。在相位故障試驗中，通過人為切斷電源一相來模擬相位故障，試驗結(jié)果顯示，在故障發(fā)生后8 s，電源即被切斷。在過載故障試驗中，通過改變信號源的輸出電流值的大小來模擬電流過載實驗顯示，在過載倍數(shù)為6倍時，動作的實際時間8 s，但在合理的范圍內(nèi)。過壓保護實驗中，直接采用變壓器來模擬電壓故障時的電壓信號，結(jié)果表明，過壓保護的動作值設(shè)定為1.2倍標(biāo)準(zhǔn)電壓，設(shè)定動作時間為10 s，動作的實際時間8 s，滿足應(yīng)用要求。

將所設(shè)計保護電路應(yīng)用于控制工作面的乳化液泵，并進行為期3月的運行試驗。驅(qū)動負(fù)載是乳化液泵電機，負(fù)荷由滿載到卸載電流變化差值大，變化頻繁，但是組合開關(guān)的運行、起動及停車狀況正常，表明控制回路經(jīng)得起惡劣環(huán)境的考驗，達(dá)到了設(shè)計要求。

4 結(jié) 語

根據(jù)地下煤礦的供電特點，在現(xiàn)有的傳統(tǒng)保護電路的基礎(chǔ)上，提出了一種基于繼電器隔離的本質(zhì)安全電路的保護方案，就不同的故障類型討論設(shè)計了其相應(yīng)的保護電路，包括漏電保護電路、相位故障保護電路、過載保護電路、過壓保護電路，實際應(yīng)用可實現(xiàn)組合開關(guān)對全系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的保護和檢測。通過將所設(shè)計保護電路應(yīng)用于控制工作面的乳化液泵進行為期3個月的運行，驗證了設(shè)計的可行性和穩(wěn)定性，可有效地保證了煤礦生產(chǎn)的安全。