礦用電機車直流架線供電保護系統的研究

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礦用電機車直流架線供電保護系統的研究

周穎

(山西宏廈建筑工程有限公司, 山西陽泉045000 )

摘要針對現場直流電機車使用中存在的問題，利用硬件和軟件進行設計改造，使井下直流電機車的使用更加安全可靠；同時為井下直流電機車的安全運行提供了比較有益的方案和合理的技術支持。

關鍵詞電機車；漏電保護；瓦斯檢測連鎖；穩壓保護；短路保護

收稿日期：2014-11-05

作者簡介：周穎(1974—)，女，山西陽泉人， 2013年畢業于河北工程大學,工程師，主要從事機電設備安裝調試及研究工作

中圖分類號：TD64+1

文獻標識碼：B

文章編號：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.

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

1項目技改前的狀況

煤礦現有的架線整流電源1個變電站一般為2套(4臺，一用一備)，為架線機車供電。當前存在的主要問題是：

1) 架線整流電源輸出沒有穩壓措施，常常導致電壓輸出超過600 V.

2) 井下機車滿負荷運行時，額定電流在400 A左右，但是由于架線距離較長(大約5 500 m)，導致在最遠端短路時，短路電流小于400 A，設置短路電流小于400 A會引起經常性跳閘，影響正常運行，不能實現有效短路保護。

3) 架線整流電源沒有漏電保護，且有些架線高度在1.9 m左右，一旦出現人員觸電，將會導致人員傷亡事故發生。

4) 缺乏瓦斯監測與整流電源聯鎖裝置，不能實現安全運行。

為解決上述問題，需要對現有的供電系統進行設計改造。由于上述問題在我國絕大多數礦井普遍存在，因此，解決上述問題不僅對煤礦的安全具有現實意義，對于我國架線整流電源技術的進步也具有重要的意義，具有廣泛的推廣價值和市場應用前景。

2系統設計

2.1直流架線漏電保護的設計

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

圖1　直流架線整流保護系統的總體框圖

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為架線機車電機，DK2為輸出直流開關，DK1為輸入交流開關，JC為輸入交流接觸器的觸點。附加直流脈沖電源電路是由直流測試電源、測試開關以及測試電流傳感器組成。

控制部分包括以PLC及微處理器(DSP)為核心的各種監測與控制電路，主要包括狀態監測、輸入電壓檢測、主電路的負載電流檢測、控制信號輸出等功能。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的通訊功能，以便組成整個煤礦井下監控系統。

煤礦井下漏電保護對保護時間要求非常強，由于PLC程序是采用逐句掃描的方式工作，所有數據都是集中輸入、集中輸出；當檢測到發生漏電時不能立即對整流電流進行斷電控制。在該裝置的研制過程中，PLC內部單片機芯片用C語言編程，通過PLC內部系統的中斷掃描實現漏電檢測功能。

漏電保護程序主要用到2個定時器。當可控硅開始觸發為架線供電時，T1定時器工作，期間不對架線進行絕緣檢測，只對架線進行循環過流檢測，當T1定時時間到達時，由D/A模塊輸出低電平信號，停止觸發可控硅，架線電壓逐漸下降為零。當檢測到架線電壓過零信號后，定時器T2開始裝入初值，考慮到分布參數的影響，軟件延時1 ms后再導通電力MOSFET管，附加直流電源開始對架線進行絕緣檢測，并根據檢測結果執行分支程序。當程序進行漏電檢測時，關閉所有的外部終端；當定時器T2定時時間到達后，關斷電力MOSFET管，停止對架線電網的漏電檢測，如果沒有漏電發生，則繼續觸發可控硅，恢復對架線的正常供電。

2.2煤礦直流架線供電系統短路保護的設計

該裝置采用DDL短路保護的軟件設計，同漏電保護一樣，分為主程序和中斷服務程序。主程序包括初始化和自檢循環程序、故障處理程序。本文的軟件設計主要針對故障處理程序。考慮到架線電流中諧波對電流上升率保護的影響，先提出了一種采樣數據的軟件濾波算法，再分別對di/dt保護和△I保護的軟件處理流程給予說明。

2.2.1采樣電流的處理算法

1) 電流諧波對短路保護的影響。

直流架線供電采用三相全橋可控硅整流，電機車從整流器得到的電壓除包含1個直流分量外，還含有頻率為脈動整數倍的諧波電壓，而直流電壓中包含的諧波分量會在負載中產生相應頻率的諧波電流，即實際整流器輸出的電流是脈動電流。

由于電流諧波的存在，勢必會對電流上升率di/dt和△I電流增量的計算產生很大的影響,特別是當電流上升率較低時，DDL保護通過延時保護來區分短路故障和電機車的正常工作電流。延時保護的啟動條件是當延時時間達到時，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的判斷容易產生誤差，有可能在中遠端的短路電流未達到穩定之前出現di/dt≈0的情況，這將干擾電流增量判斷的持續時間，影響保護動作的可靠性。

另一方面，由于中遠端短路時的電流增量△I本身的值并不大，諧波會導致電流增量值的誤差變大，降低保護的靈敏度。當電流上升率較大時，電流增量也會比較大，諧波對其影響就會小得多。因此，為保證短路保護動作的可靠性，當電流上升率較低時，對電流采樣值進行濾波處理是非常必要的，當電流上升率高時，則不必進行濾波處理，以提高其安全可靠性。

2) 采樣數據的處理算法。

該算法主要是利用交流分量在1個周期內的積分為零的原理，通過電流的近似數學模型，求出所需的指數形式的電流的穩態值及其時間常數。通過仿真驗證，證明了該算法能有效去除諧波，且計算多為簡單的加減乘除，因而相對小的多。

2.2.2DDL保護的故障處理

首先，對電流輸入信號進行采樣，當檢測到電流上升率滿足di/dt

當故障服務程序啟動后，首先檢測是否滿足瞬時保護的條件，若滿足，則瞬時斷電；否則，返回保護主程序，程序進入延時階段。

電流上升率延時保護和電流增量延時保護是同時開始，獨立進行的，兩者相互配合。當延時保護啟動后，程序要不斷循環計算電流上升率di/dt，并判斷它是否大于F。如果在達到T1時，電流上升率一直大于F，則電流上升率延時保護動作。在計算電流增量的過程中，允許電流上升率在相對較短的時間內回落到足di/dt在保護整定值F之下。只要這段時間不超過足di/dt返回延時整定值TAmax，則保護不返回；反之，保護返回。程序將在延時時間到達Tm后計算當前電流采樣值相對啟動時刻計算基值的電流增量，然后根據電流增量延時保護的判定方法決定是否進行保護跳閘。DDL保護的故障處理流程見圖2.

圖2　DDL保護的故障處理流程圖

DDL保護的軟件實現需要判斷是否滿足啟動條件，它的實現放在電流定時采樣及處理中斷程序中。采樣中斷后，先進入電流上升率保護啟動模塊，判斷瞬時保護或延時保護是否啟動，滿足啟動條件則進入各自的故障處理模塊去執行相應程序。

2.3直流架線電源輸出穩定電壓功能的設計

PLC對架線電壓的采樣值進行A/D轉換，并與程序設定的穩壓值進行比較、運算，最終得出穩壓所需要的控制電壓，經過D/A模塊輸出到CON端。穩壓流程圖見圖3.

圖3　穩壓程序流程圖

由于架線機車屬于阻感性負載，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角α決定。當觸發角α=0時，各晶閘管均在自然換相點處換相，此時對應的電壓值最大，隨著觸發角的增大，架線平均電壓在減小，通過控制晶閘管的觸發角就可以來控制直流架線電壓的大小，實現穩壓的目的。

2.4瓦斯檢測與整流電源供電的聯鎖設計

瓦斯傳感器與整流柜處理器電路相連，通過通訊得到甲烷傳感器的測量值，微處理器電路根據測量值的大小確定斷電還是正常運行。當瓦斯傳感器的測量值超過報警設定值后，微處理器電路停止可控硅觸發，并切斷電源，從而實現瓦斯檢測與供電的聯鎖功能。其原理圖見圖4.

圖4　瓦斯與整流電源供電閉鎖圖

3 技術改造后的效果

經現場使用測試其技術指標如下：

1) 防護等級標志為：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) 過載能力：直流輸出發生斷路時，能在40 ms內迅速斷電，裝設斷路保護開關應能協調正確工作，而整流可控硅無損壞。

7) 漏電保護時間：550 V輸出系統≤45 ms；絕緣電阻值檢測≤5 kΩ.

8) 瓦斯檢測：能檢測瓦斯傳感器濃度超過設定值報警并能迅速斷電。

9) 過壓保護：出現過壓時迅速斷電。

以上參數與未改造前系統相比較，降低了過流跳閘次數，同時該系統將漏電保護功能、瓦斯濃度閉鎖功能、穩壓功能、基于電流上升率及電流增量的過流保護功能集于一體，使系統安全性、可靠性增強。使用該系統后，能根據架線電壓的參數，自動調節，保證架線電壓處于一個穩定的范圍內(600 V以下)；能夠實現近端、遠端短路保護，解決以前頻繁跳閘的現象；實現瓦斯檢測與整流電源聯鎖控制，一旦瓦斯超限，能切斷電源供電，保證系統的安全可靠。現場使用后提高了電機車的運行效率，減小了維護量，運行更加穩定。

4結論

此煤礦井下架線直流機車供電綜合保護系統，加強了煤礦架線機車供電的安全性、可靠性，其技術性能不僅能夠保障井下架線供電機車系統安全平穩運行，而且可為同類設備提供技術支持，具有較好的社會效益。

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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----------------------------------------------------------------------------------------------