礦用電機(jī)車直流架線供電保護(hù)系統(tǒng)的研究

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礦用電機(jī)車直流架線供電保護(hù)系統(tǒng)的研究

周穎

(山西宏廈建筑工程有限公司, 山西陽(yáng)泉045000 )

摘要針對(duì)現(xiàn)場(chǎng)直流電機(jī)車使用中存在的問題，利用硬件和軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)改造，使井下直流電機(jī)車的使用更加安全可靠；同時(shí)為井下直流電機(jī)車的安全運(yùn)行提供了比較有益的方案和合理的技術(shù)支持。

關(guān)鍵詞電機(jī)車；漏電保護(hù)；瓦斯檢測(cè)連鎖；穩(wěn)壓保護(hù)；短路保護(hù)

收稿日期：2014-11-05

作者簡(jiǎn)介：周穎(1974—)，女，山西陽(yáng)泉人， 2013年畢業(yè)于河北工程大學(xué),工程師，主要從事機(jī)電設(shè)備安裝調(diào)試及研究工作

中圖分類號(hào)：TD64+1

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1672-0652(2015)01-0021-04

AbstractAiming at the existing problem of using DC electric locomotive on the spot, design and transformation are carried out by using hardware and software to make the underground DC electric locomotive more safe and reliable. At the same time, it provides a beneficial scheme and reasonable technical support for safe operation of underground DC electric locomotive.

直流架線式電機(jī)車是在我國(guó)煤礦地面和井下廣泛使用的一種運(yùn)輸工具，具有成本低、運(yùn)輸能力大、維護(hù)簡(jiǎn)單、操作方便等特點(diǎn)，在礦井運(yùn)輸中占有重要的地位，特別是在低瓦斯礦井中普遍使用。

1項(xiàng)目技改前的狀況

煤礦現(xiàn)有的架線整流電源1個(gè)變電站一般為2套(4臺(tái)，一用一備)，為架線機(jī)車供電。當(dāng)前存在的主要問題是：

1) 架線整流電源輸出沒有穩(wěn)壓措施，常常導(dǎo)致電壓輸出超過(guò)600 V.

2) 井下機(jī)車滿負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，額定電流在400 A左右，但是由于架線距離較長(zhǎng)(大約5 500 m)，導(dǎo)致在最遠(yuǎn)端短路時(shí)，短路電流小于400 A，設(shè)置短路電流小于400 A會(huì)引起經(jīng)常性跳閘，影響正常運(yùn)行，不能實(shí)現(xiàn)有效短路保護(hù)。

3) 架線整流電源沒有漏電保護(hù)，且有些架線高度在1.9 m左右，一旦出現(xiàn)人員觸電，將會(huì)導(dǎo)致人員傷亡事故發(fā)生。

4) 缺乏瓦斯監(jiān)測(cè)與整流電源聯(lián)鎖裝置，不能實(shí)現(xiàn)安全運(yùn)行。

為解決上述問題，需要對(duì)現(xiàn)有的供電系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)改造。由于上述問題在我國(guó)絕大多數(shù)礦井普遍存在，因此，解決上述問題不僅對(duì)煤礦的安全具有現(xiàn)實(shí)意義，對(duì)于我國(guó)架線整流電源技術(shù)的進(jìn)步也具有重要的意義，具有廣泛的推廣價(jià)值和市場(chǎng)應(yīng)用前景。

2系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1直流架線漏電保護(hù)的設(shè)計(jì)

直流架線供電保護(hù)裝置的總體圖見圖1，該系統(tǒng)主要由主電路和控制電路兩部分組成。

圖1　直流架線整流保護(hù)系統(tǒng)的總體框圖

主電路由A、B、C三相電壓輸入，可控硅V1～V6組成三相全橋整流電路。M為架線機(jī)車電機(jī)，DK2為輸出直流開關(guān)，DK1為輸入交流開關(guān)，JC為輸入交流接觸器的觸點(diǎn)。附加直流脈沖電源電路是由直流測(cè)試電源、測(cè)試開關(guān)以及測(cè)試電流傳感器組成。

控制部分包括以PLC及微處理器(DSP)為核心的各種監(jiān)測(cè)與控制電路，主要包括狀態(tài)監(jiān)測(cè)、輸入電壓檢測(cè)、主電路的負(fù)載電流檢測(cè)、控制信號(hào)輸出等功能。除此之外，控制器還完成液晶顯示、鍵盤處理、故障記憶和查詢等功能。另外還包括與上位機(jī)的通訊功能，以便組成整個(gè)煤礦井下監(jiān)控系統(tǒng)。

煤礦井下漏電保護(hù)對(duì)保護(hù)時(shí)間要求非常強(qiáng)，由于PLC程序是采用逐句掃描的方式工作，所有數(shù)據(jù)都是集中輸入、集中輸出；當(dāng)檢測(cè)到發(fā)生漏電時(shí)不能立即對(duì)整流電流進(jìn)行斷電控制。在該裝置的研制過(guò)程中，PLC內(nèi)部單片機(jī)芯片用C語(yǔ)言編程，通過(guò)PLC內(nèi)部系統(tǒng)的中斷掃描實(shí)現(xiàn)漏電檢測(cè)功能。

漏電保護(hù)程序主要用到2個(gè)定時(shí)器。當(dāng)可控硅開始觸發(fā)為架線供電時(shí)，T1定時(shí)器工作，期間不對(duì)架線進(jìn)行絕緣檢測(cè)，只對(duì)架線進(jìn)行循環(huán)過(guò)流檢測(cè)，當(dāng)T1定時(shí)時(shí)間到達(dá)時(shí)，由D/A模塊輸出低電平信號(hào)，停止觸發(fā)可控硅，架線電壓逐漸下降為零。當(dāng)檢測(cè)到架線電壓過(guò)零信號(hào)后，定時(shí)器T2開始裝入初值，考慮到分布參數(shù)的影響，軟件延時(shí)1 ms后再導(dǎo)通電力MOSFET管，附加直流電源開始對(duì)架線進(jìn)行絕緣檢測(cè)，并根據(jù)檢測(cè)結(jié)果執(zhí)行分支程序。當(dāng)程序進(jìn)行漏電檢測(cè)時(shí)，關(guān)閉所有的外部終端；當(dāng)定時(shí)器T2定時(shí)時(shí)間到達(dá)后，關(guān)斷電力MOSFET管，停止對(duì)架線電網(wǎng)的漏電檢測(cè)，如果沒有漏電發(fā)生，則繼續(xù)觸發(fā)可控硅，恢復(fù)對(duì)架線的正常供電。

2.2煤礦直流架線供電系統(tǒng)短路保護(hù)的設(shè)計(jì)

該裝置采用DDL短路保護(hù)的軟件設(shè)計(jì)，同漏電保護(hù)一樣，分為主程序和中斷服務(wù)程序。主程序包括初始化和自檢循環(huán)程序、故障處理程序。本文的軟件設(shè)計(jì)主要針對(duì)故障處理程序?？紤]到架線電流中諧波對(duì)電流上升率保護(hù)的影響，先提出了一種采樣數(shù)據(jù)的軟件濾波算法，再分別對(duì)di/dt保護(hù)和△I保護(hù)的軟件處理流程給予說(shuō)明。

2.2.1采樣電流的處理算法

1) 電流諧波對(duì)短路保護(hù)的影響。

直流架線供電采用三相全橋可控硅整流，電機(jī)車從整流器得到的電壓除包含1個(gè)直流分量外，還含有頻率為脈動(dòng)整數(shù)倍的諧波電壓，而直流電壓中包含的諧波分量會(huì)在負(fù)載中產(chǎn)生相應(yīng)頻率的諧波電流，即實(shí)際整流器輸出的電流是脈動(dòng)電流。

由于電流諧波的存在，勢(shì)必會(huì)對(duì)電流上升率di/dt和△I電流增量的計(jì)算產(chǎn)生很大的影響,特別是當(dāng)電流上升率較低時(shí)，DDL保護(hù)通過(guò)延時(shí)保護(hù)來(lái)區(qū)分短路故障和電機(jī)車的正常工作電流。延時(shí)保護(hù)的啟動(dòng)條件是當(dāng)延時(shí)時(shí)間達(dá)到時(shí)，判別di/dt是否大于整定值F，△I是否大于整定值Idel，而由于電流諧波的存在，使di/dt的判斷容易產(chǎn)生誤差，有可能在中遠(yuǎn)端的短路電流未達(dá)到穩(wěn)定之前出現(xiàn)di/dt≈0的情況，這將干擾電流增量判斷的持續(xù)時(shí)間，影響保護(hù)動(dòng)作的可靠性。

另一方面，由于中遠(yuǎn)端短路時(shí)的電流增量△I本身的值并不大，諧波會(huì)導(dǎo)致電流增量值的誤差變大，降低保護(hù)的靈敏度。當(dāng)電流上升率較大時(shí)，電流增量也會(huì)比較大，諧波對(duì)其影響就會(huì)小得多。因此，為保證短路保護(hù)動(dòng)作的可靠性，當(dāng)電流上升率較低時(shí)，對(duì)電流采樣值進(jìn)行濾波處理是非常必要的，當(dāng)電流上升率高時(shí)，則不必進(jìn)行濾波處理，以提高其安全可靠性。

2) 采樣數(shù)據(jù)的處理算法。

該算法主要是利用交流分量在1個(gè)周期內(nèi)的積分為零的原理，通過(guò)電流的近似數(shù)學(xué)模型，求出所需的指數(shù)形式的電流的穩(wěn)態(tài)值及其時(shí)間常數(shù)。通過(guò)仿真驗(yàn)證，證明了該算法能有效去除諧波，且計(jì)算多為簡(jiǎn)單的加減乘除，因而相對(duì)小的多。

2.2.2DDL保護(hù)的故障處理

首先，對(duì)電流輸入信號(hào)進(jìn)行采樣，當(dāng)檢測(cè)到電流上升率滿足di/dt

當(dāng)故障服務(wù)程序啟動(dòng)后，首先檢測(cè)是否滿足瞬時(shí)保護(hù)的條件，若滿足，則瞬時(shí)斷電；否則，返回保護(hù)主程序，程序進(jìn)入延時(shí)階段。

電流上升率延時(shí)保護(hù)和電流增量延時(shí)保護(hù)是同時(shí)開始，獨(dú)立進(jìn)行的，兩者相互配合。當(dāng)延時(shí)保護(hù)啟動(dòng)后，程序要不斷循環(huán)計(jì)算電流上升率di/dt，并判斷它是否大于F。如果在達(dá)到T1時(shí)，電流上升率一直大于F，則電流上升率延時(shí)保護(hù)動(dòng)作。在計(jì)算電流增量的過(guò)程中，允許電流上升率在相對(duì)較短的時(shí)間內(nèi)回落到足di/dt在保護(hù)整定值F之下。只要這段時(shí)間不超過(guò)足di/dt返回延時(shí)整定值TAmax，則保護(hù)不返回；反之，保護(hù)返回。程序?qū)⒃谘訒r(shí)時(shí)間到達(dá)Tm后計(jì)算當(dāng)前電流采樣值相對(duì)啟動(dòng)時(shí)刻計(jì)算基值的電流增量，然后根據(jù)電流增量延時(shí)保護(hù)的判定方法決定是否進(jìn)行保護(hù)跳閘。DDL保護(hù)的故障處理流程見圖2.

圖2　DDL保護(hù)的故障處理流程圖

DDL保護(hù)的軟件實(shí)現(xiàn)需要判斷是否滿足啟動(dòng)條件，它的實(shí)現(xiàn)放在電流定時(shí)采樣及處理中斷程序中。采樣中斷后，先進(jìn)入電流上升率保護(hù)啟動(dòng)模塊，判斷瞬時(shí)保護(hù)或延時(shí)保護(hù)是否啟動(dòng)，滿足啟動(dòng)條件則進(jìn)入各自的故障處理模塊去執(zhí)行相應(yīng)程序。

2.3直流架線電源輸出穩(wěn)定電壓功能的設(shè)計(jì)

PLC對(duì)架線電壓的采樣值進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，并與程序設(shè)定的穩(wěn)壓值進(jìn)行比較、運(yùn)算，最終得出穩(wěn)壓所需要的控制電壓，經(jīng)過(guò)D/A模塊輸出到CON端。穩(wěn)壓流程圖見圖3.

圖3　穩(wěn)壓程序流程圖

由于架線機(jī)車屬于阻感性負(fù)載，因此，三相全橋可控硅整流電流的輸出電壓為：

2.34U1cosα=1.35Upcosα

(1)

式中：

UMN—整流后輸出電壓；

U1—三相交流電壓任一相電壓幅值；

Up—三相交流電壓輸入平均幅值；

α—晶閘管的觸發(fā)角(°)，移相范圍0~90.

因此，在Up保持不變的情況下，架線的平均電壓由晶閘管的觸發(fā)角α決定。當(dāng)觸發(fā)角α=0時(shí)，各晶閘管均在自然換相點(diǎn)處換相，此時(shí)對(duì)應(yīng)的電壓值最大，隨著觸發(fā)角的增大，架線平均電壓在減小，通過(guò)控制晶閘管的觸發(fā)角就可以來(lái)控制直流架線電壓的大小，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓的目的。

2.4瓦斯檢測(cè)與整流電源供電的聯(lián)鎖設(shè)計(jì)

瓦斯傳感器與整流柜處理器電路相連，通過(guò)通訊得到甲烷傳感器的測(cè)量值，微處理器電路根據(jù)測(cè)量值的大小確定斷電還是正常運(yùn)行。當(dāng)瓦斯傳感器的測(cè)量值超過(guò)報(bào)警設(shè)定值后，微處理器電路停止可控硅觸發(fā)，并切斷電源，從而實(shí)現(xiàn)瓦斯檢測(cè)與供電的聯(lián)鎖功能。其原理圖見圖4.

圖4　瓦斯與整流電源供電閉鎖圖

3 技術(shù)改造后的效果

經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)使用測(cè)試其技術(shù)指標(biāo)如下：

1) 防護(hù)等級(jí)標(biāo)志為：IP34.

2) 輸入三相交流電壓有效值：線電壓420～500 V,輸入頻率50 Hz.

3) 輸出額定電壓：DC550 V；具有輸出穩(wěn)壓功能，輸出電壓不大于600 V.

4) 輸出額定電流500 A.

5) 效率≥97%(額定輸入輸出情況下)。

6) 過(guò)載能力：直流輸出發(fā)生斷路時(shí)，能在40 ms內(nèi)迅速斷電，裝設(shè)斷路保護(hù)開關(guān)應(yīng)能協(xié)調(diào)正確工作，而整流可控硅無(wú)損壞。

7) 漏電保護(hù)時(shí)間：550 V輸出系統(tǒng)≤45 ms；絕緣電阻值檢測(cè)≤5 kΩ.

8) 瓦斯檢測(cè)：能檢測(cè)瓦斯傳感器濃度超過(guò)設(shè)定值報(bào)警并能迅速斷電。

9) 過(guò)壓保護(hù)：出現(xiàn)過(guò)壓時(shí)迅速斷電。

以上參數(shù)與未改造前系統(tǒng)相比較，降低了過(guò)流跳閘次數(shù)，同時(shí)該系統(tǒng)將漏電保護(hù)功能、瓦斯?jié)舛乳]鎖功能、穩(wěn)壓功能、基于電流上升率及電流增量的過(guò)流保護(hù)功能集于一體，使系統(tǒng)安全性、可靠性增強(qiáng)。使用該系統(tǒng)后，能根據(jù)架線電壓的參數(shù)，自動(dòng)調(diào)節(jié)，保證架線電壓處于一個(gè)穩(wěn)定的范圍內(nèi)(600 V以下)；能夠?qū)崿F(xiàn)近端、遠(yuǎn)端短路保護(hù)，解決以前頻繁跳閘的現(xiàn)象；實(shí)現(xiàn)瓦斯檢測(cè)與整流電源聯(lián)鎖控制，一旦瓦斯超限，能切斷電源供電，保證系統(tǒng)的安全可靠?，F(xiàn)場(chǎng)使用后提高了電機(jī)車的運(yùn)行效率，減小了維護(hù)量，運(yùn)行更加穩(wěn)定。

4結(jié)論

此煤礦井下架線直流機(jī)車供電綜合保護(hù)系統(tǒng)，加強(qiáng)了煤礦架線機(jī)車供電的安全性、可靠性，其技術(shù)性能不僅能夠保障井下架線供電機(jī)車系統(tǒng)安全平穩(wěn)運(yùn)行，而且可為同類設(shè)備提供技術(shù)支持，具有較好的社會(huì)效益。

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Research on Power Supply Protection System of

Direct Current Trolley in Mining Electric Locomotive

ZHOU Ying

Key wordsElectric locomotive; Leakage protection; Gas detection chain; Voltage protection; Short circuit Protection----------------------------------------------------------------------------------------------