矿用安全型组合开关保护系统的应用设计*

吴 波

(临汾市煤炭设计院有限公司，山西 临汾 041000)

0 引 言

组合开关是煤矿中重要的电气控制设备，在煤矿的电气设备启动、停止运行、或者电力系统发生故障时，都发挥着重要的作用。当前，组合开关的运行均存在性能不稳定，对负载电机保护不完善等问题[1]，导致故障时有发生。此外，由于井下环境恶劣复杂，常常充斥着可燃气体，而普通开关在开合时会产生火花，因此必须采用安全可靠的本安电路[2]。基于分析煤矿地下工作面的漏电保护、本质安全电路、短路保护等硬件保护电路的基础上，设计了矿井隔爆兼本质安全型电路保护电路方案，所提出的保护电路措施可以有效地保护电气系统，保证煤矿生产的安全。

1 本质安全电路及原理

煤矿含有高浓度的气体，如果发生电火花，发生爆炸事故的可能性很大。随着煤矿机械化的发展，煤矿内电气设备越来愈多，电气设备的隔爆变得极为紧迫[3]。本质安全电路是指在正常运行或在规定的试验条件下不能点燃爆炸性气体混合物的电路。值得注意的是，当使用本质安全电路时，还需要注意外部电路对其的影响[4]。当前，一般采用电气隔离和机械隔离的方法隔离外部电路以避免外部电路的影响[5]。文中设计的矿山防爆组合开关保护电路主要采用了一种基于继电器隔离的本质安全电路，该本质安全电路如图1所示。

图1 本质安全电路图

首先，变压器TC1用于将主回路的输入高电压降低到9～12V的低电压。然后通过整流器滤波器电路中的全桥式整流，将输入的交流电源转换为直流电源。最后，通过电容器C1平滑后，后续电路可以获得稳定的直流功率。当按下SB1按钮时，继电器XJ1通电，常开触点XJ关闭，电气设备可以正常启动。

2 保护电路设计

2.1 漏电保护电路

漏电故障是指三相供电系统中一相、两相或三相对地的绝缘值降至危险的绝缘值的情况。由于地下存在大量的危险气体和粉尘，一旦发生漏电故障，不仅会危及人身安全，还会造成意外事故，导致停产，煤矿生产遭受巨大损失[6]。为防止漏电故障引起的各种事故，漏电电流应限于危险触电电流。目前，煤矿供电设备有几种保护方法，包括零序电压保护、零级电流检测保护、零序电流方向保护和附加的直流电源检测保护。提出的保护电路采用了基于附加直流电源的漏电检测电路。附加直流电源检测的电路图如图2所示。

图2 附加直流电源检测的电路图

其中，Ra，Rb，Rc为对地集中电阻，Ca，Cb，Cc对地集中电容，LK为零级电抗，SK为三相电抗，kΩ为千欧级电阻测量仪，ZJ为直流继电器。三相电网对地的总绝缘电阻可根据安全要求进行确定。当总绝缘电阻达到系统的设定值时，将切断电源，并采取漏电保护。当测量的接地绝缘电阻小于漏电锁定值时，需要进行漏电保护，避免人身伤害。

2.2 相位故障保护电路

迟相运行是指由于电源的相断而引起的电机的异常运行状态。大部分迟相运行发生在以断路器作为短路保护的电源系统中。迟相运行状态是由单相熔丝的熔化造成的。少数是由一相导体断开或接触点脱落引起的。在长期退相运行过程中，定子和转子的温度会急剧升高，导致电机烧坏。

电机相位故障保护的一般方法是画出相位线电流的不对称信号，并通过振幅检测电流。如果相位线电流超过指定值，在固定延迟几秒到几十秒后，推送触发器以实现保护。提出的断相检测电路如图3所示。当组合开关接通时，三相电流互感器的二次侧的电流在R1、R2、R3上产生电压降U1、U2、U3。通过对U1、U2、U3进行整流和滤波，可以得到三个直流信号。可编程逻辑控制器通过检测三个直流信号来判断电路是否存在相位故障。如果电路有相位故障，可编程逻辑控制器将切断相应电气设备的电源，以实现相位故障保护。

图3 断相检测电路

2.3 过压保护电路

配电线路和电气设备在地下供电系统中与地面绝缘，因此它们暴露在相位电压下。如果受控电气设备的实际电压大于规定的额定电压，则为过压故障。过压可分为瞬态过压和稳态过压。这两种过压故障具有维护时间短、电压值大、频率高等特点，很容易导致设备的绝缘材料发生击穿。因此，为了避免电气设备绝缘介质的高压击穿，必须采用过压保护来限制过压。组合开关中的瞬态过压的保护是通过吸收RC和变阻器来实现的。

因此，采用了一种RC吸收保护电路来抑制过压。该电路如图4所示，它将电容器和电阻与电阻并联，然后连接到开关的负载侧。由于真空接触器具有良好的灭弧特性，所以在系统电流从最大值降至零之前，灭弧就会熄灭。电流的突然变化使得组合开关的负载侧的感应负载产生电磁能量，从而给电机绕组中的电容器充电然后变成电场能。电阻-电容吸收器件能有效抑制过压的瞬时振荡和高频电流，减缓过压的波形，降低着陆度和振幅程度。因此，它可以在一定程度上减少对电气设备的损坏。在正常工作状态下，变阻器的电阻值很高，因此外部变阻器对整个电路没有影响。当发生过压故障时，由于电压值超过了变速器的临界击穿值，因此电阻器的电阻会迅速下降。因此，电流可以通过变速器快速放电，从而保护组合开关的负载侧的装置，有效地保护过压。

图4 RC吸收保护电路

2.4 过载保护电路

过载是电路中的实际电流大于电气设备的允许值。在煤矿低压供电系统中，当电网过载、单相运行、双相短路、电网电压严重抵消时，会导致电路中的电路过大，甚至超过电路电流尺寸的正常工作。

当电路处于过载状态时，过载电流会导致电网内的电缆加热。当电路长时间处于过载状态时，热量继续积累，最终导致设备电路的燃烧或电机的燃烧。为了解决这一问题，系统需要实时检测组合开关的三相工作电流。当检测到的电流值大于设定值时，过载保护工作或报警。目前，组合开关的过载保护主要采用两种保护原则，一种是时限保护原则，另一种是逆时限保护原则。根据明确时间保护的原则，保护动作时间与故障电流无关；根据逆时间极限保护原理，动作时间极限与电流大小成反比。基于逆时限保护的原理设计了一种过载保护电路，并根据过载保护电流的大小设置了保护时限。当达到保护时间值时，组合开关将切断电源以保护电路。

图5为所提出的过载保护电路。电流互感器产生电压降，通过交流电压信号滤波整流成直流信号进行处理，并与存储的设定电流值进行比较。可编程逻辑控制器根据比较结果发出指令，并断开故障电路。

图5 过载保护电路

3 保护电路的应用效果分析

为验证保护电路的各项性能，针对所应用的组合开关进行各种模块功能试验。

对漏电实验的模拟是通过调节系统线路的对地电阻来模拟线路的对地绝缘性能，经验证，当电压为660 V，绝缘电阻为20.5 k时从系统检测到绝缘故障经过73 ms，继电器断开。在相位故障试验中，通过人为切断电源一相来模拟相位故障，试验结果显示，在故障发生后8 s，电源即被切断。在过载故障试验中，通过改变信号源的输出电流值的大小来模拟电流过载实验显示，在过载倍数为6倍时，动作的实际时间8 s，但在合理的范围内。过压保护实验中，直接采用变压器来模拟电压故障时的电压信号，结果表明，过压保护的动作值设定为1.2倍标准电压，设定动作时间为10 s，动作的实际时间8 s，满足应用要求。

将所设计保护电路应用于控制工作面的乳化液泵，并进行为期3月的运行试验。驱动负载是乳化液泵电机，负荷由满载到卸载电流变化差值大，变化频繁，但是组合开关的运行、起动及停车状况正常，表明控制回路经得起恶劣环境的考验，达到了设计要求。

4 结 语

根据地下煤矿的供电特点，在现有的传统保护电路的基础上，提出了一种基于继电器隔离的本质安全电路的保护方案，就不同的故障类型讨论设计了其相应的保护电路，包括漏电保护电路、相位故障保护电路、过载保护电路、过压保护电路，实际应用可实现组合开关对全系统网络的保护和检测。通过将所设计保护电路应用于控制工作面的乳化液泵进行为期3个月的运行，验证了设计的可行性和稳定性，可有效地保证了煤矿生产的安全。