摘 要：文章指出了原煤電鉆綜合保護(hù)裝置存在的短路保護(hù)動(dòng)作時(shí)間長(zhǎng)的問(wèn)題，分析了產(chǎn)生該問(wèn)題的原因，并提出了改進(jìn)措施，使改進(jìn)后的新型煤電鉆綜合保護(hù)裝置的短路保護(hù)動(dòng)作時(shí)間大大縮短，解決了現(xiàn)有產(chǎn)品短路保護(hù)動(dòng)作時(shí)間長(zhǎng)的問(wèn)題，并能有效的防止意外事故的發(fā)生。
關(guān)鍵詞：固態(tài)繼電器；煤電鉆；綜合保護(hù)裝置
1 問(wèn)題的提出
煤電鉆是煤礦井下采掘工作面的主要生產(chǎn)沒(méi)備，煤電鉆綜合保護(hù)裝置性能的好壞直接影響著煤礦安全生產(chǎn)順利進(jìn)行，煤礦井下安全生產(chǎn)要求：當(dāng)煤電鉆系統(tǒng)出現(xiàn)短路故障時(shí)，其綜合保護(hù)裝置能快速動(dòng)作切斷電源，防止意外事故發(fā)生。原有煤電鉆綜合保護(hù)裝置的保護(hù)執(zhí)行回路采用中間繼電器控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)，執(zhí)行機(jī)構(gòu)采用接觸器，其主電路原理圖如圖1所示。受機(jī)電時(shí)間常數(shù)的制約，原有煤電鉆綜合保護(hù)裝置短路動(dòng)作時(shí)間長(zhǎng)（達(dá)100ms），已不能滿足現(xiàn)代化礦井安全生產(chǎn)的要求。為有效的防止短路故障可能引發(fā)的事故，就必須縮短短路保護(hù)動(dòng)作時(shí)問(wèn)。
新型固態(tài)繼電器是以電力電子器件構(gòu)成的電力電子開(kāi)關(guān)，屬無(wú)觸點(diǎn)通斷組件，具有開(kāi)關(guān)速度快、操作方便、無(wú)火花及拉弧現(xiàn)象等特點(diǎn)，適合在頻繁工作或潮濕、有腐蝕性氣體以及易燃?xì)怏w的環(huán)境中。而煤礦井下含有大量的瓦斯、煤塵等易燃易爆物質(zhì)，使用由全控型電力電子器件構(gòu)成的新型直流固態(tài)繼電器和以雙向晶閘管為核心的交流固態(tài)繼電器作為執(zhí)行機(jī)構(gòu)應(yīng)用到煤電鉆綜合保護(hù)裝置中，代替原有的中間繼電器和交流接觸器，便能解決現(xiàn)有產(chǎn)品短路保護(hù)動(dòng)作時(shí)間長(zhǎng)的問(wèn)題。
2 新型固態(tài)繼電器在煤電鉆綜合保護(hù)裝置中的應(yīng)用
2．1 新型煤電鉆綜合保護(hù)裝置
常見(jiàn)的半導(dǎo)體中性點(diǎn)開(kāi)關(guān)均采用普通晶閘管或晶體管、整流器件構(gòu)成，壓降大，功耗大。并且由于電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及器件性能的影響，導(dǎo)致半導(dǎo)體中性點(diǎn)開(kāi)關(guān)的關(guān)斷時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，因此，不能滿足快速關(guān)斷要求或引起電感過(guò)電壓（電壓上升率），造成中性點(diǎn)開(kāi)關(guān)失控現(xiàn)象。采用由全控型器件組成的新型半導(dǎo)體中性點(diǎn)開(kāi)關(guān)便可解決上述問(wèn)題。利用由電力電子器件構(gòu)成的半導(dǎo)體中性點(diǎn)開(kāi)關(guān)將變壓器二次繞組接成Y點(diǎn)（Y接），當(dāng)出現(xiàn)短路故障時(shí)，半導(dǎo)體中性點(diǎn)開(kāi)關(guān)利用電力半導(dǎo)體器件將變壓器二次繞組Y點(diǎn)快速斷開(kāi)，即快速切斷電源，從而縮短保護(hù)動(dòng)作時(shí)間。
改進(jìn)后的新型煤電鉆綜合保護(hù)裝置主電路如圖2所示，該主電路主要由隔離開(kāi)關(guān)QS1，操作手柄開(kāi)關(guān)QS2，做短路后備保護(hù)的一、二次側(cè)熔斷器FU1、FU2，主變壓器TM，由直流固態(tài)繼電器組成的新型半導(dǎo)體中性點(diǎn)開(kāi)關(guān)，交流固態(tài)繼電器和起過(guò)載保護(hù)作用的熱繼電器組成。其執(zhí)行機(jī)構(gòu)采用改進(jìn)型的快速斷電技術(shù)（直流固態(tài)繼電器）和無(wú)觸點(diǎn)開(kāi)關(guān)（交流固態(tài)繼電器）控制執(zhí)行。
由絕緣柵雙極晶體管IGBT器件構(gòu)成的新型半導(dǎo)體中性點(diǎn)開(kāi)關(guān)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，關(guān)斷能力強(qiáng)，開(kāi)關(guān)壓降、功率低，管子或模塊容量大的特點(diǎn)，將新型半導(dǎo)體中性點(diǎn)開(kāi)關(guān)技術(shù)與故障電信號(hào)快速檢測(cè)技術(shù)相結(jié)合，應(yīng)用到煤電鉆綜合保護(hù)裝置中，將大大縮短短路動(dòng)作時(shí)間（從接收到短路信號(hào)到完全斷開(kāi)所需時(shí)間約41ms），提高我國(guó)煤礦安全技術(shù)水平。
2．2 半導(dǎo)體中性點(diǎn)開(kāi)關(guān)的基本組成
由新型直流固態(tài)繼電器組成的半導(dǎo)體中性點(diǎn)開(kāi)關(guān)的基本組成如圖3所示，它包括三相不控整流橋、由IGBT器件構(gòu)成的直流固態(tài)繼電器及過(guò)電壓吸收裝置三部分。由于直流固態(tài)繼電器的斷開(kāi)速度非常快（1ms左右），使得感性負(fù)載回路瞬間產(chǎn)生很高的反電壓（千伏級(jí)），快速斷電產(chǎn)生的過(guò)電壓由阻容吸收裝置RC及壓敏電阻RP吸收，并將其限制在470V以內(nèi)，保證直流固態(tài)繼電器不被擊穿。
將新型直流固態(tài)繼電器應(yīng)用到煤綜保中之后，其工作原理如下：合上電源隔離開(kāi)關(guān)QS ，接通電源，給直流固態(tài)繼電器加上控制信號(hào)使之導(dǎo)通，變壓器二次側(cè)接成Y點(diǎn)；
合上負(fù)載側(cè)隔離開(kāi)關(guān)Qs ，然后觸發(fā)交流固態(tài)繼電器使之導(dǎo)通，電動(dòng)機(jī)接通電源，煤電鉆開(kāi)始工作。當(dāng)檢測(cè)回路檢測(cè)到故障信號(hào)時(shí)，發(fā)出指令，切斷直流固態(tài)繼電器的控制信號(hào)，直流固態(tài)繼電器關(guān)斷，使得主變壓器二次側(cè)中性點(diǎn)斷開(kāi)，從而斷開(kāi)主回路電源，快速實(shí)現(xiàn)保護(hù)。
2．3 煤電鉆綜合保護(hù)裝置中直流固態(tài)繼電器參數(shù)的選擇
設(shè)電路正常工作時(shí)，某一瞬間的等效電路如圖4所示。則電路正常工作時(shí)，直流固態(tài)繼電器和三相橋中每個(gè)整流管所承受的最高電壓（考慮2～3倍余量）。對(duì)于4kW的煤電鉆，其額定電流，則流過(guò)負(fù)載的最大電流Im=In=×21．4=30A，由于直流固態(tài)繼電器用在三相橋式整流的直流側(cè)，且其承受過(guò)電流的能力很弱，所以考慮4～5倍余量來(lái)選擇直流固態(tài)繼電器的額定電流，即I=（4～5）Im=（4～5）×30=120～150A。所以，采用IGBT模塊構(gòu)成的直流固態(tài)繼電器，其工作電壓選為400V，工作電流120A，通態(tài)壓降≤1．5V。
2．4 改進(jìn)后的效果
采用交流固態(tài)繼電器代替交流接觸器，并采用新型固態(tài)繼電器器件代替可控硅對(duì)半導(dǎo)體中性點(diǎn)開(kāi)關(guān)進(jìn)行技術(shù)改造，改造后的快速斷電中性點(diǎn)開(kāi)關(guān)關(guān)斷時(shí)間可達(dá)到0．3ms。并將之應(yīng)用到新型煤電鉆綜合保護(hù)裝置中，使新型煤電鉆綜合保護(hù)裝置的短路保護(hù)動(dòng)作時(shí)間大大縮短（最長(zhǎng)為41ms，最短可達(dá)13ms），可解決現(xiàn)有產(chǎn)品短路保護(hù)動(dòng)作時(shí)間長(zhǎng)的問(wèn)題，有效的防止意外事故的發(fā)生。
3 結(jié)語(yǔ)
實(shí)踐證明，新型固態(tài)繼電器應(yīng)用在煤電鉆綜合保護(hù)裝置中，采用圖2所示主電路和上述器件，與原固態(tài)繼電器相比，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，關(guān)斷能力強(qiáng)，開(kāi)關(guān)壓降、功耗低，管子或模塊容量大、價(jià)格低等特點(diǎn)，與故障電信號(hào)快速檢測(cè)技術(shù)相結(jié)合，完全滿足煤礦井下安全生產(chǎn)的需要。斷開(kāi)，從而斷開(kāi)主回路電源，快速實(shí)現(xiàn)保護(hù)。
（轉(zhuǎn)載）
