礦用安全型組合開關保護系統的應用設計*

吳 波

(臨汾市煤炭設計院有限公司，山西 臨汾 041000)

0 引 言

組合開關是煤礦中重要的電氣控制設備，在煤礦的電氣設備啟動、停止運行、或者電力系統發生故障時，都發揮著重要的作用。當前，組合開關的運行均存在性能不穩定，對負載電機保護不完善等問題[1]，導致故障時有發生。此外，由于井下環境惡劣復雜，常常充斥著可燃氣體，而普通開關在開合時會產生火花，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、本質安全電路、短路保護等硬件保護電路的基礎上，設計了礦井隔爆兼本質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，保證煤礦生產的安全。

1 本質安全電路及原理

煤礦含有高濃度的氣體，如果發生電火花，發生爆炸事故的可能性很大。隨著煤礦機械化的發展，煤礦內電氣設備越來愈多，電氣設備的隔爆變得極為緊迫[3]。本質安全電路是指在正常運行或在規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，當使用本質安全電路時，還需要注意外部電路對其的影響[4]。當前，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]。文中設計的礦山防爆組合開關保護電路主要采用了一種基于繼電器隔離的本質安全電路，該本質安全電路如圖1所示。

圖1 本質安全電路圖

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換為直流電源。最后，通過電容器C1平滑后，后續電路可以獲得穩定的直流功率。當按下SB1按鈕時，繼電器XJ1通電，常開觸點XJ關閉，電氣設備可以正常啟動。

2 保護電路設計

2.1 漏電保護電路

漏電故障是指三相供電系統中一相、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，一旦發生漏電故障，不僅會危及人身安全，還會造成意外事故，導致停產，煤礦生產遭受巨大損失[6]。為防止漏電故障引起的各種事故，漏電電流應限于危險觸電電流。目前，煤礦供電設備有幾種保護方法，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。三相電網對地的總絕緣電阻可根據安全要求進行確定。當總絕緣電阻達到系統的設定值時，將切斷電源，并采取漏電保護。當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。大部分遲相運行發生在以斷路器作為短路保護的電源系統中。遲相運行狀態是由單相熔絲的熔化造成的。少數是由一相導體斷開或接觸點脫落引起的。在長期退相運行過程中，定子和轉子的溫度會急劇升高，導致電機燒壞。

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，推送觸發器以實現保護。提出的斷相檢測電路如圖3所示。當組合開關接通時，三相電流互感器的二次側的電流在R1、R2、R3上產生電壓降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電氣設備的電源，以實現相位故障保護。

圖3 斷相檢測電路

2.3 過壓保護電路

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

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，然后連接到開關的負載側。由于真空接觸器具有良好的滅弧特性，所以在系統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的負載側的感應負載產生電磁能量，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備的損壞。在正常工作狀態下，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。當發生過壓故障時，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，從而保護組合開關的負載側的裝置，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備的允許值。在煤礦低壓供電系統中，當電網過載、單相運行、雙相短路、電網電壓嚴重抵消時，會導致電路中的電路過大，甚至超過電路電流尺寸的正常工作。

當電路處于過載狀態時，過載電流會導致電網內的電纜加熱。當電路長時間處于過載狀態時，熱量繼續積累，最終導致設備電路的燃燒或電機的燃燒。為了解決這一問題，系統需要實時檢測組合開關的三相工作電流。當檢測到的電流值大于設定值時，過載保護工作或報警。目前，組合開關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。根據明確時間保護的原則，保護動作時間與故障電流無關；根據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限保護的原理設計了一種過載保護電路，并根據過載保護電流的大小設置了保護時限。當達到保護時間值時，組合開關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，并與存儲的設定電流值進行比較?？删幊踢壿嬁刂破鞲鶕容^結果發出指令，并斷開故障電路。

圖5 過載保護電路

3 保護電路的應用效果分析

為驗證保護電路的各項性能，針對所應用的組合開關進行各種模塊功能試驗。

對漏電實驗的模擬是通過調節系統線路的對地電阻來模擬線路的對地絕緣性能，經驗證，當電壓為660 V，絕緣電阻為20.5 k時從系統檢測到絕緣故障經過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，試驗結果顯示，在故障發生后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，在過載倍數為6倍時，動作的實際時間8 s，但在合理的范圍內。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，結果表明，過壓保護的動作值設定為1.2倍標準電壓，設定動作時間為10 s，動作的實際時間8 s，滿足應用要求。

將所設計保護電路應用于控制工作面的乳化液泵，并進行為期3月的運行試驗。驅動負載是乳化液泵電機，負荷由滿載到卸載電流變化差值大，變化頻繁，但是組合開關的運行、起動及停車狀況正常，表明控制回路經得起惡劣環境的考驗，達到了設計要求。

4 結 語

根據地下煤礦的供電特點，在現有的傳統保護電路的基礎上，提出了一種基于繼電器隔離的本質安全電路的保護方案，就不同的故障類型討論設計了其相應的保護電路，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，實際應用可實現組合開關對全系統網絡的保護和檢測。通過將所設計保護電路應用于控制工作面的乳化液泵進行為期3個月的運行，驗證了設計的可行性和穩定性，可有效地保證了煤礦生產的安全。