矿用电机车直流架线供电保护系统的研究

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矿用电机车直流架线供电保护系统的研究

周颖

(山西宏厦建筑工程有限公司, 山西阳泉045000 )

摘要针对现场直流电机车使用中存在的问题，利用硬件和软件进行设计改造，使井下直流电机车的使用更加安全可靠；同时为井下直流电机车的安全运行提供了比较有益的方案和合理的技术支持。

关键词电机车；漏电保护；瓦斯检测连锁；稳压保护；短路保护

收稿日期：2014-11-05

作者简介：周颖(1974—)，女，山西阳泉人， 2013年毕业于河北工程大学,工程师，主要从事机电设备安装调试及研究工作

中图分类号：TD64+1

文献标识码：B

文章编号：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.

直流架线式电机车是在我国煤矿地面和井下广泛使用的一种运输工具，具有成本低、运输能力大、维护简单、操作方便等特点，在矿井运输中占有重要的地位，特别是在低瓦斯矿井中普遍使用。

1项目技改前的状况

煤矿现有的架线整流电源1个变电站一般为2套(4台，一用一备)，为架线机车供电。当前存在的主要问题是：

1) 架线整流电源输出没有稳压措施，常常导致电压输出超过600 V.

2) 井下机车满负荷运行时，额定电流在400 A左右，但是由于架线距离较长(大约5 500 m)，导致在最远端短路时，短路电流小于400 A，设置短路电流小于400 A会引起经常性跳闸，影响正常运行，不能实现有效短路保护。

3) 架线整流电源没有漏电保护，且有些架线高度在1.9 m左右，一旦出现人员触电，将会导致人员伤亡事故发生。

4) 缺乏瓦斯监测与整流电源联锁装置，不能实现安全运行。

为解决上述问题，需要对现有的供电系统进行设计改造。由于上述问题在我国绝大多数矿井普遍存在，因此，解决上述问题不仅对煤矿的安全具有现实意义，对于我国架线整流电源技术的进步也具有重要的意义，具有广泛的推广价值和市场应用前景。

2系统设计

2.1直流架线漏电保护的设计

直流架线供电保护装置的总体图见图1，该系统主要由主电路和控制电路两部分组成。

图1　直流架线整流保护系统的总体框图

主电路由A、B、C三相电压输入，可控硅V1～V6组成三相全桥整流电路。M为架线机车电机，DK2为输出直流开关，DK1为输入交流开关，JC为输入交流接触器的触点。附加直流脉冲电源电路是由直流测试电源、测试开关以及测试电流传感器组成。

控制部分包括以PLC及微处理器(DSP)为核心的各种监测与控制电路，主要包括状态监测、输入电压检测、主电路的负载电流检测、控制信号输出等功能。除此之外，控制器还完成液晶显示、键盘处理、故障记忆和查询等功能。另外还包括与上位机的通讯功能，以便组成整个煤矿井下监控系统。

煤矿井下漏电保护对保护时间要求非常强，由于PLC程序是采用逐句扫描的方式工作，所有数据都是集中输入、集中输出；当检测到发生漏电时不能立即对整流电流进行断电控制。在该装置的研制过程中，PLC内部单片机芯片用C语言编程，通过PLC内部系统的中断扫描实现漏电检测功能。

漏电保护程序主要用到2个定时器。当可控硅开始触发为架线供电时，T1定时器工作，期间不对架线进行绝缘检测，只对架线进行循环过流检测，当T1定时时间到达时，由D/A模块输出低电平信号，停止触发可控硅，架线电压逐渐下降为零。当检测到架线电压过零信号后，定时器T2开始装入初值，考虑到分布参数的影响，软件延时1 ms后再导通电力MOSFET管，附加直流电源开始对架线进行绝缘检测，并根据检测结果执行分支程序。当程序进行漏电检测时，关闭所有的外部终端；当定时器T2定时时间到达后，关断电力MOSFET管，停止对架线电网的漏电检测，如果没有漏电发生，则继续触发可控硅，恢复对架线的正常供电。

2.2煤矿直流架线供电系统短路保护的设计

该装置采用DDL短路保护的软件设计，同漏电保护一样，分为主程序和中断服务程序。主程序包括初始化和自检循环程序、故障处理程序。本文的软件设计主要针对故障处理程序。考虑到架线电流中谐波对电流上升率保护的影响，先提出了一种采样数据的软件滤波算法，再分别对di/dt保护和△I保护的软件处理流程给予说明。

2.2.1采样电流的处理算法

1) 电流谐波对短路保护的影响。

直流架线供电采用三相全桥可控硅整流，电机车从整流器得到的电压除包含1个直流分量外，还含有频率为脉动整数倍的谐波电压，而直流电压中包含的谐波分量会在负载中产生相应频率的谐波电流，即实际整流器输出的电流是脉动电流。

由于电流谐波的存在，势必会对电流上升率di/dt和△I电流增量的计算产生很大的影响,特别是当电流上升率较低时，DDL保护通过延时保护来区分短路故障和电机车的正常工作电流。延时保护的启动条件是当延时时间达到时，判别di/dt是否大于整定值F，△I是否大于整定值Idel，而由于电流谐波的存在，使di/dt的判断容易产生误差，有可能在中远端的短路电流未达到稳定之前出现di/dt≈0的情况，这将干扰电流增量判断的持续时间，影响保护动作的可靠性。

另一方面，由于中远端短路时的电流增量△I本身的值并不大，谐波会导致电流增量值的误差变大，降低保护的灵敏度。当电流上升率较大时，电流增量也会比较大，谐波对其影响就会小得多。因此，为保证短路保护动作的可靠性，当电流上升率较低时，对电流采样值进行滤波处理是非常必要的，当电流上升率高时，则不必进行滤波处理，以提高其安全可靠性。

2) 采样数据的处理算法。

该算法主要是利用交流分量在1个周期内的积分为零的原理，通过电流的近似数学模型，求出所需的指数形式的电流的稳态值及其时间常数。通过仿真验证，证明了该算法能有效去除谐波，且计算多为简单的加减乘除，因而相对小的多。

2.2.2DDL保护的故障处理

首先，对电流输入信号进行采样，当检测到电流上升率满足di/dt

当故障服务程序启动后，首先检测是否满足瞬时保护的条件，若满足，则瞬时断电；否则，返回保护主程序，程序进入延时阶段。

电流上升率延时保护和电流增量延时保护是同时开始，独立进行的，两者相互配合。当延时保护启动后，程序要不断循环计算电流上升率di/dt，并判断它是否大于F。如果在达到T1时，电流上升率一直大于F，则电流上升率延时保护动作。在计算电流增量的过程中，允许电流上升率在相对较短的时间内回落到足di/dt在保护整定值F之下。只要这段时间不超过足di/dt返回延时整定值TAmax，则保护不返回；反之，保护返回。程序将在延时时间到达Tm后计算当前电流采样值相对启动时刻计算基值的电流增量，然后根据电流增量延时保护的判定方法决定是否进行保护跳闸。DDL保护的故障处理流程见图2.

图2　DDL保护的故障处理流程图

DDL保护的软件实现需要判断是否满足启动条件，它的实现放在电流定时采样及处理中断程序中。采样中断后，先进入电流上升率保护启动模块，判断瞬时保护或延时保护是否启动，满足启动条件则进入各自的故障处理模块去执行相应程序。

2.3直流架线电源输出稳定电压功能的设计

PLC对架线电压的采样值进行A/D转换，并与程序设定的稳压值进行比较、运算，最终得出稳压所需要的控制电压，经过D/A模块输出到CON端。稳压流程图见图3.

图3　稳压程序流程图

由于架线机车属于阻感性负载，因此，三相全桥可控硅整流电流的输出电压为：

2.34U1cosα=1.35Upcosα

(1)

式中：

UMN—整流后输出电压；

U1—三相交流电压任一相电压幅值；

Up—三相交流电压输入平均幅值；

α—晶闸管的触发角(°)，移相范围0~90.

因此，在Up保持不变的情况下，架线的平均电压由晶闸管的触发角α决定。当触发角α=0时，各晶闸管均在自然换相点处换相，此时对应的电压值最大，随着触发角的增大，架线平均电压在减小，通过控制晶闸管的触发角就可以来控制直流架线电压的大小，实现稳压的目的。

2.4瓦斯检测与整流电源供电的联锁设计

瓦斯传感器与整流柜处理器电路相连，通过通讯得到甲烷传感器的测量值，微处理器电路根据测量值的大小确定断电还是正常运行。当瓦斯传感器的测量值超过报警设定值后，微处理器电路停止可控硅触发，并切断电源，从而实现瓦斯检测与供电的联锁功能。其原理图见图4.

图4　瓦斯与整流电源供电闭锁图

3 技术改造后的效果

经现场使用测试其技术指标如下：

1) 防护等级标志为：IP34.

2) 输入三相交流电压有效值：线电压420～500 V,输入频率50 Hz.

3) 输出额定电压：DC550 V；具有输出稳压功能，输出电压不大于600 V.

4) 输出额定电流500 A.

5) 效率≥97%(额定输入输出情况下)。

6) 过载能力：直流输出发生断路时，能在40 ms内迅速断电，装设断路保护开关应能协调正确工作，而整流可控硅无损坏。

7) 漏电保护时间：550 V输出系统≤45 ms；绝缘电阻值检测≤5 kΩ.

8) 瓦斯检测：能检测瓦斯传感器浓度超过设定值报警并能迅速断电。

9) 过压保护：出现过压时迅速断电。

以上参数与未改造前系统相比较，降低了过流跳闸次数，同时该系统将漏电保护功能、瓦斯浓度闭锁功能、稳压功能、基于电流上升率及电流增量的过流保护功能集于一体，使系统安全性、可靠性增强。使用该系统后，能根据架线电压的参数，自动调节，保证架线电压处于一个稳定的范围内(600 V以下)；能够实现近端、远端短路保护，解决以前频繁跳闸的现象；实现瓦斯检测与整流电源联锁控制，一旦瓦斯超限，能切断电源供电，保证系统的安全可靠。现场使用后提高了电机车的运行效率，减小了维护量，运行更加稳定。

4结论

此煤矿井下架线直流机车供电综合保护系统，加强了煤矿架线机车供电的安全性、可靠性，其技术性能不仅能够保障井下架线供电机车系统安全平稳运行，而且可为同类设备提供技术支持，具有较好的社会效益。

参考文献

[1]程红.矿用架线机车直流馈线的微机保护[J].煤炭科学技术,2010(12)：85-88.

[2]刘延绪.煤矿井下直流架线电网漏电保护的研究[J].煤炭学报,1993(03)：51-57.

[3]耿宝光.井下机车系统提速新技术的研究与应用[J].煤矿机械,2012(07)：192-194.

[4]高大军.架线胶轮电机车使用探讨[J].煤矿自动化，1999(04)：41-42.

[5]王瑞年.煤矿井下直流架线电网漏电保护的研究[J].中国矿业大学学报, 1995(01)：88-95.

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