一種熔斷器熔斷指示裝置的設計與研究

孫 強

(潞安環保能源開發股份有限公司 王莊煤礦,山西 長治 046031)

煤礦地面、井下的機電設備種類繁多、數量龐大,煤礦生產企業作業環境差、政策要求嚴格,生產過程中的管理和處置環節等都比較特殊,因此必須保證生產設備的安全。熔斷器是保證電力系統及機電設備安全可靠運行的重要元器件之一。為了保證機電系統的可靠性,避免重大災害事故的發生,就需要安裝大量的熔斷保護裝置,熔斷保護裝置的快速診斷就顯得尤為重要。

1 現狀分析

目前應用的各種電氣開關產品的保護都非常齊全,一般故障只會發生在相應的保護點,不會損傷到設備的主體部件。比如熔斷器,負荷過大、短路、沖擊電流過大時,即使控制器或者接觸器不跳閘,熔斷器也會因為過流而熔斷。如果故障點很明顯或者很容易排查出來,處理時間就會很短,反之排查時間就會很長。煤礦企業不會給井下每一臺開關都配備熔斷器,只會備用一些常用的插件或者配件,有故障時只能從井下倒用其他地點的開關應急,或者從地面機電庫房拆一臺開關運輸到故障地點。

因此,通過熔斷器熔斷指示裝置的設計與研究,能夠快速判斷開關中熔斷器是否有故障,從而快速解決第一道故障點,恢復供電系統,保證用電設備的安全可靠性。

2 裝置的構成設計及工作原理

2.1 裝置的構成設計

熔斷器有多種外形構造,大多數的熔斷器外殼不透明,肉眼看不到熔斷器內的熔體,無法判斷熔體是否熔斷,所以設計了一種可以直觀判斷熔斷器熔體狀態的指示裝置,裝置構成如圖1所示。

圖1 熔斷器熔斷指示裝置的構成

熔斷器熔斷指示裝置由整流管D、降壓電阻Rj和發光二極管LED構成。3個電子元件串聯,聯接在變壓器T一次側的熔斷器FU的兩端。

2.2 工作原理

當熔斷器的熔體完好時,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,不能觸發導通,此時整流管D處于阻斷狀態。因此,發光二極管LED得不到工作電壓和工作電流,處于非工作狀態,不發光。當熔斷器熔體熔斷后,熔斷器的熔體電阻升至無窮大,處于斷路狀態,此時,電流就會通過熔斷指示回路,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電壓,整流管D導通,發光二極管LED得到了正常的工作電壓和工作電流,發出亮光。通過二極管LED發出的亮光可直接判斷熔斷器的熔體已經熔斷。

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,保證發光二極管LED的正常工作電壓;變壓器一次側線圈有一定的電阻值,也起到分壓的作用;發光二極管LED是指示回路中的主要負荷,其他元件都是為發光二極管正常工作創造條件的。圖2中,Ue=UD+Uj+ULED+UT.

圖2 熔斷器熔斷指示回路

3.1 發光二極管、整流管選擇

在熔斷器熔斷指示回路中,發光二極管LED是回路的主要負荷,其他電氣元件是為確保發光二極管正常工作服務的。所以,應先選擇發光二極管的工作電壓和工作電流,然后才能對其他電氣元件進行選型。通過查電子元件手冊,選定發光二極管的工作電壓為Uf,工作電流為If,發光顏色為紅色。因為各元件在熔斷器熔斷指示回路中是串聯連接,所以發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電壓,才能觸發導通,一般在零點幾伏左右。整流管主要參數選型時,著重考慮兩個參數:第一,整流管的整流電流必須大于發光二極管的正常工作電流;第二,反向最大工作電壓,在熔斷指示回路導通時,整流管兩端的電壓是電源負半周的電壓,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,整流管就會發熱,為了避免整流管發熱燒壞,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可不重點考慮。

3.2 降壓電阻的選擇

降壓電阻是為了保證發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,變壓器一次側線圈同樣有分壓的作用,變壓器一次側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中查到,也可用儀表實測取得。變壓器一次側線圈兩端的電壓值參考公式(1)進行計算。

UT1=RT1·Ih

(1)

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

計算得到變壓器一次側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為整流管觸發導通電壓,V(可查電子元件手冊取得);Uf為發光二極管工作電壓,V(發光二極管選擇時已確定);UT1為變壓器一次側線圈兩端電壓,V;Ih為熔斷指示回路電流,也是發光二極管工作電流If,A.

用公式(2)計算出降壓電阻Rj的阻值后,選取偏小于計算值的電阻值。因為降壓電阻值越大,分壓越大,當降壓電阻分壓偏大時,不能保證發光二極管的正常工作電壓。

同時,降壓電阻在選取時,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,降壓電阻發燒,甚至燒壞。降壓電阻的功率參考計算公式(3)。

Pj=Ih2·Rj

(3)

式中:Ih和Rj與公式(1)中的含義相同。

以此類推,可以設計出不同電壓等級時的熔斷器熔斷指示裝置,擴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、不可調節的,不能保證發光二極管在最佳狀態工作。所以,在前面熔斷器熔斷指示裝置的基礎上,設計了一種適用于煤礦井下常用的3種額定電壓等級的熔斷器熔斷指示裝置,如圖3所示。

圖3 3種額定電壓等級的熔斷器熔斷指示裝置

圖3中,K為三檔位轉換開關。當K置于位置“1”時,回路與降壓電阻Rj1接通,這時裝置用于380 V額定電壓的開關;當K置于位置“2”時,回路與降壓電阻Rj2接通,這時裝置用于660 V額定電壓的開關;當K置于位置“3”時,回路與降壓電阻Rj3接通,這時裝置用于1 140 V額定電壓的開關。電位器Rw可在一定范圍內調節電阻阻值的大小,使發光二極管獲得最佳的工作電壓和工作電流,發出的光最亮。

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

該裝置適用于3種額定電壓等級的開關,解決了前面裝置只能用于1種額定電壓的缺點,還能調節熔斷器熔斷指示回路的電阻,使發光二極管在最佳狀態下工作,所以更實用,調節更方便,具備推廣使用價值。

4 效益分析

該設計制作方便,判斷故障點快速直觀,縮短了故障排查時間及煤礦井下生產處于不安全、不穩定、不正常狀態下的時間,同時還能減少更換完好的熔斷器而造成的浪費。

5 結 語

熔斷器熔斷指示裝置解決了煤礦企業機電設備的檢修與故障排查問題,在提高工作效率的同時,保證了電力系統及機電設備安全可靠運行,具有廣闊的推廣前景。