专利名称：新型煤电钻综合保护装置的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种电气设备综合保护装置，可以通 过监测线路或用电设备电流变化率判断短路故障并实施保护。
二、 背景技术对各行业电气设备进行短路保护，是保证设备正常作 业及生产安全的重要保护措施之一。为确保保护措施不产生误动作，关键 的是保障判断故障准确、及时的检测到故障信号。目前国内外的短路检测 技术，主要采用以下几种方式1、基于检测短路电流大小的过流保护技术， 这种过流保护按照躲过电动机的最大启动电流的原则进行整定，在供电线 路长时，线路末端短路时，短路电流很小，保护的灵敏度很难达到要求；2、 基于相敏原理的短路保护技术，现国内外研究较多，也比较成熟，虽然解 决了保护灵敏度的问题，但此种技术只能保护三相短路，两相短路不动作；
3、基于载频原理的短路保护技术，国内在煤矿煤电钻综合保护器中应用较
多。但此种保护对线路参数(电缆截面、长度和电源变压器等)要求严格， 线路参数超出范围误动作，可靠性差。可见，如果能够研发出一种准确、 可靠的短路故障检测及保护技术，对维护正常的工农业生产，保障社会和 人民群众的生命财产安全，是多么的重要。
中国发明专利ZL 95108848. 3(公告号CN 1053277C，授权公告日2000 年6月7日)公开了一种短路故障电流通路的检测方法及故障指示器，该 发明通过检测电流变化率」I/t〉K，电流下降为零的时间」T满足t《 来判别故障。其中公开的故障指示器，通过转换电路、大电流跳变检测电 路、掉电检测电路和脉冲宽度与故障判别电路，给出驱动指示体的信号。 该发明检测方法判别故障准确不会有误动作，故障指示器使用方便，前景 广阔。但其判断电流短路故障的标准不是真正建立在故障状态下短路电流
的电流变化率数学模型基础上，目的是判断线路在继电保护装置控制断开 后的故障通路，其前提是线路继电保护装置判断短路故障断开线路后装置动作，因而不是真正意义上的利用电流变化率检测短路故障进行短路保护 的方法。
三、实用新型内容
本实用新型针对现有技术不足，提出一种新型煤电钻综合保护装置， 可以通过对线路或用电设备电流变化率进行监测，并根据短路故障电流波 形变化和其他故障电流波形变化规律的不同，准确判断出线路或用电设备 的短路故障，并进一步采取保护措施。
本实用新型所采用的技术方案
一种新型煤电钻综合保护装置，含有微电脑控制器、三相电流检测互 感器、执行机构、滤波电路以及电源电路，电源电路提供微电脑控制器工 作电源，所述执行机构包括一交流固态继电器和一中性点开关电路，交流 固态继电器输入端连接供电主回路电源变压器ZB二次侧输出端，交流固 态继电器输出端通过煤电钻手动开关连接煤电钻电机，所述中性点开关电 路含有三相整流电路、直流固态继电器及其反电压吸收电路，中性点开关 电路连接在供电主回路电源变压器ZB 二次侧的中性点，所述微电脑控制
器含有载频检测电路、漏电检测电路、A/D转换电路、先导电路以及第一
中央处理器和第二中央处理器，三相电流检测互感器将检测的电流信号转
换成电压信号接入A/D转换器，并经A/D转换器转换成数字信号分别接入 第一中央处理器和第二中央处理器的相应I/O输入端口，第一中央处理器 的相应I/O控制端口控制连接执行机构中的直流固态继电器和交流固态继
电器o
所述的新型煤电钻综合保护装置，第一中央处理器内置运行主程序、 参数设置子程序等，载频、漏电检测电路的输入端连接交流固态继电器的 三相输出端，载频检测电路、漏电检测电路的输出端接入第一中央处理器
的相应I/O输入端口，当保护线路发生漏电、断相、过载、短路时，第一 中央处理器发出控制信号给交流固态继电器，切断供电主回路电源。
所述的新型煤电钻综合保护装置，第一中央处理器和第二中央处理器 交互通讯连接，第二中央处理器内置电流变化率检测管理程序，当线路电流变化率连续超过设定值，则判断为线路出现短路故障，并在设定时间内
发出控制信号给执行机构，断开供电主回路电源变压器ZB 二次侧中性点 和交流固态继电器，切断供电主回路电源。
所述的新型煤电钻综合保护装置，漏电检测采用附加稳定直流的方式， 漏电跳闸保护采用基准电位低电压跟踪技术，检测信号经127V三相半波整 流电路及耦合电阻接入一比较器，比较器基准电位采用无稳压12V供电， 比较器输出端通过光耦隔离接入第一中央处理器的相应I/O输入端口，漏 电检测基准电位随电网电压波动，与比较电位同步变化。
所述的新型煤电钻综合保护装置，微电脑控制器含有先导控制电路， 第一中央处理器的相应控制1/0输出端口连接先导控制电路，先导控制电 路输出端连接交流固态继电器的控制端，煤电钻手柄开关闭合后通过+12V 电源使先导控制电路工作，煤电钻工作后第一中央处理器发出维持信号并 通过光耦U6自动保持，煤电钻手柄开关断开时第一中央处理器使U6关断， 以保证煤电钻不工作时电缆不带电。
本实用新型的有益积极效果-
1、 本实用新型煤电钻综合保护装置，设计合理、短路故障判断准确， 动作及时、可靠。利用电流变化率的短路检测技术，设计单片机控制程序， 能够准确判断出线路或用电设备短路故障，并及时提供保障措施，有效避 免线路或用电设备短路故障带来的负面效应，减少经济损失。
2、 本实用新型煤电钻综合保护装置，采用全数字化抗干扰设计，综合 采用了快速断电技术、电流变化率短路检测保护技术、载频短路检测保护 技术、单片机技术，使用了新型固态继电器做为主回路的分断元件(老产 品采用交流接触器)，不产生任何火花。解决了现有产品短路保护动作时间 长、保护距离短、打钻时短路保护误动作、抗干扰能力差、精确度低、调 整困难等问题。
3、 本实用新型煤电钻综合保护装置具有抗电网污染、电磁干扰及反向 瞬间过电压功能，具有绝缘性能好、寿命长、菜单操作、人机对话、记忆 显示、功能扩展、功耗低、维修量小、无火化、动作迅速、工作可靠、性能稳定等优点，采用直流固态继电器作为中性点开关(老产品采用可控硅， 控制困难)，短路保护动作迅速。
4、本实用新型煤电钻综合保护装置，采用微电脑控制，电路简单，整 机采用插件形式，可靠性高，控制保护距离单方向可达0 300米。维修量 小，更换方便。三相互感器与微电脑控制器一体化设计，减少了外部连接 线路。漏电闭锁和跳闸采用附加直流电源跟随电网电压波动的漏电检测技 术，基准电位与比较电位同步变化，不受电压波动的影响。短路闭锁采用 载频保护，短路跳闸采用检测电流变化率原理，灵敏度高，且与故障地点、 变压器容量、导线截面无关。
四、
图l:新型煤电钻综合保护装置电气原理图
图2:新型煤电钻综合保护装置漏电、绝缘检测及控制电路原理图
图3:新型煤电钻综合保护装置短路检测及控制处理电路原理图
图4:交流固态继电器输入输出波形
图5:短路与直流固态继电器控制信号波形(一)
图6:短路与直流固态继电器控制信号波形(二)
图7:短路与直流固态继电^l控制信号波形(三)
图8:短路与直流固态继电器输出波形
五具体实施方式
实施例一参见图l，本实用新型的新型煤电钻综合保护装置，供电主 屈路由隔离开关1K， 一次侧熔断器1RD、 2RD，主变压器ZB，三相整流 桥Z，直流固态继电器2SSR， 二次侧熔断器3RD、 4RD，交流固态继电器 1SSR组成，三相电流检测互感器电流信号输出端连接微电脑控制器，电源 电路提供微电脑控制器的工作电源。执行机构中的直流固态继电器2SSR并 联连接在供电主回路电源变压器ZB 二次侧中性点连接的三相整流电路输 出端，交流固态继电器1SSR的输入端连接供电主回路电源变压器ZB二次 侧输出端，交流固态继电器的输出端通过煤电钻手动开关连接煤电钻电机， 直流固态继电器2SSR、交流固态继电器1SSR的控制输入端连接微电脑控制器的控制输出端。
参见图3，微电脑控制器含有第二中央处理器CPU2，三相空心电流互 感器LH将检测到的电流信号转换成电压信号，并经A/D转换器转换成数 字信号，经过预处理后接入第二中央处理器CPU2的相应I/O输入端口， 第二中央处理器CPU2的相应I/O控制端口控制连接直流固态继电器2SSR， 第二中央处理器CPU2内置电流变化率检测管理程序，当线路电流变化率 连续超过设定值，则判断为线路出现短路故障，并在设定时间内发出控制 信号给直流固态继电器2SSR，断开供电主回路电源变压器ZB 二次侧中性 点，切断供电主回路电源。CPU2采用飞利浦公司的LPC2131,中央处理器 连接了一个JTAG接口协议集成电路芯片用于内部测试或实现在线编程， JTAG的模式选择、时钟、数据输入和数据输出线分别连接LPC2131的相 应端口，图3中的CAT1025是复位监控芯片，其复位端口、数据端口分别 连接LPC2131的复位端口和相应I/O数据端口，图中U7即集成电路 ICL7660提供A/D转换电路中比较器需要的-5V和+5V电源，U6 (集成电 路SPX1117)提供中央处理器CPU2需要的+3V工作电源。
实施例二参见图1、图2、图3。本实施例同实施例一不同之处在于， 微电脑控制器含有载频、漏电检测电路，第一中央处理器CPU1以及先导 控制电路，电流互感器三相电流信号经过滤波、整流预处理后分别接入两 个A/D转换器，两个A/D转换器输出端分别接入第一中央处理器CPU1的 相应I/O输入端口 ，载频、漏电检测电路的输入端连接交流固态继电器1SSR 的三相输出端，载频、漏电检测电路的输出端接入第一中央处理器CPU1 的相应I/O输入端口 ，第一中央处理器CPU1的相应控制I/O输出端口连接 先导控制电路，先导控制电路输出端控制连接交流固态继电器1SSR。第一 中央处理器CPU1采用AT89C52， AT89C52连接有监视存储器X25045 (看 门狗电路)。
本实用新型的新型煤电钻综合保护装置具有先导控制功能，保证煤电 钻未工作时电缆不带电；具有漏电跳闸、漏电闭锁保护、过载反时限保护、 断相保护、短路跳闸、短路闭锁保护功能。抗电网污染、电磁干扰能力强，可在线进行功率设置与故障査询等，设有工作状态指示灯，可查询近5次 的故障状态。
短路保护工作原理如下当煤电钻工作时，三相电流信号经A/D转换 器转换成数字信号，经过预处理，分别送给CPU1和CPU2进行分析、运算。 通过设计单片机CPU2程序，对某一时间段内的电流变化率进行连续检测， 如果检测到的多次电流变化率都超过正常情况下的电流变化率Is，则认为 是用电设备发生了短路故障。当出现短路故障时，CPU2进行分析、运算、 比较后在2ms内发出停电指令控制信号，切断直流固态继电器2SSR，使得 主变压器二次侧中性点断开，断开主回路电源；同时CPU1接到一个外部 中断信号，发出闭锁指令，切断交流固态继电器1SSR，实现短路闭锁。
煤电钻启动与停止由先导电路控制完成。开钻时，首先闭合煤电钻手 柄开关K2，接通下述先导回路12V+—Jl常闭触点1-2—R04—WY13— R05—WY14—D47—C相一2K—电动机一2K—B相一Jl常闭触点4-5—D48 —R06—R40〃C41 —12V—。信号电压从R40取得，通过R41送至U41A的 3脚，U41的1脚输出高电平，Q41导通，Jl、 J2吸合，Jl常开触点1-3闭 合，经光耦接通交流三相固态继电器控制信号，三相固态继电器接通，煤 电钻工作，CPU输出低电平，光偶U6导通。与此同时，Jl、 J2断开，切 断先导回路，维持信号由光偶U6提供，维持电钻工作。停钻时，手柄开关 2K断开，主回路电流中断，CPU输出高电平，光偶U6关断，U41的l脚 输出低电平，Jl、 J2释放，Q44断开三相固态继电器控制信号，三相固态 继电器断开，切断127V电源，保证不打钻时电缆不带电。
短路闭锁保护当煤电钻不工作时，采用载频检测短路保护技术，实 现短路闭锁功能，工作原理煤电钻未工作时，在监测线路上始终加上一 个固定频率的载频信号，电缆出现短路，电网相间阻抗降低，振荡器因负 载过重而停振，通过检测电路将信号送给CPUl, CPU1发出切断电源的执 行命令，具体过程如下由Q31、 D31、 D33、 R32、 R33、 R38、 P31、 C33、 C34、 L31组成电感三点式自激振荡器，L32耦合后，产生15kHz载频信号， 经两路输出， 一路径L32、 R30、 R31、 C30、 C31、 C32等元件与127V三相电网耦合，另一路径L31、 D32、 R39、 R34、 C35给U21B比较器6脚，
作为检测信号电压。正常情况下电网绝缘电阻很高，振荡器负载很轻，信 号电压高于比较电压，U21B输出低电平。当127V电网发生短路时，电阻 R30、 R31成为振荡器的主要负载，振荡器因负载加重而停振，无信号电压 输出，U21B输出由低电平变为高电平，该电平经光耦送给CPU1、 CPU1 接到该信号发出执令并闭锁，闭合煤电钻手柄开关则不能送电。
如短路故障出现在煤电钻绕阻，载频信号则在手柄开关K2闭合时，便 可检测到煤电钻绕阻短路故障，在电钻未工作前CPU1便发出停电指令并 闭锁。
漏电保护。煤电钻不工作时，漏电闭锁采用附加直流的方式进行检测 与保护，优点是不受电网电压波动的影响。检测回路为12V+—Jl常闭触 点1-2—R04—WY13—R05—WY14—D47—C相—漏地电阻—X10—J2常闭 触点4-5—P22—R28—R20〃C21—12V—。在三相电网对地绝缘水平较高时， 流径检测电路电流很小，不足以使比较器U21A输出电平翻转，当三相电网 的任一相，或煤电钻绕阻的任一相对地绝缘电阻降低且低于设定值时，在 闭合手柄开关K2的时候，附加直流+12V径K2加到煤电钻绕组与三相电缆 上，漏电流使得在R20的电平高于比较电平，R20上的电压经R21送至U21A 的3脚，U21A输出由低电平翻转为高电平，该电平信号经光耦送给CPU1， CPU1在送电前发出闭锁指令，电路闭锁。
漏电跳闸采用漏电检测基准电位低电压跟踪技术。煤电钻工作时，Jl、 J2吸合，漏电跳闸检测信号从三相电网整流获得，基准电位从无稳压12V 取得，随电网电压波动，基准电位回路A12V+—D204—R24—D23—D24 —R22—A12V—， U21A的2脚电位随电网电压波动。检测回路三相电 网—R201 -203—D201 -203—R27—R26〃C22—R29—P21 —D21 — J2常开触 点4-6—X10—漏地电阻—三相电网。如三相电网对地绝缘水平较高时，流 径检测回路的电流很小，不足以使比较器U21A输出电平翻转，当三相电 网、煤电钻绕组的任一相对地绝缘电阻降低且低于设定值时，漏电流使得 在R26上所产生的电平高于比较电平，此电压经D22—R20//C21—R21送至U21A的3脚，U21A输出由低电平翻转为高电平，该电平信号经光耦送 给CPU1 ， CPU1接到该信号发出停电指令并闭锁。
过载、断相保护工作原理如下在电钻启动或运行过程中，由三相电 流互感器将检测到的电流信号经A/D转换器转换成数字信号送给CPU1 ， CPU1对采集的信号进行分析、计算，并与设定值进行比较，若煤电钻无故 障存在，电钻正常运行。若运行过程中电钻出现过载或断相故障，CPU1发 出指令，切断电源，煤电钻停止运行。
电网滤波及反电压吸收电路。电网污染滤波电路由RXl-6、 CXl-3组成。 该电路可滤除三相电网的各种干扰波，保证单片机不受干扰脉冲的影响， 使单片机稳定检测故障信号。快速断电产生的反电压吸收电路由RX7、CX4、
RP组成。由于直流固态继电器的断开速度非常快(lms左右)，使得感性负 载回路瞬间产生很高的反电压(千伏级)，由RX7、 CX4、 RP组成的电路 可吸收此反电压，并将其限制在470V以内，保证直流固态继电器2SSR不被击穿。
试验电路。漏电试验按压SK2，电网一相经1KH电阻与辅助接地接通， 装置应实现漏电闭锁或漏电跳闸，同时指示灯LED5 (黄色)亮，表示电网 己发生漏电故障。短路试验，按压SK1，电网A、 C相经2iaF电容接通，装置 应实现短路闭锁或短路跳闸，指示灯LED6 (黄色)亮，表示电网已发生短
图4至图8为本实用新型测试结果波形图。由图4至图8的测试结果 波形图可以看出，短路保护动作时间最长为37ms，最短为13ms;漏电保 护动作时间最长为180ms，最短为80ms;直流固态继电器自身动作关断时 间<270^;交流固态继电器自身动作关断时间S10ms。各项测试指标均达 到国内领先水平，短路及漏电保护动作可靠、及时，是煤矿安全生产不或 缺少的综合保护装置。
权利要求1、一种新型煤电钻综合保护装置，含有微电脑控制器、三相电流检测互感器、执行机构、滤波电路以及电源电路，电源电路提供微电脑控制器工作电源，所述执行机构包括一交流固态继电器和一中性点开关电路，交流固态继电器输入端连接供电主回路电源变压器ZB二次侧输出端，交流固态继电器输出端通过煤电钻手动开关连接煤电钻电机，所述中性点开关电路含有三相整流电路、直流固态继电器及其反电压吸收电路，中性点开关电路连接在供电主回路电源变压器ZB二次侧的中性点，其特征是所述微电脑控制器含有载频检测电路、漏电检测电路、A/D转换电路、先导电路以及第一中央处理器和第二中央处理器，三相电流检测互感器将检测的电流信号转换成电压信号接入A/D转换器，并经A/D转换器转换成数字信号分别接入第一中央处理器和第二中央处理器的相应I/O输入端口，第一中央处理器的相应I/O控制端口控制连接执行机构中的直流固态继电器和交流固态继电器，载频检测电路、漏电检测电路的输入端连接交流固态继电器的三相输出端，载频检测电路、漏电检测电路的输出端接入第一中央处理器的相应I/O输入端口。
2、 根据权利要求1所述的新型煤电钻综合保护装置，其特征是第一 中央处理器和第二中央处理器交互通讯连接，第二中央处理器内置电流变 化率检测管理程序，当线路电流变化率连续超过设定值，则判断为线路出 现短路故障，并在设定时间内发出控制信号给执行机构。
3、 根据权利要求1或2所述的新型煤电钻综合保护装置，其特征是-漏电检测采用附加稳定直流电压信号，漏电跳闸保护采用基准电位低电压 跟踪，检测信号经127V三相半波整流电路及耦合电阻接入一比较器，比较 器基准电位采用无稳压12V供电，比较器输出端通过光耦隔离接入第一中 央处理器的相应i/o输入端口，漏电检测基准电位随电网电压波动，与比较 电位同步变化。
4、 根据权利要求3所述的新型煤电钻综合保护装置，其特征是第一中央处理器的相应控制I/O输出端口连接先导控制电路，先导控制电路输出端连接交流固态继电器的控制端，煤电钻手柄开关闭合后通过+12V电源 使先导控制电路工作，煤电钻工作后第一中央处理器发出维持信号并通过 光耦U6自动保持，煤电钻手柄开关断开时第一中央处理器使U6关断。
专利摘要本实用新型涉及一种电气设备综合保护装置。一种新型煤电钻综合保护装置，含有微电脑控制器，所述微电脑控制器含有载频检测电路、漏电检测电路、A/D转换电路、先导电路以及第一中央处理器和第二中央处理器，载频检测电路、漏电检测电路的输出端连接第一中央处理器，第二中央处理器内置电流变化率检测管理程序，当线路电流变化率连续超过设定值，则判断为线路出现短路故障，并在设定时间内发出控制信号给执行机构。本实用新型煤电钻综合保护装置，设计合理、短路故障判断准确，动作及时、可靠。三相互感器与微电脑控制器一体化设计，减少了外部连接线路。采用直流固态继电器作为中性点开关，短路保护动作迅速。
文档编号H02H3/24GK201234120SQ20082014826
公开日2009年5月6日 申请日期2008年7月29日 优先权日2008年7月29日
发明者冯如鹤, 吉增权, 庞元俊, 张荣花, 彭新荣, 栗成杰, 王任远, 董德明 申请人:吉增权