礦用安全型組合開關(guān)保護(hù)系統(tǒng)的應(yīng)用設(shè)計(jì)*

吳 波

(臨汾市煤炭設(shè)計(jì)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(dòng)、停止運(yùn)行、或者電力系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，都發(fā)揮著重要的作用。當(dāng)前，組合開關(guān)的運(yùn)行均存在性能不穩(wěn)定，對(duì)負(fù)載電機(jī)保護(hù)不完善等問題[1]，導(dǎo)致故障時(shí)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(shí)會(huì)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(hù)、本質(zhì)安全電路、短路保護(hù)等硬件保護(hù)電路的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了礦井隔爆兼本質(zhì)安全型電路保護(hù)電路方案，所提出的保護(hù)電路措施可以有效地保護(hù)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(jī)械化的發(fā)展，煤礦內(nèi)電氣設(shè)備越來(lái)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(yùn)行或在規(guī)定的試驗(yàn)條件下不能點(diǎn)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(shí)，還需要注意外部電路對(duì)其的影響[4]。當(dāng)前，一般采用電氣隔離和機(jī)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(jì)的礦山防爆組合開關(guān)保護(hù)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(shí)，繼電器XJ1通電，常開觸點(diǎn)XJ關(guān)閉，電氣設(shè)備可以正常啟動(dòng)。

2 保護(hù)電路設(shè)計(jì)

2.1 漏電保護(hù)電路

漏電故障是指三相供電系統(tǒng)中一相、兩相或三相對(duì)地的絕緣值降至危險(xiǎn)的絕緣值的情況。由于地下存在大量的危險(xiǎn)氣體和粉塵，一旦發(fā)生漏電故障，不僅會(huì)危及人身安全，還會(huì)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(xiǎn)觸電電流。目前，煤礦供電設(shè)備有幾種保護(hù)方法，包括零序電壓保護(hù)、零級(jí)電流檢測(cè)保護(hù)、零序電流方向保護(hù)和附加的直流電源檢測(cè)保護(hù)。提出的保護(hù)電路采用了基于附加直流電源的漏電檢測(cè)電路。附加直流電源檢測(cè)的電路圖如圖2所示。

圖2 附加直流電源檢測(cè)的電路圖

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

2.2 相位故障保護(hù)電路

遲相運(yùn)行是指由于電源的相斷而引起的電機(jī)的異常運(yùn)行狀態(tài)。大部分遲相運(yùn)行發(fā)生在以斷路器作為短路保護(hù)的電源系統(tǒng)中。遲相運(yùn)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(diǎn)脫落引起的。在長(zhǎng)期退相運(yùn)行過程中，定子和轉(zhuǎn)子的溫度會(huì)急劇升高，導(dǎo)致電機(jī)燒壞。

電機(jī)相位故障保護(hù)的一般方法是畫出相位線電流的不對(duì)稱信號(hào)，并通過振幅檢測(cè)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(shí)現(xiàn)保護(hù)。提出的斷相檢測(cè)電路如圖3所示。當(dāng)組合開關(guān)接通時(shí)，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(duì)U1、U2、U3進(jìn)行整流和濾波，可以得到三個(gè)直流信號(hào)。可編程邏輯控制器通過檢測(cè)三個(gè)直流信號(hào)來(lái)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(shí)現(xiàn)相位故障保護(hù)。

圖3 斷相檢測(cè)電路

2.3 過壓保護(hù)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(shí)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(hù)時(shí)間短、電壓值大、頻率高等特點(diǎn)，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(hù)來(lái)限制過壓。組合開關(guān)中的瞬態(tài)過壓的保護(hù)是通過吸收RC和變阻器來(lái)實(shí)現(xiàn)的。

因此，采用了一種RC吸收保護(hù)電路來(lái)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(huì)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(jī)繞組中的電容器充電然后變成電場(chǎng)能。電阻-電容吸收器件能有效抑制過壓的瞬時(shí)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(duì)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(duì)整個(gè)電路沒有影響。當(dāng)發(fā)生過壓故障時(shí)，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(huì)迅速下降。因此，電流可以通過變速器快速放電，從而保護(hù)組合開關(guān)的負(fù)載側(cè)的裝置，有效地保護(hù)過壓。

圖4 RC吸收保護(hù)電路

2.4 過載保護(hù)電路

過載是電路中的實(shí)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(yùn)行、雙相短路、電網(wǎng)電壓嚴(yán)重抵消時(shí)，會(huì)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(shí)，過載電流會(huì)導(dǎo)致電網(wǎng)內(nèi)的電纜加熱。當(dāng)電路長(zhǎng)時(shí)間處于過載狀態(tài)時(shí)，熱量繼續(xù)積累，最終導(dǎo)致設(shè)備電路的燃燒或電機(jī)的燃燒。為了解決這一問題，系統(tǒng)需要實(shí)時(shí)檢測(cè)組合開關(guān)的三相工作電流。當(dāng)檢測(cè)到的電流值大于設(shè)定值時(shí)，過載保護(hù)工作或報(bào)警。目前，組合開關(guān)的過載保護(hù)主要采用兩種保護(hù)原則，一種是時(shí)限保護(hù)原則，另一種是逆時(shí)限保護(hù)原則。根據(jù)明確時(shí)間保護(hù)的原則，保護(hù)動(dòng)作時(shí)間與故障電流無(wú)關(guān)；根據(jù)逆時(shí)間極限保護(hù)原理，動(dòng)作時(shí)間極限與電流大小成反比。基于逆時(shí)限保護(hù)的原理設(shè)計(jì)了一種過載保護(hù)電路，并根據(jù)過載保護(hù)電流的大小設(shè)置了保護(hù)時(shí)限。當(dāng)達(dá)到保護(hù)時(shí)間值時(shí)，組合開關(guān)將切斷電源以保護(hù)電路。

圖5為所提出的過載保護(hù)電路。電流互感器產(chǎn)生電壓降，通過交流電壓信號(hào)濾波整流成直流信號(hào)進(jìn)行處理，并與存儲(chǔ)的設(shè)定電流值進(jìn)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(hù)電路

3 保護(hù)電路的應(yīng)用效果分析

為驗(yàn)證保護(hù)電路的各項(xiàng)性能，針對(duì)所應(yīng)用的組合開關(guān)進(jìn)行各種模塊功能試驗(yàn)。

對(duì)漏電實(shí)驗(yàn)的模擬是通過調(diào)節(jié)系統(tǒng)線路的對(duì)地電阻來(lái)模擬線路的對(duì)地絕緣性能，經(jīng)驗(yàn)證，當(dāng)電壓為660 V，絕緣電阻為20.5 k時(shí)從系統(tǒng)檢測(cè)到絕緣故障經(jīng)過73 ms，繼電器斷開。在相位故障試驗(yàn)中，通過人為切斷電源一相來(lái)模擬相位故障，試驗(yàn)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(yàn)中，通過改變信號(hào)源的輸出電流值的大小來(lái)模擬電流過載實(shí)驗(yàn)顯示，在過載倍數(shù)為6倍時(shí)，動(dòng)作的實(shí)際時(shí)間8 s，但在合理的范圍內(nèi)。過壓保護(hù)實(shí)驗(yàn)中，直接采用變壓器來(lái)模擬電壓故障時(shí)的電壓信號(hào)，結(jié)果表明，過壓保護(hù)的動(dòng)作值設(shè)定為1.2倍標(biāo)準(zhǔn)電壓，設(shè)定動(dòng)作時(shí)間為10 s，動(dòng)作的實(shí)際時(shí)間8 s，滿足應(yīng)用要求。

將所設(shè)計(jì)保護(hù)電路應(yīng)用于控制工作面的乳化液泵，并進(jìn)行為期3月的運(yùn)行試驗(yàn)。驅(qū)動(dòng)負(fù)載是乳化液泵電機(jī)，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(yùn)行、起動(dòng)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(yàn)，達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。

4 結(jié) 語(yǔ)

根據(jù)地下煤礦的供電特點(diǎn)，在現(xiàn)有的傳統(tǒng)保護(hù)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(hù)方案，就不同的故障類型討論設(shè)計(jì)了其相應(yīng)的保護(hù)電路，包括漏電保護(hù)電路、相位故障保護(hù)電路、過載保護(hù)電路、過壓保護(hù)電路，實(shí)際應(yīng)用可實(shí)現(xiàn)組合開關(guān)對(duì)全系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的保護(hù)和檢測(cè)。通過將所設(shè)計(jì)保護(hù)電路應(yīng)用于控制工作面的乳化液泵進(jìn)行為期3個(gè)月的運(yùn)行，驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的可行性和穩(wěn)定性，可有效地保證了煤礦生產(chǎn)的安全。