工礦電氣設備外置型過流報警器的研究與設計

崔建國，寧永香

(山西工程技術學院，山西 陽泉 045000)

安全生產是評價一個煤礦的重要指標之一，機電設備在煤礦生產中的重要性不言而喻，故對礦山機電設備的安全操作在煤礦安全生產中有著舉足輕重的作用。一般工礦企業的供電設備(電氣配電柜等)為防止主回路設備短路，或電動機發生環火等造成主回路電流過大而損壞發電機、主整流柜或電動機等電氣設備的情況，對主回路的過電流應進行保護或控制，將設備損失控制在萌芽狀態。

最典型的一個例子是電動機由于某些非正常原因嚴重過載如線圈短路或機械卡堵等，這種情況下供電主回路電流會超過正常的工作電流，這些過電流對發電機或配電柜來說仍屬于正常范圍，但如果電動機沒有過流保護，或者既使有過流保護裝置也是僅僅依靠雙金屬片這種不可靠的保護模式，如果任其長期非正常超負荷運轉，電動機很容易被損壞。

最常用的辦法是在主回路各相分別接入一個電流互感器，在電流互感器二次級分別串聯相應保護電流額定值的過流繼電器，一旦主回路電流超過額定值，過流繼電器馬上斷開主回路而保護供電設備以及回路里的電氣設備，這種應用結構簡單、成熟，在業界廣泛使用，但過流繼電器不但價格比較昂貴而且動作準確性較差，并且不是很安全。

本文設計了一種電氣設備外置型過流報警器，利用電流互感器的一次級測量主回路的電流，二次級的感應電流作為采樣電流控制過流報警器，報警器聲光報警，顯示負載出錯或是發生了短路現象，同時還可以斷開主回路從而保護電氣設備系統。

由于該報警器對于電氣設備來說是外置的，故完全不會破壞原電氣設備的結構，且對主回路的額定電流保護值可以通過一個電位器靈活調節，極富人性化。這種設計可以集成到配電柜電路中，更加巧妙的是可以獨立設計為一個模塊電路，這個報警模塊在保證負載正常工作的前提下可以隨意應用到幾乎所有的電氣設備系統上。

1 基于電流互感器的電氣設備外置型過流報警器

過流報警器電氣原理如圖1所示，包括電流互感器模塊電路、電阻采樣電路、LED發光電路及光敏電阻組成的偏置電路、RS觸發器型雙穩態電路、主電機回路保護電路、多諧振蕩電路、聲光報警電路及+9V交流-直流電源模塊。其中+9V電源模塊的內部電路由于篇幅原因不再詳細介紹。

1.1 電流互感器電路及電阻采樣電路

電流互感器英文縮寫CT，本文在電流互感器工作的二次回路里串入一個采樣電阻VR1，作為整個報警器的控制電壓。

在圖1中，電氣設備主回路(火線)A相和C相分別作為電流互感器CT1、CT2的一次級線圈(1匝)，俗稱穿心式電流互感器，CT1、CT2的二次級按照圖示順向串聯連接(注意同名端)，得到的采樣電流不是兩個互感器的二次級電流之和，而是接近分開連接的電流平均值。電解電容C01、C02負極相連，正極分別跨接在串聯后的互感器兩側，得到一個耐壓50V、容量為50μF的無極性電容，可以防止電動機較大的啟動電流流過采樣電阻VR1而產生誤報警和誤動作[1]。

如果主回路實際電流是150A，那么可以選擇變比為200/5(例如型號為LMZJ1-0.5-200/5A澆注式電流互感器)的電流互感器。CT1、CT2電流互感器串聯以后的二次級串聯一個采樣電位器VR1，為了達到靈活、精確調節最大保護電流的目的，用精密多圈式電位器代替一般電位器。

采樣電阻VR1的值根據所要保護主回路的最大電流值IMAX而定，為了保證電氣電路安全，這個保護電流值總是小于等于發電機或配電柜的輸出最大電流值，在保證電氣設備正常運行的前提下可以隨意定義IMAX。當電氣設備主回路電流超過最大值IMAX時，那么經過電流互感器二次級電流為IMAX/40(假如選擇200/5變比的電流互感器)。

在這里，通過采樣電阻VR1的電流比較關鍵，VR1的值可由下面方法來確定：

1.2 LED電路及光敏電阻電路

光敏電阻是用硫化隔或硒化隔等半導體材料制成的特殊電阻器，其工作原理是基于內光電效應。光照愈強，阻值就愈低，隨著光照強度的升高，電阻值迅速降低，亮電阻值可小至1kΩ以下。光敏電阻對光線十分敏感，其在無光照時，呈高阻狀態，暗電阻一般可達1.5MΩ。光敏電阻的特殊性能，隨著科技的發展將得到極其廣泛應用[2]。

上文提到的電流互感器的二次級回路里串聯一個電壓采樣電位器VR1，電位器上得到的電壓將是整個報警器電路的控制電壓，當電位器VR1兩端的電壓降高到足以使發光二極管(LED)D1和D2發光，發光二極管控制光敏電阻CDS(型號為LXD5516)的阻值，這個電阻值作為雙穩態觸發器控制端的偏置電阻，光敏電阻阻值降到一定程度就會立即觸發雙穩態觸發器輸出高電平，如圖1。盡管一只發光二極管就可以使電路正常工作，但應同時使用兩只以保證安全、穩定[3]。

1.3 應用555定時器實現R-S觸發器型雙穩態電路

圖2 555定時器

555電路只需要外接幾個電阻、電容，就可以實現多諧振蕩器、單穩態觸發器及施密特觸發器等脈沖產生與變換電路，這是555電路最常用的功能[4]。

本設計的特色之一是，應用555定時器除了可以實現以上功能，也可以實現R-S觸發器型雙穩態電路，這是一般教科書中沒有提到的功能。

555這種新穎的工作方式，有一個缺點就是當電源第一次接通時，觸發器有可能誤輸出高電平，導致繼電器J(型號為JQX-10)誤斷開，被保護的電氣設備斷電停止工作，同時報警器聲光誤報警。為了解決這個問題，可以在IC1的復位引腳RD端(4腳)連接一個電容C5接地，這將導致引腳4在接通電源時保持一段時間低電平，這將重置輸出(IC1定時器輸出為0)，定時器初始化完成[5]。

同時得到了利用555定時器實現R-S觸發器型雙穩態電路的功能見表1。

表1 利用555定時器實現R-S觸發器型雙穩態電路的功能表

1.4 555定時器構成多諧振蕩器

振蕩過程可以簡單描述為：電容C2充電時，定時器IC2輸出UIC2-3=1；電容C2放電時，UIC2-3=0，電容C2不斷地進行充、放電，輸出端便獲得矩形波。

2 制作及注意事項

1)電流互感器的選型十分關鍵，不同型號的電流互感器在結構上往往有較大差異(包括銅排搭接形式、外形、鐵心等以及動熱穩定的耐受能力)，選擇電流互感器的變比時，應首先得到實際負載額定電流，該電流最好處于互感器測量范圍的65%～85%處。比如額定電流為70A，就應該選擇100/5變比的互感器[8]。

2)發光二極管D1、D2以及光敏電阻CDS的裝配也極為關鍵，它們應相互盡量靠近，一塊安裝在一個不透光的密閉容器內，應避免除發光二極管D1、D2光線以外的任何其它環境光線照射到光敏電阻上，以防誤控。

3)偏置電位器VR2的選擇也很關鍵，其沒有一個確定的阻值，可以試用不同的阻值以適合光敏電阻CDS與發光二極管D1、D2的不同的耦合度，具體操作就是當發光二極管D1、D2點亮瞬間，報警器應該馬上報警且斷開電氣設備的供電[9]。

3 應用分析

去年按照設計試產了一批保護模塊，將其用到了汾西礦務局的甸頭煤礦的一些機電設備上，經過近一年的試用，發現有時可能誤報警，使用稍顯麻煩，但大大降低了設備的損壞率，提高了生產效率，在煤炭行業不景氣的今天，相應提高了經濟效益。

誤報警的原因經分析是由于采樣電位器VR1以及偏置電位器VR2的設置不是很合適，導致報警器的門限值設置過于偏低，從而出現誤報警的現象。

該設計的缺陷之一是被保護電氣設備處理完故障后，保護電路不能自動接通被保護電氣設備的供電，且一直保持報警狀態，處理完故障后，除非按下開關SW1才可以解除保護和警報。

4 結 語

本設計巧妙通過電位器取得電流互感器二次級電流的采樣電壓，即可實現隨意預置主回路保護電流的目的；發光二極管以及光敏電阻的使用，實現強弱電隔離；利用555定時器電路實現RS觸發器型雙穩態電路，這些都是該設計的特色。可以看出，該設計利用純硬件電路實現了對工作現場的實時控制，通常實時控制需要較強的時效性，純硬件電路恰好可以實現工作現場的極速控制。有些設計采用微控制器實現現場控制，是為了實現控制系統的多功能化，如數據顯示或作為遠程計算機系統的接口電路，但計算機處理的數據對象一定是數字信號，那么就需要A/D或D/A轉換器，故這種控制方式的缺點就是在控制速度方面具有不可忽視的延遲性，故工作現場的控制往往采用純硬件電路實現。