基于故障電流變化率的本安短路保護電路設計

康 騫，許春雨，田慕琴，宋建成

(1.太原理工大學 礦用智能電器技術國家地方聯(lián)合工程實驗室，山西 太原 030024；2.太原理工大學 煤礦電氣設備與智能控制山西省重點實驗室，山西 太原 030024)

本安電源作為煤礦井下重要的供電設備，要求在正常工作或發(fā)生故障時產生的火花能量均不足以引發(fā)爆炸[1，2]。隨著井下電氣設備越來越集成化、信息化，小功率的本安電源無法滿足井下實際生產需求[3，4]。因此，研究提升本安電源輸出功率具有重要意義[5]。

傳統(tǒng)本安短路保護電路通過在主電路串聯(lián)采樣電阻進行識別，結構簡單但動態(tài)響應速度慢[6，7]。文獻[8，9]采用集成芯片控制技術，大大減少電路設計的復雜性，但保護原理沒有實質性變化。

針對目前本安電源存在的保護反應速度慢、輸出功率小等問題，本文設計了一種基于故障電流變化率的本安短路保護電路，為提升本安電源輸出功率提供技術支持。

1 基于故障電流變化率的短路故障檢測原理

本安電源短路故障模型可等效為如圖1所示的電勢電容電路[10]。圖1中，E為電源電勢，R0為充電電阻，C為濾波電容，ig為火花放電電流；S1為保護開關器件，R為短路回路電阻；Uh為發(fā)生火花放電的建弧電壓[11]，LS為短路等效電感[12]，ug為火花放電時的輸出端電壓。

圖1 電勢電容電路

由圖1可得：

由式(1)可得短路后火花放電電流ig、火花放電電壓ug、火花放電功率Wg分別為：

ug=uc-igR

(3)

(4)

通過Matlab對電勢電容電路短路后的火花放電模型進行仿真，仿真參數(shù)見表1。

表1 電勢電容電路參數(shù)

電勢電容電路短路后短路火花電流與短路火花電壓的變化曲線如圖2所示。由圖2可知，電勢電容電路發(fā)生故障后短路電流迅速上升，短路電壓迅速下降，同時故障電流變化率在故障發(fā)生初始階段發(fā)生突變。通過檢測短路后故障電流變化率的值，在傳統(tǒng)短路保護電路設定的閾值之前提前觸發(fā)保護功能，加快保護速度，提升本安電源輸出功率。

圖2 電勢電容電路輸出短路仿真波形

2 本安短路保護電路設計

2.1 故障電流變化率檢測電路

故障電流變化率檢測電路如圖3所示。Rs為電流采樣電阻，運算放大器A1和電阻R1、R2構成同相放大電路，運算放大器A2、A3，電阻R3、R4、R5和電容C1構成逆函數(shù)型微分檢測電路，用來將采樣信號轉換為微分信號。當本安電源發(fā)生短路故障時，is迅速上升，Rs兩端電壓u1為：

圖3 故障電流變化率檢測電路

u1=Rsis

(5)

微分檢測電路輸出為：

2.2 自恢復與驅動電路

自恢復與驅動電路如圖4所示。自恢復電路由555定時器U1、電阻R6及電容C2、C3組成，驅動電路由電阻R7-R12、電容C4、三極管Q2-Q4及P溝道MOS管Q1組成。當電路發(fā)生故障時，比較器翻轉輸出低電平，555定時器開始計時，開關管Q1關斷。計時結束后嘗試重啟電路，故障清除電路重新導通，否則進入下一周期計時。

圖4 自恢復與驅動電路

2.3 軟啟動電路

為防止電路啟動時電流上升過快造成誤動作，設計了如圖5所示的軟啟動電路。軟啟動電路由P溝道MOS管Q5、電阻R13、R14和電容C5構成。電路啟動時，電容C5通過電阻R14充電，電壓緩慢上升至R13上的分壓時，充電結束，開關管Q5緩慢開啟。

圖5 軟啟動電路

3 本質安全特性分析

當電路發(fā)生短路故障時，傳統(tǒng)短路保護電路直接將采樣電阻Rs兩端電壓連接到比較電路，短路電流要達到設定閾值才能觸發(fā)動作，采樣檢測時間較長。本文通過故障電流變化率檢測電路繼續(xù)對Rs兩端電壓進行放大微分處理。故障電流變化率檢測電路故障檢測速度快，能夠在發(fā)生短路故障初始階段故障電流變化率急劇增大時迅速實現(xiàn)故障檢測。

由上述分析可知，傳統(tǒng)短路保護電路短路故障檢測判據(jù)可表示為：

u1>Vth1

(7)

式中，Vth1為設定的故障檢測閾值；u1為故障后Rs兩端電壓，即式(5)。當采樣電路兩端電壓大于設定的閾值時，判定電路發(fā)生短路故障。

基于故障電流變化率的短路保護電路檢測判據(jù)為：

u2>Vth2

(8)

式中，Vth2為基于故障電流變化率的短路保護電路中比較電路的預設閾值；u2為故障后微分檢測電路輸出電壓，即式(6)。

由于表達式較為復雜，求解方程困難，此處通過函數(shù)圖像法進行分析。短路保護電路主要器件設計參數(shù)見表2。

表2 短路保護電路參數(shù)

為了比較兩種保護方法的本質安全性能，假設兩種保護方法比較電路預設的電壓閾值相同，即：

Vth1=Vth2=Vth

(9)

兩種短路保護電路檢測輸出電壓隨時間的變化曲線，如圖6所示。從圖中可以看出發(fā)生短路故障后，u2迅速上升至最大值后緩慢下降，u1則緩慢上升。選取合適的比較閾值Vth，若不考慮器件的動作延遲，基于故障電流變化率的短路保護電路在短路故障發(fā)生瞬間，即t1時刻達到閾值，而傳統(tǒng)短路保護電路的采樣信號緩慢上升，在t2時刻達到閾值，兩種短路保護動作后釋放的火花放電能量為Wg1、Wg2。由于火花放電時間越長，所釋放的火花放電能量越多，其中t1

圖6 兩種短路保護電路檢測輸出電壓曲線

4 本安短路保護電路性能測試

搭建了本安性能測試實驗平臺，對本安電源樣機進行短路實驗，得到的短路保護實驗電流和電壓波形如圖7所示。

圖7 短路保護實驗電流和電壓波形

由圖7可近似得到如圖8所示的短路電壓和短路電流等效函數(shù)圖像。

圖8 短路電壓和短路電流等效函數(shù)圖像

根據(jù)圖8近似波形可將短路電壓波形和短路電流波形近似等效為下列函數(shù)：

將式(15)和式(16)代入式(4)進行積分計算可得短路后火花放電能量為：

(12)

根據(jù)GB 3836.4—2010規(guī)定[13]，當電路故障引起急劇短路時，短路瞬間所釋放的能量應不超過下列響應設備類別的規(guī)定值：ⅡC類設備為20μJ，ⅡB類設備為80μJ，ⅡA類設備為160μJ，Ⅰ類設備為260μJ。本設計本安短路保護電路應用于煤礦井下Ⅰ類設備，滿足設計要求。

自恢復實驗電流和電壓波形如圖9所示。由圖10可知，電路發(fā)生短路故障后電流電壓都下降為零，110μs后電路重新啟動，此時電路的短路故障未解除，電路再次觸發(fā)保護機制。

圖9 自恢復實驗電流和電壓波形

軟啟動實驗電流和電壓波形如圖10所示。由圖可知輸出電流和電壓在電源啟動后緩慢上升，軟啟動性能良好。

圖10 軟啟動實驗電流和電壓波形

5 結 語

本文將本安電源等效為電勢電容電路并進行短路故障特性分析，發(fā)現(xiàn)短路后故障電流迅速上升并發(fā)生突變；設計了基于故障電流變化率的本安短路保護電路，能夠快速準確檢測本安電源短路故障。本質安全性能測試結果表明：在發(fā)生短路故障后瞬態(tài)輸出能量為80.667μJ，自恢復和軟啟動性能穩(wěn)定，滿足設計要求，為解決實際生產中存在的問題提供技術支持。