矿用电钻综合保护装置设计

摘要随着国家采煤技术的发展，对矿井设备供电的连续性、可靠性和安全性提出了越来越高的要求，因此对矿井煤电钻综合保护系统的研究具有重要的理论和应用价值。本文针对煤电钻综合保护技术在矿井煤电钻综合保护系统中的应用问题，提出了矿井煤电钻综合保护的控制技术和保护方法，并将其应用到井下煤电钻低压供电电网中，试验和运行结果表明所提出的保护方法正确、有效、实用。本文的主要设计内容如下:首先针对矿用电钻综合保护装置的意义及存在常见问题进行介绍和分析，指出了研究煤矿井下电钻综合保护装置的实际意义和价值。在回顾煤电钻综合保护装置的发展历史的基础上，结合电气设备的智能化、网络化的发展方向，提出了新型矿用电钻综合保护装置的设计方案。根据我国井下煤电钻综合保护装置的实际情况，对煤电钻综合保护装置常见故障的电气特征进行理论上的分析，并参照相关标准提出了相应的保护原理和动作指标，重点解决了漏电保护、短路保护、过载保护和过负荷保护等长期困扰煤电钻可靠运行的问题。设计了硬件原理图验证了保护的可靠性和灵敏性。简单介绍利用单片机为主要控制单元，设计了一种新型煤电钻综合保护装置，根据电路取样信号，自动判断煤电钻漏电、短路和过载故障。关键词：煤电钻；综合装置；短路保护；漏电保护；过载保护ABSTRACTWiththedevelopmentofthenationalcoalminingtechnology,powersupplycontinuity,reliabilityandsecurityofmineequipmentputforwardhigherrequest,Therefore,thestudyofmineintegratedprotectionsystemofthecoalelectricdrillisimportanttheoreticalandapplicationvalue.Inthispaperthecomprehensiveprotectionofthecoalelectricdrilltechnologyapplicationinmineintegratedprotectionsystemofthecoalelectricdrill,Putforwardthecoalminedrillingandcomprehensivecontroltechnologyandprotectmethod,Anditsapplicationinundergroundlow-voltagepowergridofthecoalelectricdrill,Testandrunningresultsshowthattheproposedprotectionmethodarecorrect,effectiveandpractical.Inthispaper,themaindesigncontentisasfollows:Firstinviewofthemineelectricdrillintegratedprotectiondeviceandthesignificanceofintroductionandanalysisonthecommonproblems,pointsouttheresearchofthecoalminecomprehensiveprotectiondeviceofelectricdrillpracticalsignificanceandvalue.Inreviewingthedevelopmenthistoryofintegratedprotectiondeviceofthecoalelectricdrill,onthebasisofcombiningthedevelopmentdirectionofintelligentelectricalequipment,network,putsforwardthedesignschemeofnewtypeofmineelectricdrillintegratedprotectiondevice.AccordingtotheactualsituationofChinasundergroundintegratedprotectiondeviceofthecoalelectricdrill,theintegratedprotectiondeviceofthecoalelectricdrillatheoreticalanalysisofcommonfailuresofelectricalcharacteristics,Andputsforwardcorrespondingprotectionprinciplewithreferencetorelevantstandardsandindicators,thekeytosolvetheleakageprotection,shortcircuitprotection,overloadprotectionandoverloadprotectionproblemsinthereliableoperationofthecoalelectricdrillforalongtime.Designthehardwareschematicdiagramverifythereliabilityofprotectionandsensitivity.Introducesmicrocontrollerasthemaincontrolunit,designedanewtypeofintegratedprotectiondeviceofthecoalelectricdrill,accordingtothesamplingsignalcircuit,automaticjudgmentleakage,shortcircuitandoverloadfailureofthecoalelectricdrill.Keywords:Electricdrill；Integrateddevice;Shortcircuitprotection；Electricleakageprotection;Overloadprotection目录1绪论.11.1研究煤矿井下电钻综合保护装置的意义.11.2煤矿电钻综保的发展与现状.11.3矿用电钻综合保护装置的作用和特点.21.3.1矿用电钻综保装置的作用.21.3.2矿用电钻综合保护装置的特点.21.4矿用电钻综合保护常见问题及改进方法.21.4.1矿用电钻综保常见的问题.21.4.2矿用电钻综保的改进方法.31.5本设计的主要内容和工作安排.32煤矿井下电钻综合保护原理.42.1概述.42.2漏电保护.42.2.1漏电故障特征.42.2.2漏电保护原理.72.2.3漏电闭锁电阻值与动作值的确定.82.3短路保护.92.3.1短路故障特征.92.3.2短路保护原理.102.4过载保护原理.112.5欠压保护原理.132.6本章小结.143保护系统硬件电路设计.143.1煤电钻综保装置总体结构.143.2硬件电路设计.153.2.1555定时器.153.2.2整流稳压电路.173.3先导、漏电保护.173.3.1先导控制.173.3.2漏电闭锁.173.3.3漏电保护电路设计.193.4短路保护电路设计.203.4.1短路闭锁.213.4.2短路保护.213.5过载保护.213.6欠压保护.213.7本章小结.224智能综保装置的结构及设计.224.1智能综保装置.224.1.1煤电钻综保总体框图.224.2先导回路.224.3漏电保护.234.3.1漏单闭锁.234.3.2漏电保护.234.4短路保护.244.4.1短路保护电路设计.244.4.2漏电、短路单片机系统.244.5过载保护.264.5.1过载保护电路设计.264.5.2过载保护软件设计.274.6本章小结.285总结.29参考文献：.30翻译部分.31英文原文.31中文译文.37致谢.431绪论1.1研究煤矿井下电钻综合保护装置的意义随着我国煤炭生产需求的不断增加，煤电钻的使用也越来越平凡，主要在井下采掘工作面使用较为广泛，而且操作方便。虽然井下采掘工作面大量使用煤电钻电压不高、功率也小，但煤矿井下具有十分恶劣的工作环境，空间狭小，碰、砸、的机会很多，电缆细而且经常磨损，工作时人也经常接触，低压电网经常会出现漏电和短路故障，同时由于工作人员维护和操作不当，输电导线断裂的原因，长期运行将导致绝缘击穿，经常回造成漏电和单相接地的故障。并且在接地点出现电火花和电弧会造成瓦斯、煤尘爆炸，直接危及人身安全和煤矿的正常生产。根据我国煤矿安全规程第四百五十七条规定：“煤电钻必须有检漏、漏电闭锁，断相，短路，过、欠电压，综合保护装置具有远距离启动和停止等功能”。为了使煤矿电钻更好的为矿井服务，我国研制开发了用于保护煤电钻作业安全的煤电钻保护装置(简称煤电钻综保)。煤电钻综合保护装置在使用过程中不仅提高了综保安全运行性能而且还为矿井带来了良好的经济效益和社会效益。因此，为了保障人生安全、避免无谓的事故、提高可靠性，研究煤矿井下电钻综合保护具有十分重要的意义。1.2煤矿电钻综保的发展与现状煤电钻综合保护保是利用电源变压器、磁力起动器、及漏电和短路保护等组成的一种保护装置。在早期，煤电钻综合保护的组成是只有磁力起动器和电钻在正常工作时的漏电保护部分，煤电钻根据工作面的具体条件，电气线路不对电网的电容电流进行补偿；漏电部分是采用了电阻及三极管等组成的附加电源的漏电保护电路。由于该装置使用时不能进行监视电网的绝缘程度，因而该煤电钻的综合保护是不完善的。在后来有了进一步研究改进，增加了先导回路，也就是起动控制部分。即在煤电钻打开开关手柄后先接通先导回路，当主电源是127V的控制接触器给煤电钻供电在没闭合之前，先检查煤电钻有关的电网地绝缘电阻情况，只有煤电钻在内的该电网地绝缘正常并且没有短路，才能接通包括磁力起动器在内的主回路给煤电钻供电，否则不能起动磁力起动器，主回路没通电，这样看这种保护是很完整很安全的。另外，原来使用的单一熔断器是不安全的，而采用了载频短路保护后对短路部分进行了改进，使保护更加安全可靠。煤电钻是井下主要的生产设备，考虑到煤电钻综合保护装置性能很重要，其性能的好坏直接影响煤矿安全生产能否顺利进行，原有煤电钻综合保护装置的动作时间长达100ms，对于现代矿井已经不能满足其安全生产要求。新型固态继电器的出现满足了这一不足，它是以电力电子器件构成的电力电子开关，其特点是操作非常方便、开关灵敏、没有出现火花和拉弧等现象，工作在潮湿、频繁工作及易燃气体等环境中比较适合。这一装置的使用解决了短路保护动作时间长的问题，并有效的防止事故发生。电钻综保在传统综保装置的基础上，新型快速断电煤电钻综合保护装置的出现，实现了快速检测短路保护和漏电保护，利用单片机接收和处理故障信号，并发出指令快速断电去执行电路，从而在故障发生5ms内切除故障，使得煤矿安全生产得到保障。1.3矿用电钻综合保护装置的作用和特点1.3.1矿用电钻综保装置的作用煤电钻综保装置的外壳和转盖是圆形的结构，它具有隔爆的作用。在外壳的上部有一接线箱，它的作用是引进和引出接线电缆。外壳的右侧还有一手柄，其功能是用来送电、断电的操作工具。按钮装置是检查漏电保护、短路保护系统的有效性。闭锁螺栓，该装置是保证隔离开关在闭合状态下不能开转盖，转盖上还有一透视镜，可以从外面看到指示灯的亮、灭，可判断发生故障的性质，黄灯亮，说明已接通电源，绿灯亮了说明煤电钻已起动，红灯亮说明电路中的某个环节发生短路或漏电等故障，电缆不能正常给煤电钻送电。1.3.2矿用电钻综合保护装置的特点煤电钻综合保护装置主要是作用是给煤矿井下127V手持式煤电钻供电、控制和保护。有如下特点：（1）此装置使用很方便、重量轻。它把原来分散的变压器、隔离开关、漏电保护及磁起动器总重达到200kg以上的四台设备压缩成只有95kg的一台设备。（2）通过采用先导控制回路，可以远距离操作电钻，并在电钻不工作时不带电。当煤电钻手把开关闭合时，通过先导回路使150m以外的综合保护装置的主接触器主动吸合，然后电缆通电煤电钻开始起动。当打开煤电钻手把开关时，电钻停止转动，随后综合保护装置通过先导回路的作用使得主接触器分离，从而达到电钻不工作电缆不带电，这样也保证了煤电钻电缆如果有意外损坏时，不会发生事故。1.4矿用电钻综合保护常见问题及改进方法1.4.1矿用电钻综保常见的问题（1）大部分煤电钻保护装置的先导回路的保持电路，是经过电流互感器的二次感应电压整流后加限流电阻，直接驱动继电器。由于煤电钻经常在过负荷情况下工作，电流较大，电流互感器二次侧的电压升高，烧坏插件上的电子元件，造成煤矿不能正常生产。（2）大部分煤电钻综合保护装置漏电方式采用的是3个二极管半波整流，检测到的电压在127V附近波动，随之波动的还有信号电压，漏电保护动作值也就不稳定，降低了装置的保护性能。（3）在大部分电钻保护装置中经常出现问题的还有过流保护热继电器。如井下选用BZZ-2.5型综保装置，用它控制一台1.2KW的煤电钻，过流保护继电器经常会处于保护状态，这样对正常生产有了很大的影响。煤电钻还会有堵转的现象也经常出现，对于大型功率较大的煤电钻，综合保护装置过载保护不稳定，要么过于灵敏，要么烧坏插件，给安全生产带来了严重的影响。(4)大部分煤电钻综保装置在127V煤电钻供电系统的短路保护上过于应用了载频保护技术，连续监视127V三相煤电钻电缆相间绝缘情况，相间绝缘一损坏就会立即发出信号，从而切断电源使煤电钻得到保护。但是载频保护在井下非常受限，电压波动、电缆截面及长度等影响，使磁芯的调整范围也非常受限，当电钻刚起动的时候很容易就发生误动作，有的在地面调试正常可以使用，但在井下就能正常使用了。（5）大部分煤电钻综保短路动作时间太长，一般都在100250ms，已经不适应现在保护的需要。上述5种情况是大部分煤电钻综合保护装置共有的通病，为了使煤电钻综合保护装置更好的煤矿的安全生产服务，就必须解决以上问题。1.4.2矿用电钻综保的改进方法（1）改进电流互感器。因为在工作时的煤电钻，频繁启动，过负荷及堵转现象时有发生，所以处于先导回路中保护电路的电流互感器二次侧电压在过压状态下很容易烧毁整流桥和限流电阻，破坏了保护插件。因而我们要考虑用大功率的整流桥和限流电阻，但这样虽然解决了保护插件的烧毁问题，却又会造成电钻在空转时，互感器二次侧电压过低的原因使保护电路工作失灵。想要彻底解决这个问题，我们还得从互感器入手，比如根据实际情况改变电流互感器的线圈匝数，能使电钻在空转和工作时在二次侧都有个合适的和可靠的电压使其工作，当煤电钻出现过载或者堵转等情况，二次侧的电压不会升高而烧坏整流桥和限流电阻。(2)优化综保插件保护电路原件。优化综保插件短路保护电路的缺陷，用质量好、容量误差小的云母电容去代替质量不好、容量误差大的金属膜电容，使其频率上升到25000Hz，在增强过载保护能力的同时短路保护距离也有了延伸，一般延伸到180m左右。这样的科学选型更换和技术优化，使煤电钻保护电路充分发挥了其保护功能，在距离长、过载能力强能实现安全保护，为矿井生产提供了安全保障。（3）采用新的远距离载频保护技术、缩短保护动作时间。为有效防止短路和漏电故障，将电钻综保装置短路保护和漏电保护的动作时间缩短到5ms以内。为使保护距离不再局限于150200m，电缆截面和电压波动不受影响，因而采用远距离载频保护技术。1.5本设计的主要内容和工作安排本设计主要内容是“矿用煤电钻综合保护装置设计”。目的是设计一个操作方便、动作可靠和保护功能完善且适合井下煤电钻综合保护装置系统。通过查阅大量资料，分析煤矿电钻综合保护装置的基础上，再结合现场实际情况，具体的设计内容如下：（1）根据煤矿电钻在井下的实际情况，分析矿用电钻的综合保护原理。（2）根据矿用电钻综合保护装置的短路保护、过载保护、漏电保护和欠压保护，分析其保护原理、特性等。（3）根据各种保护的原理汇出各种保护电气原理图。（4）智能综合保护的设计和实现方法，汇出电气原理图、软件方框图。2煤矿井下电钻综合保护原理2.1概述本设计的内容是矿用电钻综合保护装置，主要是为了使煤矿井下安全生产。因此，本章在分析煤电钻综合保护的基础上，重点阐述了煤电钻在井下出现故障的几种保护原理，大致如下：（1）漏电保护：本设计采用直流检测式原理，具有漏电闭锁和漏电保护两种功能。（2）短路保护：此短路保护方式采用的是载频监测保护系统。分为短路闭锁保护和短路跳闸保护。（3）过载保护：本设计采用热继电器保护元件作为过载保护元件。（4）欠压保护：本设计采用的是欠压保护继电器。2.2漏电保护漏电保护是保证煤矿电钻安全供电的三大保护(即过流保护、漏电保护和短路保护)之一。煤矿安全规程规定；煤电钻必须装设带有漏电闭锁的检漏保护装置或有漏电保护的检漏保装置。煤矿井下空气潮湿，在此条件下对运行的电气设备的绝缘提出了特殊的要求。而电缆是其中的薄弱环节，这样单相接地或者漏电故障就会经常会出现。漏电不仅可以损坏电气设备，而且还可以导致人身触电、瓦斯和煤尘爆炸等危险。因此，矿用煤电钻必须装设漏电保护装置。为了防止漏电故障的发生，煤矿井下电钻的漏电保护装置应满足如下要求：（1）具有双重功能，即漏电闭锁和漏电跳闸，并不间断地监视被保护电缆的绝缘状态；（2）当电钻保护电缆对地绝缘电阻降低到一定程度时，综保装置及时动作，将供电电源切断；或将电源开关闭锁起来，防止开关合闸送电，事故扩大。（3）动作要迅速，一般应满足30mAs的要求。（4）动作必须灵敏可靠，既不能拒动，也不能误动。2.2.1漏电故障特征我国煤矿井下供电电网采用的的供电方式是中性点绝缘供电，因而对地电容电流对于电网来说很小，可以忽略不计，这时，我们只考虑对地绝缘电阻的影响。供电系统图如下图2-1所示。图2-1矿井供电系统电路图当井下供电系统正常运行时，相电压对称，即：CBAU、（2-OU1）另外，一般认为各相对地绝缘电阻也是相等的，即:（2-rrCBA2）这时可以把三相对地绝缘电阻Ar、B,Cr可看成以中性点为地，对称的星形负载。因此，在不发生触电或接地故障时，流过每相绝缘电阻中的电流、是相等，即：AIBCI（2-CBAII3）同时，还存在以下关系:(2-4)ACrIU由上式可知，在供电正常运行状态下，相电源电压和相对地电压也就相等，因而这两相是对称的。如果负载中性点的电位和变压器的电位之间不存在电位差，即为零。oU下面就讨论几种漏电情况：（1)如果对发生人身触电，如图2-1所示，那么人身电阻与C相的绝缘电阻就RCr会并联，则有:(2-5)CRC由公式(2-5)可知，C相的对地电阻就会与A,B相不相等，从而三相对地电阻失去了对称性，于是，电网中的电压和电流就会发生改变，负载中性点和变压器之间就会出现在电位差，其向量图如图2-2所示：UAUAOUOOACBUBUBUCUC图2-2触电电压向量图这时，各相对地电压就会失去对称性，就会变为：(2-6)0A(2-7)UB(2-8)0C随之，各相对地绝缘电阻中的电流也就不相等，变为:（2-AArI09）（2-BBrUI010）（2-CCrI011）这时，人身触电电流为：（2-RI.RARUI012）根据基尔霍夫电流定律得：0RCBAII（2-13）即：（2-ArU0Br00CrU14）（2-rRA3015）（2-rRURUIAA3.o.16）公式(2-16)是当人身发生触电事故时流过人体电流的计算公式。煤矿安全规程中规定，在发生触电事故时，流过人体的电流不超过30mA/s，否则，就会对人生安全造成隐患。（2)若发生了单相接地故障，如果A相接地，那么单相接地电流就是流过接地点的电流，它与与绝缘电阻Br和C其余两相构成电流回路。这时，A相的对地电压就会变为零，B相和C相的对地电压变为原来电压的3倍，这样就变成了线电压。所以，电气设备绝缘电阻必须有承受较高电压的能力。这时，出现的零序电压AU0，出现故障的单相接地电流为:(2-17)rUIAjd30(3)如果电网绝缘电阻的不对称程度下降，同理可以得到单相接地电流的计算公式如下式所示:一相绝缘电阻降低时：（2-rRUIAB18）两相绝缘电阻降低时：（2-rIR2319）2.2.2漏电保护原理漏电保护主要是对发生漏电时防止人身触电伤亡和漏电引起瓦斯煤尘爆炸能快速切断电源防止事故发生。漏电根据检测到不同的物理量，漏电保护原理和装置种类也不尽相同，但对于井下电网保护原理来看适用于井下低压电网的漏电保护主要有:附加直流电源检测的保护原理、零序电流方向保护原理、零序电流保护原理。本系统采用的原理是附加直流电源检测，下面进行介绍:附加直流电源检测原理是利用附加在电网的直流电源与地之间的直流电源来检测电网是否发生漏电故障。正常运行时，电网的绝缘水平很高，保护装置不会动作，因为附加直流检测回路的电流很小，当电网的绝缘水平下降或发生漏电时，附加直流检测回路的电流就会增大，保护动作。这种保护对于检测单相和三相漏电故障都很可靠，对井下漏电保护的实现具有重要的意义。其原理如图2-3所示。图2-3中TPR为三相电抗器，它为附加直流检测回路提供人为中性点;R为限流电阻;F1为工频滤波电路;F2为高频滤波电路;U为附加直流电源;分别为A,B,C三相的CBAr对地等效绝缘电阻。图2-3附加直流电源检测原理图由上图可以看出，直流电流从电源的正极流出，然后经绝缘电阻、和通IUArBCr过三相电网，再经三相电抗器和限流电阻，回到电源的负极。所以直流电流TPRU计算公式如下:I(2-20)rI上式中为检漏继电器内阻；为三相电网每相对地的绝缘电阻并联，假若A相绝R缘电阻降低，另外两相绝缘电阻无限大，则=，若A，B两相的绝缘电阻同时下降，且=，而另一相绝缘电阻为无限大，则=；若三相绝缘电阻同时降低，ArBCrr2/且=；，则=。由式(2-20)可知，当直流电压和简陋继电器内阻一ArBCr3/rUR定时，直流电流和成反比，所以可以通过直流电流和的关系来反映电网的对地绝IIr缘电阻。2.2.3漏电闭锁电阻值与动作值的确定漏电闭锁值是由漏电动作值确定，漏电动作值则以人身触电安全为前提。煤矿井下人身触电安全电流根据我国煤矿安全规程规定值为30mA，电网供电电压为660V，流过人体安全电流按30mA计算，通过式（2-12）可计算出电网最小漏电电阻值为：（2-kRIUR353min21）对于直流而言，三相电网的漏电电阻是并联通路，则漏电动作电阻值为：（2-kRdz7.13min22）在实际中，采用的是11k。三相绝缘电阻一般并非对称下降，若一相绝缘电阻降低，但剩余两相一直为无限大时，人身触电电流就要比30mA大，为了保护人身安全和不影响煤矿正常生产，因此，选用两倍的漏电动作值，即22。同理如果是1140V电网，其K漏电闭锁电阻值为40。该保护系统适用于660V和1140V两种电压。因此，要选择不K同的漏电闭锁值(660V为22k；1140V为40k)，在系统中通过设置不同的比较值来实现。2.3短路保护在煤矿井下供电系统中，短路故障也是井下常见的故障之一。短路是指供电系统中不等电位的导体在电气上被短接。在井下，供电线路损坏的原因是由于环境恶劣，潮湿等原因造成的，从而就会引起短路。短路故障直接影响着煤矿井下安全生产，因此，在煤矿井下低压供电电网中必须装设有过电流保护系统。常见的短路故障包括:两相、三相短路、两相接地、单相接地短路。三相短路发生故障时是对称的，所以又称对称短路，剩下的在发生故障时不对称，故称不对称性短路。下面介绍发生短路故障特征及原理。2.3.1短路故障特征短路故障分为正序、零序和负序三个相序分量，其故障电流与各相序分量之间的关系为：PSAIPSCIPSBI(a)正序分量NSAINSCINSBI(b)负序分量ZSBIZSAIZSCI(c)零序分量图2-4各序分量则有:(2-23)上式中、和分别是A、B和C三相的故障电流，、和分别AIBCIPSAINZSAI是A相电流的正序、负序和零序分量。对称短路故障是电网发生三相短路时，电流迅速增大，其相位对称，因此，没有负序和零序电流的存在。发生短路最为严重的就是三相短路，短路时电流会迅速上升到很大，所以要有瞬间断电保护措施。不对称短路故障是电网发生两相短路的情况下，故障电流有正序分量和负序分量，并且正序电流和负序电流幅值相等，相位不对称，所以不存在零序电流，这个也是两相短路的重要特征。ZSANPSABZSSII22还有一种不严重的不对称故障就是当开关触头接触不良或接线端子掉线时，就会发生短路故障。线路断后，该相的电流就会变为为零，而另外两相的电流则大小相等，方向相反。断相以后，在电网中就会出现正序、负序和零序电流，而且很容易造成过流。在煤矿中发生几率最大的就是单相接地短路，短路时接地点的间歇性电弧很可能发生煤尘与瓦斯爆炸，后果比较严重，因此，对单相接地也必须要设有保护装置。2.3.2短路保护原理当煤矿井下发生三相短路故障时，三相短路故障电流会很大，可采用相敏保护；若发生两相短路故障时，电网则采用负序保护；本设计对煤电钻综合保护装置的短路保护部分采用的是载频保护。下面分别介绍：(1)相敏保护原理三相短路保护是井下供电重要保护之一，因为它的短路电流极大，所以要有可靠的和安全的保护措施。煤矿井下大型电动机设备起动时，电流特别大，可达到额定电流的4-8倍，这时几乎接近线路短路电流，如果整定电流过小，容易造成保护误动，如果整定过大，降低灵敏度，电网短路可能拒动，不能保护整条线路，这样看来，要仅以电流区分起动和短路是比较困难的。国内所采用的方法大多数也就有两种：一种就是延时，一般电流在8秒内降下来，认为是正常起动，如果在8秒内降不下来则认为是短路故障，这种方法对电机起动的时限要求不太满足。另一种方法是在起动的时候，设置一较高的比较值，起动后，比较值降低来满足起动要求，这种方法是不可靠的，如果电机起动发生了短路故障，这样就不能起到保护作用。我国近年来经过研究发现，大型电动机在启动时，虽然电流很大，但是起动时却有较低的功率因数，一般在0.5以下，而在电网短路最末端，其功率因数却很大，一般能达到1，由此可见，虽然起动和短路时的电流会达到峰值，但是其功率因数是明显不同的，这样我们可通过功率因数的大小来判断是起动还是短路情况，这样也就提高了短路保护灵敏度和可靠性，扩大保护范围，这也就是相敏保护的基本原理。(2)负序保护原理在煤矿井下电网正常运行或发生对称短路故障时，相敏保护主要是针对对称短路故障进行保护，对发生不对称短路故障，即在电网中不存在负序电流，同时也就不存在起动电流和短路电流之间的固有关系。当电网没有发生短路故障或发生对称短路故障时，电网中就不会产生负序电流，当电网发生不对称短路故障，这样就会产生负序电流，因而可以通过计算负序电流的大小来判断不对称短路故障，这也就是负序保护的基本原理。(3)载频保护原理本设计采用载频检测保护方式。载频保护的原理是无论电钻电缆是否送电,其上面始终通有一个固定频率的载频信号。如果一旦电缆出现短路故障，则首先将这个载频信号短接,并且通过检测装置判别载频信号的消失,给出切断电源的执行指令。短路保护电路由于具有闭锁作用,因此当短路保护动作之后,排除故障后且准备再一次送电时,必须先断开隔离开关将控制电源瞬时断开,使闭锁电路复位，然后方可再次工作。2.4过载保护原理过载是井下煤电钻不正常运行的一种状态，就是煤电钻的电动机运行电流超过了规定的额定电流，而控制回路安装和设有过载保护原件，当电动机流过的电流超过了额定电流，过载保护动作，使电动机停止工作，实现了煤电钻的过载保护。矿用电钻在使用过程中经常会出现过载现象，过载保护主要是指流过电路中的电流超过了该设备的额定电流。如果煤电钻处于过载的时间较长，就会导致煤电钻及电缆发热，使系统的绝缘和机械强度会迅速下降，煤电钻可能烧坏。煤电钻的特性是具有反时限，过载保护就是当煤电钻过载时能够在造成损失切断电源，煤电钻和矿井安全受到了保护。煤电钻运行损耗会转变成热量，使煤电钻电机温度升高。温升用表示，温升是指电机某部分的温度与电机周围冷却介质温度的差称为a该部分的温升，即国家规定电动机允许温升称为电动机温升限度，用表示，am所以，电动机运行时各部分的温升不能超过温升限度，即。m电动机运行过程中的热量通过传导、辐射和对流作用散发到周围介质中。由能量守恒和实验得出电动机热平衡方程为：(2-24)dtCMSQ上式中是表面散热系数，即单位时间从表面上通过辐射和对流散走的热量；是M物体的质量；是物体的比热容；是物体的表面积；是单位时间物体产生的热量。CQ由式（2-24）可得：(2-25)TtTtTtTteeS00)1()1(上式中：是电动机初始温升，即当t=0时电动机的温升；是发热时间常数，又0称温升时间常数，；是电动机的稳定温升。SCMT电动机稳定温升是，当电动机热平衡时本身不再吸热，且把自身热量全部Q散到周围介质中去。单位时间内所产生的热量、散热表面积、及表面散热系数等决S定电动机的稳定温升，与电机的质量、原始温度及比热等无关。由式（2-25）可知：电机发热的过程中，其温升规律是呈指数函数变化的。电机工作时温升如果不超过国家规定的温升限度，是可以连续工作的，并且电机再不会过热。电动机的损耗使其在运行过程中产生热量，损耗又可分为铜损和铁损等，PQCuPFe其中铜损、铁损和电流的平方成正比。由此可知当流过电机的电流一定时，电机稳定温升与电机损耗成正比，与电机电流的平方近似成正比，即：（2-2IK26）上式中：是电机的温升系数；是电机的有效电流。KI针对电机发热效应英国GEC公司提出了等效电流的概念，公式为：eqI（2-212KIeq27）上式中：是电机的正序电流系数，启动时取0.5,；正常运行时取1；是电机正1KI序电流；是电机负序电流系数，一般取6；是电机负序电流。2I电动机正序负序电流计算公式为：（2-)(312_2WVUII28）上式中,即和，分别要求移相和。204正弦交流电有效值的计算采用均方根，公式为：（2-TeqrmsdtII0)(129）由以上分析可知电机温升与电流有效值关系为：（2-30)TtTtrmseKI0)1(电动机在运行的过程中，电流是变化的，因而温升也是变化的，式（2-30）就不能直接使用。但在短时间内可把电流看成恒定不变的，这样可把电机运行过程分为若干小的时间段，每个时间段就可用式（2-30）。如果要用单片机实现过载保护，则需要将上述公式离散化。以三相交流电某一相作为参考，每周期在正弦电流上采样36个数据，即（2-28）式为：(2-31)24()1()31)(kIkIkIWVU（2-27）式离散化为：23e（2-2212kIKIkIeq32）（2-29）式离散化后为：（2-3612)(keqrmsII33）电机在计算温升时，以每个正弦交流电作为一个周期，在这一周期内计算电流有效值作为有效电流，则在第个周期后温升可表示为：i（2-TtiTtirmsieIK1)()34）由（2-34）式可以计算出电机任意时刻煤电钻产生的温升，当煤电钻工作电流不超过额定电流、温升不超过限度，可过载运行，不会损坏煤电钻；反之，则须断开电源，防止损坏煤电钻从而实现了过载保护。本设计采用的是过载保护热继电器。过载保护热继电器双金属热元件，动作机构，常闭触头，常开触头，复位按钮及电流调节旋钮构成。电机过载时电流变大，双金属热元件长时间通过大电流变形，通过动作机构使触头动作，带动开关跳闸，起到保护作用。2.5欠压保护原理欠压保护也是煤矿井下煤电钻供电可缺少的一部分。欠压是指电网电压下降到额定电压并且低于额定电压的75%时，该保护就会延时并且跳闸。当配电电路或者供电系统出现短路故障时，供电电压将短时间内会下降或消失，此时，如果电动机负荷过重且电压恢复较慢，电动机还长时间处于起动状态，这种情况下，相当大的起动电流就会冲击电动机和配电系统。这样，电动机长期在起动电流作用下工作，就会导致电机绝缘过热，甚至损坏电机。此外，在正常供电的过程中，如果电压下降，额定负载下很容易引起过电流，从而烧坏电机。因此，在井下必须安装欠压保护装置。本系统采用的欠压保护继电器，通过继电器的吸合来控制电源的通断。如果电网电压正常，则继电器吸合。若电网电压下降且下降到额定电压的75%时，继电器断开，从而保护电动机和配电系统。2.6本章小结本章主要介绍了煤电钻的四大保护，即漏电、短路、过载和欠压保护，并阐述了它们常见故障特性和保护原理。结果表明：在一个煤电钻三相供电系统中，当某一相发生漏电故障时，该相零序电流方向和非故障相零序电流方向正好相反，利用此原理可实现选择性漏电保护；三相短路发生故障时，各相电流是对称的，为了区别短路电流和起动电流可以采用相敏保护原理，发生不对称短路时采用负序保护原理，对于煤电钻供电系统则采用的是载频保护原理；过载保护则采用的是热继电器保护原理，根据过载电流流过电机的大小使得金属元件变形，触点动作，开关断开。从而使电机受到保护；欠压保护采用欠压继电器，如果电压超出了监测范围，继电器释放，保护了电钻设备。3保护系统硬件电路设计3.1煤电钻综保装置总体结构装置由五部分组成：漏电保护部分、短路保护部分、过载保护部分、欠压保护部分和先导回路部分组成，如图1所示。图3-1矿用电钻综合保护装置原理框图3.2硬件电路设计电钻综合保护电路如下图所示。图3-2煤电钻综合保护装置电路图3.2.1555定时器（1）简介555定时器是以模拟和数字两种功能结合的一种中规模集成器件，一般在工艺制作上称为555。555定时器制作成本较低，使用可靠，且只要外接几个电阻、电容可实现脉冲产生和变换电路，如单稳态触发器、多谐振荡器以及施密特触发器等。其结构图如图3-3所示：（2）555定时器外部引脚：1脚：接地，外接电源负极。GNDVS2脚：低触发端。TR3脚：（或）输出端。OUO4脚：R是直接清零端。当R端接低电平，则时基电路不工作，此时不论、处于TRH何电平，时基电路输出为“0”，该端不用时应接高电平。5脚：(或)为控制电压端。若此端外接电压，则可改变内部两个比较器的基准COV电压，当该端不用时，应将该端串入一只0.01F电容接地，以防引入干扰。6脚：高触发端。TH7脚：D放电端。该端与放电管集电极相连，用做定时器时电容的放电。8脚：(或)外接电源，双极型时基电路的范围是4.516V，CMOSVCVC型时基电路的范围为318V。一般用5V。VC图3-3555时基电路（3）应用1）构成