CN111641191B - 带闭锁电容器安全放电电路及分段安全放电控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种带闭锁电容器安全放电电路，包括带电自适应放电及电容检测电路、断电第一安全闭锁放电电路及断电第二安全闭锁放电电路，还涉及一种分段安全放电控制方法，包括带电自适应放电及电容检测控制、断电第一安全闭锁放电控制、断电第二安全闭锁放电控制。该带闭锁电容器安全放电电路及分段安全放电控制方法解决了现有煤矿井下高压真空开关储能电容器只能自然放电、放电不可控、放电速度慢和残余剩余电量而引起安全风险的问题，实现了储能电容器电流可控且闭环反馈控制的恒流放电，使储能电容器能够精确放电，可防止电容过度放电，同时可以实时对储能电容器进行放电检测，给储能电容器于充分保护，延迟电容使用寿命。

Description

带闭锁电容器安全放电电路及分段安全放电控制方法

技术领域：

本发明涉及煤矿井下防爆电气设备技术领域，尤其涉及一种用于防爆设备的带闭锁电容器安全放电电路，以及储能电容器分段安全放电控制方法。

背景技术：

内置大容量储能电容器的矿用隔爆型移动变电站用高压真空开关(以下简称高压真空开关)设备，因为储能电容器的存在，其电容量达到6600μF，电容能量不会很快降低到安全范围以下，储能电容器自然放电时间至少需要10分钟。在高压真空开关设备中如果没有设计针对储能电容器进行快速放电的电路，需要进行检修和维护时，储能电容器的残余能量在断电后需要等待很长的时间才能泄放完毕，浪费了检修和维护的时间，同时部分煤矿工人缺乏专业知识，对放电意识不重视或者一时的疏忽，如果未泄放完毕即打开隔爆箱体并进行检修作业，则可能发生触电或产生电火花的危险，所以储能电容器放电安全关乎着煤矿生产安全。我国《煤矿安全规程》和GB 3836《爆炸性环境用电气设备》国家标准均对大容量电容器断电后的剩余能量有强制规定，其中GB 8286-2017《矿用隔爆型移动变电站》标准新增电容器放电相关条款，既内置的配电装置，打开(门)盖时应具有强制放电功能，此标准还规定煤矿井下电器设备必须设计机电闭锁装置，打开(门)盖腔体内断开电源。可以看出储能电容器能否快速、安全放电至标准规定的剩余能量、相应机电闭锁装置设计至关重要，如果储能电容器残余能量能够产生电火花，将有引爆煤矿井下爆炸性气体的安全隐患，将储能电容器完全安全、快速放电具有重要的安全意义。

发明内容：

本发明的带闭锁电容器安全放电电路是高压真空开关控制系统的一部分，本发明仅对储能电容器安全放电电路及机电闭锁部分进行设计，其它综合保护器、充电电路、采样电路、执行电路、结构设计等从略。本发明的安全放电电路需要配合机电闭锁装置进行操作,并按设计的控制方法进行操作和放电，能使储能电容器安全、快速放电，保障高压真空开关开门断电且无电容产生电火花风险。本发明在三段放电时共用相同的放电器件，可以保障电容器快速放电和完全放电，提高高压真空开关的安全性，在满足应用设计要求同时还可以简化设计、节省成本。

本发明是通过如下技术方案实现的：

一种带闭锁电容器安全放电电路，包括

带电自适应放电及电容检测电路，包括恒流源电路及电容检测电路，恒流源电路及电容检测电路形成放电回路一，恒流源电路用于使储能电容器按恒定电流放电，电容检测电路与恒流源电路连接，用于实时检测储能电容器放电状态，进行电容器放电保护和剩余电量指示，同时进行充放电指示；

断电第一安全闭锁放电电路，包括安全闭锁机构、第一行程开关、放电电阻及储能电容器，第一行程开关由安全闭锁机构闭锁与控制，第一行程开关、放电电阻及储能电容器形成放电回路二，储能电容器对放电电阻进行放电，使储能电容器剩余能量达到标准要求；

断电第二安全闭锁放电电路，包括机电闭锁机构、开门机构、第二行程开关及第三行程开关，第二行程开关由开门机构闭锁与控制，第三行程开关由机电闭锁机构闭锁与控制，机电闭锁机构将第三行程开关触点闭合，储能电容器对放电电阻进行放电，由开门机构驱动使第二行程开关常开触点断开，电容放电停止，使储能电容器剩余能量达到标准要求。

具体地，所述恒流源电路包括依次连接的综合保护器、大功率场效应MOS管、恒流放电控制电路及PWM驱动电路，由综合保护器经PWM驱动电路输出基准电压，然后经过恒流放电控制电路处理，选择适当的采样电阻，则流过采样电阻的电流为恒值，实现大功率场效应MOS管的控制与保护；所述电容检测电路包括与综合保护器依次连接的D/A变换电路、恒流放电反馈电路及采样电阻，采样电阻的反馈电压送至恒流放电反馈电路，经处理后作为反馈电压送入恒流放电控制电路，经过运算处理，对大功率场效应MOS管的栅极电压进行调整，从而实现流过采样电阻电流的恒定。

具体地，所述安全闭锁机构包括隔离开关手柄、隔离开关驱动机构、闭锁按钮、第一行程开关固定座及限位闭锁螺杆，闭锁按钮用于控制真空断路器分闸，第一行程开关固定座用于固定第一行程开关，隔离开关手柄用于驱动隔离开关驱动机构旋转至分闸限位位置，使隔离开关分开。

具体地，所述机电闭锁机构包括开门手柄、门法兰、主腔法兰、第二行程开关固定座及第三行程开关固定座，第二行程开关固定座用于固定第二行程开关，第三行程开关固定座用于固定第三行程开关，开门手柄用于驱动开门机构，由开门机构驱动门法兰与主腔法兰分离接触，则第二行程开关常开触点断开。

本发明还涉及一种分段安全放电控制方法，采用上述带闭锁电容器安全放电电路，包括如下步骤：

S1.带电自适应放电及电容检测控制：当高压真空开关需要开门检修时，首先按分闸按钮，使真空断路器断开，然后操作电容器放电按钮，使综合保护器输出基准电压，通过恒流放电控制电路、驱动大功率场效应MOS管闭合和放电回路一工作，然后储能电容器对放电电阻和分闸线圈放电，在进行电容放电的同时并控制流过分闸线圈的电流，保护分闸线圈不因流过电流过大而烧坏；

S2.断电第一安全闭锁放电控制：首先按分闸按钮，使真空断路器断开，然后按下闭锁按钮并旋转隔离开关手柄，驱动隔离开关驱动机构旋转至分闸限位位置，使隔离开关分开，按闭锁按钮同时驱动第一行程开关常开触点闭合，然后第一行程开关、放电电阻、储能电容器形成通路，储能电容器对放电电阻进行放电，在隔离开关分闸完成时停止放电，可使储能电容器剩余能量进一步释放；

S3.断电第二安全闭锁放电控制：根据机电闭锁设计原理，首先使隔离开关手柄处于分闸位置，将限位闭锁螺杆从限位处旋出，将限位闭锁螺杆从限位处旋出至手柄座限位位置时，第三行程开关常开触点闭合，然后第三行程开关、第二行程开关、放电电阻、储能电容器形成通路，储能电容器对放电电阻进行放电，使储能电容器剩余能量达到标准要求，然后提升开门手柄，由开门机构驱动门法兰与主腔法兰分离接触，则第二行程开关常开触点断开，此时电容放电停止。

本发明的有益效果是：本发明的带闭锁电容器安全放电电路具有相互闭锁的安全放电电路及机电闭锁装置，采用三段式安全放电控制方法，解决了现有高压真空开关储能电容器只能自然放电、放电不可控、放电速度慢和残余剩余电量而引起安全风险的问题；其中带电自适应放电及电容检测电路实现了储能电容器电流可控且闭环反馈控制的恒流放电，使储能电容器能够精确放电，可防止电容过度放电，同时可以实时对储能电容器进行放电检测，给储能电容器于充分保护，延迟电容使用寿命；断电第一安全闭锁放电电路和断电第二安全闭锁放电电路不仅具有机械与电气连锁功能还实现了对储能电容器快速放电，缩短放电时间；根据本带闭锁电容器安全放电电路特性设计了针对性的储能电容器分段安全放电控制方法，此三段式控制方法通过机械与电气连锁，具有相关控制逻辑与操作顺序，只有按本控制方法操作才能使储能电容器达到最佳安全放电状态和安全闭锁状态，保障高压真空开关开门断电且无电容放电产生电火花风险；总之通过带闭锁电容器安全放电电路及分段安全放电控制方法可以对电容器进行充分、快速放电，保证高压真空开关能够安全可靠的运行；本带闭锁电容器安全放电电路与高压真空开关保护电路、断路器驱动电路、电容充电电路相辅相成，互不干扰，提高高压真空开关控制系统可靠性和安全性。

附图说明：

图1为本发明的带闭锁电容器安全放电电路的电路原理图；

图2为本发明的断电第一安全闭锁放电电路及断电第二安全闭锁放电电路的结构示意图；

图3为本发明的分段安全放电控制方法的流程原理图。

具体实施方式：

下面结合附图对本发明的较佳实施例进行详细阐述，以使本发明的优点和特征能更易被本领域人员理解，从而对本发明的保护范围做出更为清楚明确的界定。

如图1所示的一种带闭锁电容器安全放电电路，包括带电自适应放电及电容检测电路、断电第一安全闭锁放电电路及断电第二安全闭锁放电电路。

带电自适应放电及电容检测电路包括大功率场效应MOS管Q1(型号IRF634,输出电流最大8.1A，最高电压250V)、恒流放电控制电路、恒流放电反馈电路、放电按钮、采样电阻Rs、放电电阻Rz、分励线圈L、储能电容器C1等组成，形成放电回路一；恒流源电路采用压控恒流原理设计，恒流放电控制电路由运算放大器、电阻、电容等器件组成，实现大功率场效应MOS管Q1的控制与保护；然后大功率场效应MOS管Q1、恒流放电控制电路、PWM驱动电路、采样电阻Rs组成恒流源电路，由放电按钮控制综合保护器经PWM驱动电路输出基准电压U1，然后经过恒流放电控制电路处理，选择适当的采样电阻Rs，则流过Rs回路的电流为恒值，即储能电容器C1按恒定电流对放电电阻Rz和分励线圈L放电，在进行电容放电的同时并控制流过分励线圈L的电流，保护分励线圈L不因流过电流过大而烧坏，并且分励线圈产生电磁力驱动铁芯动作，实现高压真空开关真空断路器的分闸功能，进一步提高高压真空开关分闸可靠性；恒流放电反馈电路由运算放大器、电阻、电容等器件组成，恒流放电反馈电路与采样电阻Rs组成电流负反馈电路，采样电阻的反馈电压送至恒流放电反馈电路，经处理后作为反馈电压Uf送入恒流放电控制电路，经过运算处理，对大功率场效应MOS管Q1的栅极电压进行调整，从而实现流过采样电阻Rs电流的恒定；综合保护器、D/A变换电路、恒流放电反馈电路、采样电阻Rs组成电容检测电路，实时检测储能电容器放电状态，由综合保护器进行电容器放电保护和剩余电量指示，同时也通过发光二极管进行充放电指示；本断电路中放电按钮与高压真空开关真空断路器闭锁，只有真空断路器处于分闸状态下放电按钮信号才起作用，真空断路器处于合闸状态时按下放电按钮不会对储能电容器进行放电。

图1结合图2所示，断电第一安全闭锁放电电路由安全闭锁机构、第一行程开关K1、放电电阻Rz、储能电容器C1组成，其中安全闭锁机构由隔离开关手柄2、隔离开关驱动机构3、闭锁按钮5、第一行程开关固定座6、限位闭锁螺杆4组成；第一行程开关K1由安全闭锁机构闭锁与控制，分闸时需先按下闭锁按钮5使真空断路器分闸，然后旋转隔离开关手柄2，驱动隔离开关驱动机构3旋转至分闸限位位置，使隔离开关分开；按闭锁按钮5同时驱动第一行程开关K1常开触点闭合，然后第一行程开关K1、放电电阻Rz、储能电容器C1形成通路，形成放电回路二，储能电容器C1对放电电阻Rz进行放电，可使储能电容器剩余能量达到标准要求；在隔离开关分闸到限位时第一行程开关K1触点分开，停止放电。本段真空断路器和隔离开关具有机电闭锁关系，只有真空断路器分闸后隔离刀闸才能操作。

断电第二安全闭锁放电电路由机电闭锁机构、第二行程开关K2、第三行程开关K3、放电电阻Rz、储能电容器C1组成，其中机电闭锁机构由开门机构12、开门手柄13、门法兰10、主腔法兰9、第二行程开关固定座11、第三行程开关固定座组成；第二行程开关K2由开门机构12闭锁与控制，第三行程开关K3(图示中标注1)由机电闭锁机构闭锁与控制，第二行程开关固定座11(第二行程开关K2关门时闭合)焊接于主腔法兰9的限位闭锁螺杆附近部位，第三行程开关K3固定于隔离开关驱动机构上部；将限位闭锁螺杆4从限位处旋出至手柄座限位位置时，隔离开关驱动机构3将第三行程开关K3触点闭合，配合第二行程开关K2常开触点(此时闭合)、放电电阻Rz、储能电容器C1形成通路，即放电回路二，储能电容器C1对放电电阻Rz进行放电；然后提升开门手柄13，由开门机构12驱动门法兰10与主腔法兰9分离接触，则第二行程开关K2常开触点断开，此时电容放电停止。经过本阶段放电使储能电容器剩余能量达到标准要求。

断电第二安全闭锁放电电路与断电第一安全闭锁放电电路之间具有机械闭锁关系，只有在完成断电第一安全闭锁放电电路放电操作后，才能进行断电第二安全闭锁放电电路放电操作，操作顺序由机械闭锁限定。

煤矿井下设备的机械与电气连锁都有相关标准规范规定，因此本技术在相关标准规范基础上设计出适合本项安全放电电路的控制方法进行操作和放电，即储能电容器分段安全放电控制方法，本控制方法同样分三段，包括S1带电自适应放电及电容检测控制，S2断电第一安全闭锁放电控制，S3断电第二安全闭锁放电控制，三段式控制方法通过机械与电气连锁，具有相关控制逻辑与操作顺序，只有按本控制方法操作才能储能电容器达到最佳安全放电状态和安全闭锁状态，保障高压真空开关开门断电且无电容产生电火花风险。控制方法流程图如图3所示。

S1第一分段带电自适应放电及电容检测控制，当高压真空开关需要开门检修时，第一步需按分闸按钮，使真空断路器断开，然后操作电容器放电按钮(可以为综合保护器虚拟按钮)，此放电按钮必须与真空断路器充电工作电路形成闭锁关系，使综合保护器输出基准电压U1，通过恒流放电控制电路、驱动大功率场效应MOS管Q1闭合和放电回路一工作，然后储能电容器对放电电阻Rz和分闸线圈L放电，在进行电容放电的同时并控制流过分闸线圈L的电流，保护分闸线圈L不因流过电流过大而烧坏。带电自适应放电及电容检测电路实现柔性主动放电，实现闭环反馈控制，可控制放电电流和放电时间，实现了储能电容器的精确放电，可防止电容过度放电，给储能电容器于充分保护，延迟电容使用寿命。

S2第二分段断电第一安全闭锁放电控制，首先需按分闸按钮，使真空断路器断开，然后按下闭锁按钮然后旋转隔离开关手柄，驱动手柄座旋转至分闸限位位置，使隔离开关分开，按闭锁按钮同时驱动第一行程开关K1常开触点闭合，然后第一行程开关K1、放电电阻Rz、储能电容器C1形成通路，储能电容器C1对放电电阻Rz进行放电，在隔离开关分闸完成时停止放电，此过程可使储能电容器剩余能量进一步释放。本段真空断路器和隔离开关具有机电闭锁关系，只有真空断路器分闸后隔离刀闸才能操作，本段操作可以不以第一端操作为先决条件。断电第一安全闭锁放电控制实现电容被动放电，放电速度快、效率高，可以保障在第一段带电自适应放电未彻底或未进行第一段放电时储能电容器的快速放电。

S3第三分段断电第二安全闭锁放电控制，根据机电闭锁设计原理，只有首先通过第二分段放电操作使隔离开关手柄处于分闸位置，才能将限位闭锁螺杆从限位处旋出，将限位闭锁螺杆从限位处旋出至手柄座限位位置时，第三行程开关K3常开触点闭合，然后第三行程开关K3、第二行程开关K2(此时闭合)、放电电阻Rz、储能电容器C1形成通路，储能电容器C1对放电电阻Rz进行放电，使储能电容器剩余能量达到标准要求；然后提升开门手柄，由开门机构驱动门法兰与主腔法兰分离接触，则第二行程开关K2常开触点断开，此时电容放电停止。断电第二安全闭锁放电控制同样是实现电容被动放电，放电速度快、效率高，可以保障在第二安全闭锁放电未彻底时储能电容器的快速充分放电。

最后旋转开门手柄，使高压真空开关门法兰与主腔法兰完全脱离，则开门操作完成。此时腔内储能电容器完全放电，并且主回路断电，高压真空开关腔内处于安全无电状态。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

另外，在本发明实施例的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“设置”、“设有”等应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

最后应说明的是：以上实施例，仅为本发明的具体实施方式，用以说明本发明的技术方案，而非对其限制，本发明的保护范围并不局限于此，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改或可轻易想到变化，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改、变化或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的精神和范围，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (6)

1.一种带闭锁电容器安全放电电路，其特征在于：包括

带电自适应放电及电容检测电路，包括恒流源电路及电容检测电路，恒流源电路及电容检测电路形成放电回路一，恒流源电路用于使储能电容器按恒定电流放电，电容检测电路与恒流源电路连接，用于实时检测储能电容器放电状态，进行电容器放电保护和剩余电量指示，同时进行充放电指示；

断电第一安全闭锁放电电路，包括安全闭锁机构、第一行程开关、放电电阻及储能电容器，第一行程开关由安全闭锁机构闭锁与控制，第一行程开关、放电电阻及储能电容器形成放电回路二，储能电容器对放电电阻进行放电，使储能电容器剩余能量达到标准要求；

断电第二安全闭锁放电电路，包括机电闭锁机构、开门机构、第二行程开关及第三行程开关，第二行程开关由开门机构闭锁与控制，第三行程开关由机电闭锁机构闭锁与控制，机电闭锁机构将第三行程开关触点闭合，储能电容器对放电电阻进行放电，由开门机构驱动使第二行程开关常开触点断开，电容放电停止，使储能电容器剩余能量达到标准要求。

2.根据权利要求1所述的带闭锁电容器安全放电电路，其特征在于：所述恒流源电路包括依次连接的综合保护器、大功率场效应MOS管、恒流放电控制电路及PWM驱动电路，由综合保护器经PWM驱动电路输出基准电压，然后经过恒流放电控制电路处理，选择适当的采样电阻，则流过采样电阻的电流为恒值，实现大功率场效应MOS管的控制与保护。

3.根据权利要求2所述的带闭锁电容器安全放电电路，其特征在于：所述电容检测电路包括与综合保护器依次连接的D/A变换电路、恒流放电反馈电路及采样电阻，采样电阻的反馈电压送至恒流放电反馈电路，经处理后作为反馈电压送入恒流放电控制电路，经过运算处理，对大功率场效应MOS管的栅极电压进行调整，从而实现流过采样电阻电流的恒定。

4.根据权利要求3所述的带闭锁电容器安全放电电路，其特征在于：所述安全闭锁机构包括隔离开关手柄、隔离开关驱动机构、闭锁按钮、第一行程开关固定座及限位闭锁螺杆，闭锁按钮用于控制真空断路器分闸，第一行程开关固定座用于固定第一行程开关，隔离开关手柄用于驱动隔离开关驱动机构旋转至分闸限位位置，使隔离开关分开。

5.根据权利要求4所述的带闭锁电容器安全放电电路，其特征在于：所述机电闭锁机构包括开门手柄、门法兰、主腔法兰、第二行程开关固定座及第三行程开关固定座，第二行程开关固定座用于固定第二行程开关，第三行程开关固定座用于固定第三行程开关，开门手柄用于驱动开门机构，由开门机构驱动门法兰与主腔法兰分离接触，则第二行程开关常开触点断开。

6.一种分段安全放电控制方法，采用如权利要求5所述的带闭锁电容器安全放电电路，其特征在于，包括如下步骤：

S1.带电自适应放电及电容检测控制：当高压真空开关需要开门检修时，首先按分闸按钮，使真空断路器断开，然后操作电容器放电按钮，使综合保护器输出基准电压，通过恒流放电控制电路、驱动大功率场效应MOS管闭合和放电回路一工作，然后储能电容器对放电电阻和分闸线圈放电，在进行电容放电的同时并控制流过分闸线圈的电流，保护分闸线圈不因流过电流过大而烧坏；

S2.断电第一安全闭锁放电控制：首先按分闸按钮，使真空断路器断开，然后按下闭锁按钮并旋转隔离开关手柄，驱动隔离开关驱动机构旋转至分闸限位位置，使隔离开关分开，按闭锁按钮同时驱动第一行程开关常开触点闭合，然后第一行程开关、放电电阻、储能电容器形成通路，储能电容器对放电电阻进行放电，在隔离开关分闸完成时停止放电，可使储能电容器剩余能量进一步释放；

S3.断电第二安全闭锁放电控制：根据机电闭锁设计原理，首先使隔离开关手柄处于分闸位置，将限位闭锁螺杆从限位处旋出，将限位闭锁螺杆从限位处旋出至手柄座限位位置时，第三行程开关常开触点闭合，然后第三行程开关、第二行程开关、放电电阻、储能电容器形成通路，储能电容器对放电电阻进行放电，使储能电容器剩余能量达到标准要求，然后提升开门手柄，由开门机构驱动门法兰与主腔法兰分离接触，则第二行程开关常开触点断开，此时电容放电停止。

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