一種熔斷器熔斷指示裝置的設(shè)計(jì)與研究

孫 強(qiáng)

(潞安環(huán)保能源開發(fā)股份有限公司 王莊煤礦,山西 長治 046031)

煤礦地面、井下的機(jī)電設(shè)備種類繁多、數(shù)量龐大,煤礦生產(chǎn)企業(yè)作業(yè)環(huán)境差、政策要求嚴(yán)格,生產(chǎn)過程中的管理和處置環(huán)節(jié)等都比較特殊,因此必須保證生產(chǎn)設(shè)備的安全。熔斷器是保證電力系統(tǒng)及機(jī)電設(shè)備安全可靠運(yùn)行的重要元器件之一。為了保證機(jī)電系統(tǒng)的可靠性,避免重大災(zāi)害事故的發(fā)生,就需要安裝大量的熔斷保護(hù)裝置,熔斷保護(hù)裝置的快速診斷就顯得尤為重要。

1 現(xiàn)狀分析

目前應(yīng)用的各種電氣開關(guān)產(chǎn)品的保護(hù)都非常齊全,一般故障只會(huì)發(fā)生在相應(yīng)的保護(hù)點(diǎn),不會(huì)損傷到設(shè)備的主體部件。比如熔斷器,負(fù)荷過大、短路、沖擊電流過大時(shí),即使控制器或者接觸器不跳閘,熔斷器也會(huì)因?yàn)檫^流而熔斷。如果故障點(diǎn)很明顯或者很容易排查出來,處理時(shí)間就會(huì)很短,反之排查時(shí)間就會(huì)很長。煤礦企業(yè)不會(huì)給井下每一臺(tái)開關(guān)都配備熔斷器,只會(huì)備用一些常用的插件或者配件,有故障時(shí)只能從井下倒用其他地點(diǎn)的開關(guān)應(yīng)急,或者從地面機(jī)電庫房拆一臺(tái)開關(guān)運(yùn)輸?shù)焦收系攸c(diǎn)。

因此,通過熔斷器熔斷指示裝置的設(shè)計(jì)與研究,能夠快速判斷開關(guān)中熔斷器是否有故障,從而快速解決第一道故障點(diǎn),恢復(fù)供電系統(tǒng),保證用電設(shè)備的安全可靠性。

2 裝置的構(gòu)成設(shè)計(jì)及工作原理

2.1 裝置的構(gòu)成設(shè)計(jì)

熔斷器有多種外形構(gòu)造,大多數(shù)的熔斷器外殼不透明,肉眼看不到熔斷器內(nèi)的熔體,無法判斷熔體是否熔斷,所以設(shè)計(jì)了一種可以直觀判斷熔斷器熔體狀態(tài)的指示裝置,裝置構(gòu)成如圖1所示。

圖1 熔斷器熔斷指示裝置的構(gòu)成

熔斷器熔斷指示裝置由整流管D、降壓電阻Rj和發(fā)光二極管LED構(gòu)成。3個(gè)電子元件串聯(lián),聯(lián)接在變壓器T一次側(cè)的熔斷器FU的兩端。

2.2 工作原理

當(dāng)熔斷器的熔體完好時(shí),熔體電阻接近于零,而熔斷器熔斷指示回路的電阻很大。所以,電流全部通過熔體,熔斷指示回路中沒有電流通過,在整流管D兩端的壓降等于零,不能觸發(fā)導(dǎo)通,此時(shí)整流管D處于阻斷狀態(tài)。因此,發(fā)光二極管LED得不到工作電壓和工作電流,處于非工作狀態(tài),不發(fā)光。當(dāng)熔斷器熔體熔斷后,熔斷器的熔體電阻升至無窮大,處于斷路狀態(tài),此時(shí),電流就會(huì)通過熔斷指示回路,通過降壓電阻Rj分壓后,整流管D兩端的正向電壓大于其觸發(fā)電壓,整流管D導(dǎo)通,發(fā)光二極管LED得到了正常的工作電壓和工作電流,發(fā)出亮光。通過二極管LED發(fā)出的亮光可直接判斷熔斷器的熔體已經(jīng)熔斷。

3 裝置電子元件選型及裝置的拓展

在熔斷器熔體熔斷后,指示回路各元件串聯(lián)連接,如圖2所示。由圖2可知,整流管D提供直流電源;降壓電阻Rj起到分壓作用,保證發(fā)光二極管LED的正常工作電壓;變壓器一次側(cè)線圈有一定的電阻值,也起到分壓的作用;發(fā)光二極管LED是指示回路中的主要負(fù)荷,其他元件都是為發(fā)光二極管正常工作創(chuàng)造條件的。圖2中,Ue=UD+Uj+ULED+UT.

圖2 熔斷器熔斷指示回路

3.1 發(fā)光二極管、整流管選擇

在熔斷器熔斷指示回路中,發(fā)光二極管LED是回路的主要負(fù)荷,其他電氣元件是為確保發(fā)光二極管正常工作服務(wù)的。所以,應(yīng)先選擇發(fā)光二極管的工作電壓和工作電流,然后才能對(duì)其他電氣元件進(jìn)行選型。通過查電子元件手冊(cè),選定發(fā)光二極管的工作電壓為Uf,工作電流為If,發(fā)光顏色為紅色。因?yàn)楦髟谌蹟嗥魅蹟嘀甘净芈分惺谴?lián)連接,所以發(fā)光二極管的工作電流If等于指示回路的電流Ih.

整流管D兩端的正向電壓大于死區(qū)電壓,才能觸發(fā)導(dǎo)通,一般在零點(diǎn)幾伏左右。整流管主要參數(shù)選型時(shí),著重考慮兩個(gè)參數(shù):第一,整流管的整流電流必須大于發(fā)光二極管的正常工作電流;第二,反向最大工作電壓,在熔斷指示回路導(dǎo)通時(shí),整流管兩端的電壓是電源負(fù)半周的電壓,也就是反向電壓,在反向電壓大于整流管的反向最大工作電壓時(shí),整流管就會(huì)發(fā)熱,為了避免整流管發(fā)熱燒壞,或者反向擊穿,整流管的反向最大工作電壓必須大于電源電壓,至于整流管的其他參數(shù)可不重點(diǎn)考慮。

3.2 降壓電阻的選擇

降壓電阻是為了保證發(fā)光二極管能正常工作而配置的分壓電阻,在熔斷器熔斷指示回路中,變壓器一次側(cè)線圈同樣有分壓的作用,變壓器一次側(cè)線圈的電阻值一般在幾歐姆至幾十歐姆之間,所以,不可忽略。其電阻值可以在變壓器參數(shù)中查到,也可用儀表實(shí)測(cè)取得。變壓器一次側(cè)線圈兩端的電壓值參考公式(1)進(jìn)行計(jì)算。

UT1=RT1·Ih

(1)

式中:UT1為變壓器一次側(cè)線圈兩端的電壓值,V;RT1為變壓器一次側(cè)線圈的電阻值,Ω;Ih為熔斷器熔斷指示回路電流值,A.

計(jì)算得到變壓器一次側(cè)線圈電阻兩端的電壓值后,就可以選擇降壓電阻Rj的阻值,選取方法參考公式(2)。

Rj=(0.45Ue-UD-Uf-UT1)/Ih

(2)

式中:Rj為降壓電阻阻值,Ω;Ue為電源額定電壓,V;UD為整流管觸發(fā)導(dǎo)通電壓,V(可查電子元件手冊(cè)取得);Uf為發(fā)光二極管工作電壓,V(發(fā)光二極管選擇時(shí)已確定);UT1為變壓器一次側(cè)線圈兩端電壓,V;Ih為熔斷指示回路電流,也是發(fā)光二極管工作電流If,A.

用公式(2)計(jì)算出降壓電阻Rj的阻值后,選取偏小于計(jì)算值的電阻值。因?yàn)榻祲弘娮柚翟酱?分壓越大,當(dāng)降壓電阻分壓偏大時(shí),不能保證發(fā)光二極管的正常工作電壓。

同時(shí),降壓電阻在選取時(shí),還必須考慮降壓電阻的功率Pj,避免電阻功率選取偏小,在熔斷器熔斷指示回路正常工作時(shí),降壓電阻發(fā)燒,甚至燒壞。降壓電阻的功率參考計(jì)算公式(3)。

Pj=Ih2·Rj

(3)

式中:Ih和Rj與公式(1)中的含義相同。

以此類推,可以設(shè)計(jì)出不同電壓等級(jí)時(shí)的熔斷器熔斷指示裝置,擴(kuò)大了該裝置的適用范圍。

3.3 裝置的拓展

前面論述的熔斷器熔斷指示裝置只能適用于一種額定電壓,而且,熔斷指示回路的降壓電阻的阻值是固定的、不可調(diào)節(jié)的,不能保證發(fā)光二極管在最佳狀態(tài)工作。所以,在前面熔斷器熔斷指示裝置的基礎(chǔ)上,設(shè)計(jì)了一種適用于煤礦井下常用的3種額定電壓等級(jí)的熔斷器熔斷指示裝置,如圖3所示。

圖3 3種額定電壓等級(jí)的熔斷器熔斷指示裝置

圖3中,K為三檔位轉(zhuǎn)換開關(guān)。當(dāng)K置于位置“1”時(shí),回路與降壓電阻Rj1接通,這時(shí)裝置用于380 V額定電壓的開關(guān);當(dāng)K置于位置“2”時(shí),回路與降壓電阻Rj2接通,這時(shí)裝置用于660 V額定電壓的開關(guān);當(dāng)K置于位置“3”時(shí),回路與降壓電阻Rj3接通,這時(shí)裝置用于1 140 V額定電壓的開關(guān)。電位器Rw可在一定范圍內(nèi)調(diào)節(jié)電阻阻值的大小,使發(fā)光二極管獲得最佳的工作電壓和工作電流,發(fā)出的光最亮。

降壓電阻Rj1、Rj2、Rj3可參考公式(2)和(3)計(jì)算選取其阻值。但是選取值要比計(jì)算值小幾十歐姆(不超過50 Ω),小于部分的阻值由電位器Rw補(bǔ)充投入,使降壓電阻的阻值與電位器的阻值之和接近于計(jì)算阻值即可。

該裝置適用于3種額定電壓等級(jí)的開關(guān),解決了前面裝置只能用于1種額定電壓的缺點(diǎn),還能調(diào)節(jié)熔斷器熔斷指示回路的電阻,使發(fā)光二極管在最佳狀態(tài)下工作,所以更實(shí)用,調(diào)節(jié)更方便,具備推廣使用價(jià)值。

4 效益分析

該設(shè)計(jì)制作方便,判斷故障點(diǎn)快速直觀,縮短了故障排查時(shí)間及煤礦井下生產(chǎn)處于不安全、不穩(wěn)定、不正常狀態(tài)下的時(shí)間,同時(shí)還能減少更換完好的熔斷器而造成的浪費(fèi)。

5 結(jié) 語

熔斷器熔斷指示裝置解決了煤礦企業(yè)機(jī)電設(shè)備的檢修與故障排查問題,在提高工作效率的同時(shí),保證了電力系統(tǒng)及機(jī)電設(shè)備安全可靠運(yùn)行,具有廣闊的推廣前景。