CN104022492A - 一种长距离矿井巷道低压供电设备短路辅助保护装置 - Google Patents

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Abstract

一种长距离矿井巷道低压供电设备短路辅助保护装置，属于煤矿井下供电技术领域，其特征在于整套装置由始端监控单元和终端监控单元两部分组成，所述终端监控单元能够实时检测短路故障，并通过数据传输将信息传送至始端监控单元，从而控制始端监控单元快速地、准确地切断故障电路供电电源。该装置具有安全性高、可靠性强、快速性好等优点，适用于煤矿井下多种低压等级供电设备长距离巷道供电的短路辅助保护。

Description

一种长距离矿井巷道低压供电设备短路辅助保护装置
技术领域
本发明一种长距离矿井巷道低压供电设备短路辅助保护装置，属于煤矿井下供电技术领域，它是一种低压供电设备短路保护失效后的辅助保护装置，主要应用于煤矿井下照明信号综合保护装置或磁力起动器等低压供电设备的短路辅助保护，具有安全性高、可靠性强、快速性好等优点。
背景技术
短路保护是煤矿井下供电系统安全的重要保障之一，其主要作用是当供电系统发生短路故障时能快速、可靠地切断故障部分的电源，防止危害的发生。煤矿井下低压供电系统中，随着供电线路长度的增加，低压供电装置的短路保护灵敏度会随之降低，当距离长到一定程度，短路保护就会彻底失效（例如选用1.5平方毫米线径的电缆，500米后的地方发生短路时，保护就会失效）。短路保护失效后，如果不及时解决，短路时造成的后果非常严重。为了解决短路保护失效问题，现有的方法是在供电线路的末端装设一个终端短路保护插件，其实现原理是：当系统发生短路时，终端短路保护插件通过控制电路驱动继电器吸合，将阻值为1kΩ的电阻接地，从而人为地产生一个漏电信号，将短路故障转化成漏电故障，装设在配电所或变电所的低压供电装置检测到有漏电故障发生，启用漏电保护电路，切断故障电路供电电源，达到保护电气设备和防止重大事故发生的目的。
现有终端短路保护插件在实际应用中存在以下弊端：
1.该插件工作时需要依靠继电器吸合将短路故障转化成漏电故障，因此开关动作时间长，降低了井下供电保护系统的快速性。
2.该插件短路保护的实现依赖于低压供电装置的漏电保护单元，如果低压供电装置的漏电保护单元出现故障，即使终端短路保护插件启用，低压供电装置也无法切除故障，降低了井下供电保护系统的可靠性。
3.该插件启用时将短路故障转化为漏电故障，需要将1kΩ的电阻接地，增加了故障的危险性，降低了井下供电保护系统的安全性。
发明内容
本发明一种长距离矿井巷道低压供电设备短路辅助保护装置的目的在于：解决上述现有技术中存在的安全性低、快速性及可靠性差等问题，从而公开一种能够独立、自动地实现线路短路辅助保护的技术方案，该装置适用于煤矿井下多种低压等级供电设备长距离巷道供电的短路辅助保护，供电短路保护距离可达到3000米。
本发明一种长距离矿井巷道低压供电设备短路辅助保护装置，其特征在于是一种能够实时检测和判断短路故障，在照明综合保护装置或磁力起动器等低压供电装置短路保护灵敏度不足或失效后，准确和快速地切断故障电路供电电源的保护装置,该装置由终端监控单元（如图1所示）和始端监控单元（如图2所示）组成，所述终端监控单元安装在低压供电线路的末端，实时检测故障并及时传输信息给始端监控单元，所述始端监控单元安装在照明综合保护装置或磁力起动器等低压供电装置壳体内，所述始端监控单元实时接收和判断终端监控单元发送来的信息，及时准确地切断故障电路供电电源，所述终端监控单元由故障检测电路和单片机处理电路组成，其中所述的故障检测电路由三相1140V交流输入电压接线端A1、B1和C1、三相660V交流输入电压接线端A2、B2和C2、三相127V交流输入电压接线端A3、B3和C3、三档位切换开关S1、1号变压器T1、2号变压器T2、3号变压器T3、整流二极管D1、D2和D3、1号变压器输出端滤波电阻R1和1号变压器输出端滤波电容C1、2号变压器输出端滤波电阻R2和2号变压器输出端滤波电容C2、3号变压器输出端滤波电阻R3和3号变压器输出端滤波电容C3、限流电阻R4、R5和R6、3.3V稳压二极管Z1、Z2和Z3、保护二极管D4组成，电源切换控制时，当供电电压为三相1140V交流时，切换开关S1位于左档位， 1号变压器T1初级绕组的1'和4'输入端分别与A1、B1相连，2号变压器T2初级绕组的1"和4"输入端分别与B1、C1相连，3号变压器T3初级绕组的1"'和4"'输入端分别与C1、A1相连，当供电电压为三相660V交流时，切换开关S1位于中档位， 1号变压器T1初级绕组的2'和4'输入端分别与A2、B2相连，2号变压器T2初级绕组的2"和4"输入端分别与B2、C2相连，3号变压器T3初级绕组的2"'和4"'输入端分别与C2、A2相连，当供电电压为三相127V交流时，切换开关S1位于右档位，1号变压器T1初级绕组的3'和4'输入端分别与A3、B3相连，2号变压器T2初级绕组的3"和4"输入端分别与B3、C3相连，3号变压器T3初级绕组的3"'和4"'输入端分别与C3、A3相连，1号变压器T1、2号变压器T2和3号变压器T3次级绕组采用星形连接，即变压器T1、T2、T3次级绕组的末端U2、V2、W2连在一起，1号变压器T1的次级绕组首端U1与整流二极管D1阳极连接，1号变压器输出端滤波电阻R1和1号变压器输出端滤波电容C1对整流二极管D1输出信号进行滤波，2号变压器T2的次级绕组首端V1与整流二极管D2阳极连接，2号变压器输出端滤波电阻R2和2号变压器输出端滤波电容C2对整流二极管D2输出信号进行滤波，3号变压器T3的次级绕组首端W1与整流二极管D3的阳极连接，3号变压器输出端滤波电阻R3和3号变压器输出端滤波电容C3对整流二极管D3输出信号进行滤波，实现交流电到直流电的变换和滤波，输出的直流电分别经限流电阻R6、R5和 R4，在3.3V稳压二极管Z3、Z2和Z1阴极输出电压信号，整流二极管D1阴极与保护二极管D4阳极连接，以输出单方向电流的直流信号，其中所述的单片机处理电路由终端监控单元单片机8、上I/O口5、中I/O口6、下I/O口7、单片机供电电源控制电路3、电平转换电路4、镍氢电池组1、充电控制电路2、终端监控单元CAN总线接口9、终端监控单元CAN总线接口9的端口H1和L1组成，其中镍氢电池组1由4节1.5V的镍氢充电电池串联而成，左输入端与充电控制电路2相连，下输出端与单片机供电电源控制电路3上输入端连接，当镍氢电池组1电量不足时，充电控制电路2自动对其充电，充满时自动停止充电，单片机供电电源控制电路3左输入端正极、充电控制电路2左输入端正极与保护二极管D4阴极连接，单片机供电电源控制电路3左输入端负极、充电控制电路2左输入端负极与1号变压器T1、2号变压器T2、3号变压器T3的次级绕组末端U2、V2、W2连接，当单片机供电电源控制电路3左输入端的电压大于等于6V时，单片机供电电源控制电路3自动屏蔽上输入端，并使下输出端电压等于左输入端的电压,当单片机供电电源控制电路3左输入端的电压小于6V时，单片机供电电源控制电路3自动屏蔽左输入端，并使下输出端电压等于上输入端的电压，即由镍氢电池组1供电，单片机供电电源控制电路3下输出端输出电压经电平转换电路4给终端监控单元单片机8提供3.3V的供电电源；故障检测时，终端监控单元单片机8通过上I/O口5、中I/O口6、下I/O口7分别与稳压二极管Z3、Z2和Z1的阴极相连，实时检测故障信息，并将信息通过终端监控单元CAN总线接口9发送至始端监控单元CAN总线接口15；所述始端监控单元由低压供电装置启停控制回路10、供电电源电路和单片机控制电路组成，其中低压供电装置启停控制回路10由启动按钮SB1、停止按钮SB2、辅助继电器的常闭触点101、主接触器的第一路常开辅助触点201和主接触器的线圈301组成，其中供电电源电路由两档位切换开关S2、4号变压器T4、单相整流电路11、电源滤波电路12、稳压电路13组成，当电源供电电压为1140V时，两档位切换开关S2调至上档位，当电源供电电压为660V时，两档位切换开关S2调至下档位，实现4号变压器T4两种输入电压等级切换，4号变压器T4输出经单相整流电路11、电源滤波电路12、稳压电路13给始端监控单元单片机14提供电源，其中单片机控制电路由上拉电阻R7、主接触器的第二路常开辅助触点202、始端监控单元单片机14、辅助继电器线圈17、始端监控单元CAN总线接口15、始端监控单元CAN总线接口15的端口H2和L2、显示驱动电路18、液晶显示屏19组成，当短路故障发生时，始端监控单元单片机14通过始端监控单元CAN总线接口15接收终端监控单元CAN总线接口9发送来的信息，根据信息来控制辅助继电器线圈17得电，驱动辅助继电器的常闭触点101断开，使与辅助继电器的常闭触点101串联在一起的主接触器线圈301断电，从而控制主接触器的主触点200和主接触器的第一路常开辅助触点201断开，快速切断故障电路供电电源，同时始端监控单元单片机14通过显示驱动电路18将信息显示在液晶显示屏19上；所述终端监控单元CAN总线接口9的端口H1和L1分别与始端监控单元CAN总线接口15的端口H2和L2通过通信线连接,即H1与H2相连，L1与L2相连。
与传统终端短路保护插件相比较，本发明一种长距离矿井巷道低压供电设备短路辅助保护装置具有如下特点：
1.当照明综合保护装置或磁力起动器远距离供电，短路保护单元灵敏度不足或短路保护失效后，本发明可以迅速切断供电电源，有效保护井下供电系统，动作灵敏度高，快速性好。
2.该保护装置不依赖于漏电保护单元，能够实时、准确地检测故障并切断故障电路，实现短路故障保护，本发明独立性强、可靠性高。
3.该保护装置无需再将短路保护转换为漏电保护，提高了安全性。
4.可用于煤矿井下低压1140V、660V、127V交流供电的短路辅助保护。
附图说明
图1  终端监控单元示意图
1.镍氢电池组    2.充电控制电路    3.单片机供电电源控制电路  4.电平转换电路     5.上I/O口       6.中I/O口  7.下I/O口     8. 终端监控单元单片机    9. 终端监控单元CAN总线接口  
A1、B1、C1.三相1140V交流输入电压接线端
A2、B2、C2.三相660V交流输入电压接线端
A3、B3、C3.三相127V交流输入电压接线端
S1.三档位切换开关   T1. 1号变压器  T2. 2号变压器   T3. 3号变压器
R1. 1号变压器输出端滤波电阻       C1. 1号变压器输出端滤波电容
R2. 2号变压器输出端滤波电阻       C2. 2号变压器输出端滤波电容
R3. 3号变压器输出端滤波电阻       C3. 3号变压器输出端滤波电容
Z1、Z2、Z3.  3.3V稳压二极管    R4、R5、R6. 限流电阻 
D1、D2、D3. 整流二极管     D4.保护二极管    
H1、L1. 终端监控单元CAN总线接口9的端口
1'、2'、3'、4'. 分别为1号变压器T1初级绕组的四个输入端
1"、2"、3"、4". 分别为2号变压器T2初级绕组的四个输入端
1"'、2"'、3"'、4"'. 分别为3号变压器T3初级绕组的四个输入端
U1. 1号变压器T1次级绕组的首端
U2. 1号变压器T1次级绕组的末端
V1. 2号变压器T2次级绕组的首端
V2. 2号变压器T2次级绕组的末端
W1. 3号变压器T3次级绕组的首端
W2. 3号变压器T3次级绕组的末端
图2  始端监控单元示意图
10. 低压供电装置启停控制回路     11. 单相整流电路      12.电源滤波电路
13.稳压电路    14. 始端监控单元单片机     15. 始端监控单元CAN总线接口  
16.三相负载    17.辅助继电器线圈   18.显示驱动电路     19.液晶显示屏
A、B、C. 三相1140V或660V低压供电线路    S2.两档位切换开关   T4. 4号变压器     R7.上拉电阻       H2、L2. 始端监控单元CAN总线接口15的端口
SB1.启动按钮      SB2.停止按钮      101.辅助继电器的常闭触点
301.主接触器的线圈     200.主接触器的主触点   
201.主接触器的第一路常开辅助触点   202.主接触器的第二路常开辅助触点。
具体实施方案
实施方式1 ：
下面结合附图1和附图2及实施例对本发明一种长距离矿井巷道低压供电设备短路辅助保护装置应用于煤矿井下照明综合保护装置的工作原理做出进一步的详细说明。
本发明的终端监控单元安装在照明综合保护装置供电线路的负载末端，煤矿井下照明供电电压为127V，选择将终端监控单元三档位切换开关S1调至右档位，1号变压器T1初级线圈的3'和4'输入端分别与A3、B3连接，2号变压器T2初级线圈的3"和4"输入端分别与B3、C3连接，3号变压器T3初级线圈的3"'和4"'输入端分别与C3、A3连接。根据照明负载终端供电电源的相数，选择将三相127V交流输入电压接线端子A3、B3、C3分别与负载供电线路三相或任意两相连接。本发明的始端监控单元安装在照明综合保护装置壳体内，安装时将始端监控单元CAN总线接口15的端口H2和L2分别与终端监控单元CAN总线接口9的端口H1和L1通过通信线连接，当照明综合保护装置采用1140V三相供电时，始端监控单元中的两档位切换开关S2调至上档位，当采用660V三相供电时，两档位切换开关S2调至下档位。
正常工作：启动时，按下照明综合保护装置启动按钮SB1，主接触器的线圈301得电，主接触器的主触点200、主接触器的第一路常开辅助触点201和主接触器的第二路常开辅助触点202闭合，负载供电线路接通。主接触器的第二路常开辅助触点202闭合后，通过上拉电阻R7，使得始端监控单元单片机14检测到一个电压下降沿信号，从而触发始端监控单元单片机14的中断服务子程序，中断服务子程序通知始端监控单元单片机14向终端监控单元发送命令，终端监控单元接收到命令后，终端监控单元单片机8通过上I/O口5、中I/O口6、下I/O口7分别检测3.3V稳压二极管Z3、Z2、Z1上的电压信号，负载供电线路正常时，无论A3、B3、C3接两相供电还是三相供电，3.3V稳压二极管Z1、Z2、Z3上的电压均可维持3.3V高电平，经终端监控单元单片机8判断，没有发生短路故障，并通过终端监控单元CAN总线接口9，将信息发送到始端监控单元，始端监控单元通过CAN总线接口15接收来自终端监控单元的信息，始端监控单元单片机14处理信息后通过显示驱动电路18在液晶显示屏19显示文字：“正常”，系统进入正常运行状态。
短路故障保护：当供电过程中，A3、B3两相之间发生短路时，终端监控单元通过变压器变换电压并输出，3.3V稳压二极管Z1、Z2上的电压仍为3.3V，3.3V稳压二极管Z3上的电压会迅速下降到1V以下，终端监控单元单片机8的上I/O口5捕获到此电压下降沿后，判断并处理信息，将信息通过终端监控单元CAN总线接口9发送到始端监控单元，始端监控单元通过CAN总线接口15接收来自终端监控单元的信息，始端监控单元单片机14处理信息并控制辅助继电器线圈17得电，辅助继电器的常闭触点101断开，主接触器的线圈301失电，主接触器的主触点200、主接触器的第一路常开辅助触点201断开，从而切断供电线路，同时通过显示驱动电路18在液晶显示屏19上显示文字：“A3、B3两相短路”；当B3、C3两相之间发生短路时，终端监控单元通过变压器变换电压并输出，3.3V稳压二极管Z1、Z3上的电压仍为3.3V，3.3V稳压二极管Z2上的电压会迅速下降到1V以下，终端监控单元单片机8的中I/O口6捕获到此电压下降沿后，判断并处理信息，将信息发送到始端监控单元，始端监控单元接收到信息后，始端监控单元单片机14处理信息并控制辅助继电器线圈17得电，切断供电线路，并同时在液晶显示屏19显示文字：“B3、C3两相短路”；当C3、A3两相之间发生短路时，终端监控单元通过变压器变换电压并输出，3.3V稳压二极管Z2、Z3上的电压仍为3.3V，3.3V稳压二极管Z1上的电压会迅速下降到1V以下，终端监控单元单片机8的下I/O口7捕获到此电压下降沿后，判断并处理信息，将信息发送到始端监控单元，始端监控单元接收到信息后，始端监控单元单片机14处理信息并控制辅助继电器线圈17得电，切断供电线路，并同时在液晶显示屏19显示文字：“C3、A3两相短路”；当A3、B3、C3发生三相短路时，3.3V稳压二极管Z1、Z2、Z3上的电压均会迅速下降到1V以下，终端监控单元单片机8捕获到三个电压下降沿后，将信息发送到始端监控单元，始端监控单元单片机14接收到信息并处理，控制辅助继电器线圈17得电，切断供电线路，并同时在液晶显示屏19显示文字：“A3、B3、C3三相短路”。
短路自锁保护：上电时按下照明综合保护装置启动按钮SB1，主接触器的线圈301得电，主接触器的主触点200、主接触器的第一路常开辅助触点201和主接触器的第二路常开辅助触点202闭合，负载供电线路接通。主接触器的第二路常开辅助触点202闭合后，通过上拉电阻R7，使得始端监控单元单片机14检测到一个电压下降沿信号，触发了始端监控单元单片机14的中断服务子程序，中断服务子程序控制始端监控单元单片机14向终端监控单元发送信息，终端监控单元接收到信息后，终端监控单元单片机8通过上I/O口5、中I/O口6、下I/O口7分别检测3.3V稳压二极管Z3、Z2、Z1上的电压，只要检测到有低电平信号存在，终端监控单元单片机8判断并处理信息，同时将该信息通过终端监控单元CAN总线接口9传输到始端监控单元，始端监控单元通过始端监控单元CAN总线接口15接收信息，始端监控单元单片机14处理信息并通过液晶显示屏19显示文字信息“上电闭锁”，同时控制辅助继电器线圈17得电，辅助继电器的常闭触点101断开，使得与其串联的主接触器的线圈301失电，主接触器的主触点200、主接触器的第一路常开辅助触点201断开，可靠地切断供电电源，实现一上电就检测短路故障，如果故障没有解除，将闭锁该开关，实现短路自锁保护。
实施方式2 ：
本实施方式与实施方式1基本相同，不同之处为将本发明一种长距离矿井巷道低压供电设备短路辅助保护装置用于磁力起动器的短路辅助保护，始端监控单元安装在磁力起动器壳体内，终端监控单元安装在供电线路末端，当采用1140V三相交流供电时，将终端监控单元三档位切换开关S1调至左档位，1号变压器T1初级绕组的1'和4'输入端分别与A1、B1连接，2号变压器T2初级绕组的1"和4"输入端分别与B1、C1连接，3号变压器T3初级绕组的1"'和4"'输入端分别与C1、A1连接，A1、B1、C1接线端子分别接入1140V三相交流供电线路；当采用660V三相交流供电时，将终端监控单元三档位切换开关S1调至中档位，1号变压器T1初级绕组的2'和4'输入端分别与A2、B2连接，2号变压器T2初级绕组的2"和4"输入端分别与B2、C2连接，3号变压器T3初级绕组的2"'和4"'输入端分别与C2、A2连接，A2、B2、C2接线端子分别接入660V三相交流供电线路。

Claims (1)

1.一种长距离矿井巷道低压供电设备短路辅助保护装置，其特征在于是一种能够实时检测和判断短路故障，在照明综合保护装置或磁力起动器等低压供电装置短路保护灵敏度不足或失效后，准确和快速地切断故障电路供电电源的保护装置，该保护装置由终端监控单元和始端监控单元组成，所述终端监控单元安装在低压供电线路的末端，实时检测故障并及时传输信息给始端监控单元，所述始端监控单元安装在照明综合保护装置或磁力起动器等低压供电装置壳体内，所述始端监控单元实时接收和判断终端监控单元发送来的信息，及时准确地切断故障电路供电电源，所述终端监控单元由故障检测电路和单片机处理电路组成，其中所述的故障检测电路由三相1140V交流输入电压接线端（A1）、（B1）和（C1）、三相660V交流输入电压接线端（A2）、（B2）和（C2）、三相127V交流输入电压接线端（A3）、（B3）和（C3）、三档位切换开关（S1）、1号变压器（T1）、2号变压器（T2）、3号变压器（T3）、整流二极管（D1）、（D2）和（D3）、1号变压器输出端滤波电阻（R1）和1号变压器输出端滤波电容（C1）、2号变压器输出端滤波电阻（R2）和2号变压器输出端滤波电容（C2）、3号变压器输出端滤波电阻（R3）和3号变压器输出端滤波电容（C3）、限流电阻（R4）、（R5）和（R6）、3.3V稳压二极管（Z1）、（Z2）和（Z3）、保护二极管（D4）组成，实现输入电压切换、变压、整流和滤波，并在3.3V稳压二极管（Z3）、（Z2）和（Z1）阴极输出电压信号；其中所述的单片机处理电路由终端监控单元单片机（8）、上I/O口（5）、中I/O口（6）、下I/O口（7）、单片机供电电源控制电路（3）、电平转换电路（4）、镍氢电池组（1）、充电控制电路（2）、终端监控单元CAN总线接口（9）、终端监控单元CAN总线接口（9）的端口（H1）和（L1）组成，其中镍氢电池组（1）由4节1.5V的镍氢充电电池串联而成，当镍氢电池组（1）电量不足时，充电控制电路（2）自动对其充电，充满时自动停止充电，单片机供电电源控制电路（3）实现左输入端系统供电和上输入端镍氢电池组（1）供电的切换控制，保证单片机供电电源控制电路（3）下输出端输出电压经电平转换电路（4）给终端监控单元单片机（8）提供3.3V的可靠供电，故障检测时，终端监控单元单片机（8）通过上I/O口（5）、中I/O口（6）、下I/O口（7）分别与3.3V稳压二极管（Z3）、（Z2）和（Z1）的阴极相连，实时检测故障信息，并将信息通过终端监控单元CAN总线接口（9）发送至始端监控单元CAN总线接口（15）；所述始端监控单元由低压供电装置启停控制回路（10）、供电电源电路和单片机控制电路组成，其中供电电源电路由两档位切换开关（S2）、4号变压器（T4）、单相整流电路（11）、电源滤波电路（12）和稳压电路（13）组成，通过控制两档位切换开关（S2），实现4号变压器（T4）1140V和660V两种输入电压等级切换，4号变压器（T4）输出经单相整流电路（11）、电源滤波电路（12）和稳压电路（13）给始端监控单元单片机(14)提供电源，其中单片机控制电路由上拉电阻（R7）、主接触器的第二路常开辅助触点（202）、始端监控单元单片机（14）、辅助继电器线圈（17）、始端监控单元CAN总线接口（15）、始端监控单元CAN总线接口（15）的端口（H2）和（L2）、显示驱动电路（18）和液晶显示屏（19）组成，当短路故障发生时，始端监控单元单片机(14)通过始端监控单元CAN总线接口(15)接收终端监控单元CAN总线接口(9)发送来的信息，根据信息来控制辅助继电器线圈(17)得电，驱动辅助继电器的常闭触点(101)断开，使与辅助继电器的常闭触点(101)串联在一起的主接触器线圈(301)断电，从而控制低压供电装置主接触器的主触点(200)和主接触器的第一路常开辅助触点(201)断开，快速切断故障电路供电电源，同时始端监控单元单片机(14)通过显示驱动电路(18)将信息显示在液晶显示屏(19)上；所述终端监控单元CAN总线接口(9)的端口(H1)和(L1)分别与始端监控单元CAN总线接口(15)的端口(H2)和(L2)通过通信线连接,即(H1)与(H2)相连，(L1)与(L2)相连。
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