新型固態繼電器在煤電鉆綜合保護裝置中的應用

1 問題的提出
　　煤電鉆是煤礦井下采掘工作面的主要生產沒備，煤電鉆綜合保護裝置性能的好壞直接影響著煤礦安全生產順利進行，煤礦井下安全生產要求：當煤電鉆系統出現短路故障時，其綜合保護裝置能快速動作切斷電源，防止意外事故發生。原有煤電鉆綜合保護裝置的保護執行回路采用中間繼電器控制執行機構，執行機構采用接觸器，其主電路原理圖如圖1所示。受機電時間常數的制約，原有煤電鉆綜合保護裝置短路動作時間長（達100ms），已不能滿足現代化礦井安全生產的要求。為有效的防止短路故障可能引發的事故，就必須縮短短路保護動作時問。

　　新型固態繼電器是以電力電子器件構成的電力電子開關，屬無觸點通斷組件，具有開關速度快、操作方便、無火花及拉弧現象等特點，適合在頻繁工作或潮濕、有腐蝕性氣體以及易燃氣體的環境中。而煤礦井下含有大量的瓦斯、煤塵等易燃易爆物質，使用由全控型電力電子器件構成的新型直流固態繼電器和以雙向晶閘管為核心的交流固態繼電器作為執行機構應用到煤電鉆綜合保護裝置中，代替原有的中間繼電器和交流接觸器，便能解決現有產品短路保護動作時間長的問題。
2 新型固態繼電器在煤電鉆綜合保護裝置中的應用
2．1 新型煤電鉆綜合保護裝置
　　常見的半導體中性點開關均采用普通晶閘管或晶體管、整流器件構成，壓降大，功耗大。并且由于電路拓撲結構及器件性能的影響，導致半導體中性點開關的關斷時間過長，因此，不能滿足快速關斷要求或引起電感過電壓（電壓上升率），造成中性點開關失控現象。采用由全控型器件組成的新型半導體中性點開關便可解決上述問題。利用由電力電子器件構成的半導體中性點開關將變壓器二次繞組接成Y點（Y接），當出現短路故障時，半導體中性點開關利用電力半導體器件將變壓器二次繞組Y點快速斷開，即快速切斷電源，從而縮短保護動作時間。
　　改進后的新型煤電鉆綜合保護裝置主電路如圖2所示，該主電路主要由隔離開關QS1，操作手柄開關QS2，做短路后備保護的一、二次側熔斷器FU1、FU2，主變壓器TM，由直流固態繼電器組成的新型半導體中性點開關，交流固態繼電器和起過載保護作用的熱繼電器組成。其執行機構采用改進型的快速斷電技術（直流固態繼電器）和無觸點開關（交流固態繼電器）控制執行。

　　由絕緣柵雙極晶體管IGBT器件構成的新型半導體中性點開關具有結構簡單，關斷能力強，開關壓降、功率低，管子或模塊容量大的特點，將新型半導體中性點開關技術與故障電信號快速檢測技術相結合，應用到煤電鉆綜合保護裝置中，將大大縮短短路動作時間（從接收到短路信號到完全斷開所需時間約41ms），提高我國煤礦安全技術水平。
2．2 半導體中性點開關的基本組成
　　由新型直流固態繼電器組成的半導體中性點開關的基本組成如圖3所示，它包括三相不控整流橋、由IGBT器件構成的直流固態繼電器及過電壓吸收裝置三部分。由于直流固態繼電器的斷開速度非常快（1ms左右），使得感性負載回路瞬間產生很高的反電壓（千伏級），快速斷電產生的過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，保證直流固態繼電器不被擊穿。

　　將新型直流固態繼電器應用到煤綜保中之后，其工作原理如下：合上電源隔離開關QS ，接通電源，給直流固態繼電器加上控制信號使之導通，變壓器二次側接成Y點；
　　合上負載側隔離開關Qs ，然后觸發交流固態繼電器使之導通，電動機接通電源，煤電鉆開始工作。當檢測回路檢測到故障信號時，發出指令，切斷直流固態繼電器的控制信號，直流固態繼電器關斷，使得主變壓器二次側中性點斷開，從而斷開主回路電源，快速實現保護。
2．3 煤電鉆綜合保護裝置中直流固態繼電器參數的選擇
　　設電路正常工作時，某一瞬間的等效電路如圖4所示。則電路正常工作時，直流固態繼電器和三相橋中每個整流管所承受的最高電壓（考慮2～3倍余量）。對于4kW的煤電鉆，其額定電流，則流過負載的最大電流Im=In=×21．4=30A，由于直流固態繼電器用在三相橋式整流的直流側，且其承受過電流的能力很弱，所以考慮4～5倍余量來選擇直流固態繼電器的額定電流，即I=（4～5）Im=（4～5）×30=120～150A。所以，采用IGBT模塊構成的直流固態繼電器，其工作電壓選為400V，工作電流120A，通態壓降≤1．5V。

2．4 改進后的效果
　　采用交流固態繼電器代替交流接觸器，并采用新型固態繼電器器件代替可控硅對半導體中性點開關進行技術改造，改造后的快速斷電中性點開關關斷時間可達到0．3ms。并將之應用到新型煤電鉆綜合保護裝置中，使新型煤電鉆綜合保護裝置的短路保護動作時間大大縮短（最長為41ms，最短可達13ms），可解決現有產品短路保護動作時間長的問題，有效的防止意外事故的發生。
3 結語
　　實踐證明，新型固態繼電器應用在煤電鉆綜合保護裝置中，采用圖2所示主電路和上述器件，與原固態繼電器相比，具有結構簡單，關斷能力強，開關壓降、功耗低，管子或模塊容量大、價格低等特點，與故障電信號快速檢測技術相結合，完全滿足煤礦井下安全生產的需要。斷開，從而斷開主回路電源，快速實現保護。